Das Haber-Bosch-Verfahren einfach erklärt: Ammoniak-Synthese

Das Haber-Bosch-Verfahren ist einer der wichtigsten industriellen Prozesse der Chemie. Aber wie ernähren wir 8 Milliarden Menschen auf der Erde? Die Antwort liegt buchstäblich in der Luft! Das Haber-Bosch-Verfahren nimmt unsichtbaren Stickstoff aus der Luft und verwandelt ihn in Ammoniak, den wichtigsten Grundstoff für künstliche Düngemittel.

In diesem Artikel lernst du, wie riesige Industrieanlagen die benötigten Gase gewinnen und wie ein cleveres Kreislaufsystem dafür sorgt, dass die Produktion von Ammoniak so schnell und wirtschaftlich wie möglich abläuft.

Vorwissen

• Die chemische Gleichung: Stickstoff und Wasserstoff reagieren zu Ammoniak.

  Beispiel: $\text{N}_2 + 3 \text{H}_2 \rightleftharpoons 2 \text{NH}_3$

• Exotherme und endotherme Reaktionen: Exotherme Reaktionen geben Wärme ab, endotherme Reaktionen benötigen dauerhaft Wärme.

  Beispiel: Ein brennendes Feuer ist exotherm, da es die Umgebung wärmt.

• Prinzip von Le Chatelier: Ein chemisches Gleichgewicht weicht einem Zwang (wie Druck oder Temperatur) aus.

  Beispiel: Erhöht man den Druck, verschiebt sich das Gleichgewicht auf die Seite mit weniger Gasteilchen.

Aufgabentyp 1: Herstellung von Synthesegas

Um Ammoniak ($\text{NH}_3$) herzustellen, brauchen wir Stickstoff und Wasserstoff im genauen Volumenverhältnis von 1:3.

Den Stickstoff bekommen wir ganz einfach aus der Umgebungsluft. Den Wasserstoff müssen wir jedoch in einer riesigen Anlage aus Erdgas (Methan, $\text{CH}_4$) und Wasserdampf herauslösen. Diesen mehrstufigen Prozess nennt man Dampfreformierung.

Er läuft in drei Hauptschritten ab:

1. Primärreformer: Das entschwefelte Erdgas wird mit heißem Wasserdampf bei ca. $800 \text{ }^\circ\text{C}$ an einem Katalysator gemischt. Dabei wird das Methan aufgebrochen. Diese Reaktion benötigt Wärme (sie ist endotherm).

$\text{CH}_4(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{g}) \rightleftharpoons \text{CO}(\text{g}) + 3 \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2(\text{g})}$

2. Sekundärreformer: Nun wird Luft in das System gepumpt. Die Luft bringt den wichtigen Stickstoff mit, aber auch Sauerstoff. Der Sauerstoff reagiert mit dem restlichen Methan. Das erzeugt viel Hitze (exotherm), die den Prozess am Laufen hält.

$2 \text{CH}_4(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2 \text{CO}(\text{g}) + 4 \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2(\text{g})}$

3. Konvertierung (Wassergas-Shift-Reaktion): Wir haben jetzt viel Wasserstoff, aber auch giftiges Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$). Im letzten Schritt reagiert das $\text{CO}$ mit weiterem Wasserdampf zu Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) und noch mehr Wasserstoff.

$\text{CO}(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{g}) \rightleftharpoons \text{CO}_2(\text{g}) + \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2(\text{g})}$

Am Ende wird das störende $\text{CO}_2$ einfach mit einer Lösung (z. B. Kaliumcarbonat) ausgewaschen. Übrig bleibt unser perfektes Synthesegas: Ein Gemisch aus genau drei Teilen Wasserstoff und einem Teil Stickstoff.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Mische entschwefeltes Erdgas mit heißem Wasserdampf im Primärreformer.
2. Pumpe Luft in den Sekundärreformer, um Stickstoff hinzuzufügen.
3. Wandle Kohlenstoffmonoxid durch Wasserdampf in Kohlenstoffdioxid um.
4. Wasche das entstandene Kohlenstoffdioxid mit einer Lösung aus.

Aufgabentyp 2: Industrieller Reaktor und Kreislaufverfahren

Das fertige Synthesegas wird nun in den eigentlichen Haber-Bosch-Reaktor geleitet. Hier herrschen extreme Bedingungen: Ein Druck von ca. $30 \text{ MPa}$ ($300 \text{ bar}$, also 300-mal höher als der normale Luftdruck), eine Temperatur von $450 \text{ }^\circ\text{C}$ und ein spezieller Katalysator aus porösen Eisenkörnern.

Das Kreislaufprinzip: Die Gase rasen in nur etwa 30 Sekunden durch den Reaktor. Weil sie so schnell hindurchströmen, reagieren nur etwa 15 % bis 20 % der Gase zu Ammoniak. Das chemische Gleichgewicht wird also gar nicht erst erreicht. Warum macht man das?

In der Industrie gilt: Zeit ist Geld! Es ist wirtschaftlicher, das Gas sehr schnell durchzupumpen und in kurzer Zeit eine kleine Menge Ammoniak zu gewinnen, als stundenlang zu warten, bis das Gas vollständig reagiert hat.

Die Abtrennung: Da die Reaktion stark exotherm ist, wird das heiße Gasgemisch nach dem Reaktor abgekühlt. Hierbei nutzt man einen Trick: Ammoniak wird bei Kälte viel schneller flüssig als Stickstoff und Wasserstoff. Das flüssige Ammoniak tropft einfach nach unten ab und kann gesammelt werden. Die restlichen, nicht reagierten Gase (Stickstoff und Wasserstoff) sind noch gasförmig und werden direkt wieder in den Reaktor zurückgepumpt. So geht kein wertvolles Gas verloren und der Kreislauf beginnt von vorn!

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Leite das Synthesegas bei hohem Druck und Temperatur in den Reaktor.
2. Pumpe das Gasgemisch schnell durch den Reaktor für maximale Wirtschaftlichkeit.
3. Kühle das heiße Gasgemisch ab, um das Ammoniak zu verflüssigen.
4. Führe die nicht reagierten Gase wieder in den Kreislauf zurück.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Synthesegas besteht aus Stickstoff (aus der Luft) und Wasserstoff (aus Erdgas).
• Die Dampfreformierung gewinnt den Wasserstoff in drei Schritten: Primärreformer, Sekundärreformer und Konvertierung.
• Der Haber-Bosch-Reaktor arbeitet bei ca. $300 \text{ bar}$, $450 \text{ }^\circ\text{C}$ und mit einem Eisen-Katalysator.
• Das Kreislaufverfahren trennt flüssiges Ammoniak ab und führt nicht reagierte Gase zurück, um trotz kurzer Kontaktzeiten maximal wirtschaftlich zu sein.