Haber-Bosch-Verfahren: Ablauf und Bedingungen

Ammoniak, kurz NH₃, enthält Stickstoff und Wasserstoff. Die reversible Gesamtreaktion lautet:

$$\mathrm{N_2(g)+3\,H_2(g)\rightleftharpoons 2\,NH_3(g)}$$

Der Doppelpfeil zeigt: Neben der Hinreaktion zu Ammoniak läuft auch die Rückreaktion zu Stickstoff und Wasserstoff ab. Nach einiger Zeit stellt sich ein dynamisches chemisches Gleichgewicht ein. Dann entstehen und zerfallen pro Zeit gleich viele Ammoniakteilchen; die Reaktionen sind aber nicht beendet.

Die Stickstoffmoleküle sind besonders reaktionsträge. Deshalb ist für eine ausreichend schnelle Umsetzung eine hohe Aktivierungsenergie zu überwinden. Eine erhöhte Temperatur und ein Katalysator helfen dabei.

Die Ammoniakbildung ist exotherm: Bei der Hinreaktion wird Wärme frei. Für die Reaktion, wie sie in der Gleichung mit 2 mol NH₃ steht, gilt ungefähr:

$$\Delta H=-92{,}3\,\mathrm{kJ}$$

Das negative Vorzeichen kennzeichnet die Wärmeabgabe.

Nach dem Prinzip von Le Chatelier reagiert ein Gleichgewicht auf eine Änderung so, dass deren Wirkung teilweise abgeschwächt wird.

Temperatur: Gleichgewicht gegen Geschwindigkeit

Eine niedrigere Temperatur begünstigt bei der exothermen Synthese die Ammoniakseite. Sie macht die Reaktion jedoch langsam. Eine höhere Temperatur beschleunigt die Reaktion, begünstigt im Gleichgewicht aber die endotherme Rückreaktion.

Industriell werden deshalb häufig ungefähr 400 bis 500 °C verwendet. Das ist ein Kompromiss: Die Reaktion läuft ausreichend schnell, obwohl die Gleichgewichtslage bei niedrigerer Temperatur günstiger wäre.

Druck: weniger Gasteilchen werden begünstigt

Auf der linken Seite stehen nach den Koeffizienten vier gasförmige Teilchenanteile: einer für N₂ und drei für H₂. Rechts stehen zwei Anteile NH₃. Eine Druckerhöhung begünstigt daher die Seite mit weniger Gasteilchen, also die Ammoniakseite.

Klassische Anlagen arbeiten in einem hohen Druckbereich, häufig etwa zwischen 150 und 350 bar. Noch höherer Druck könnte die Gleichgewichtslage weiter verbessern, verlangt aber mehr Energie für die Verdichtung und eine technisch aufwendigere, sichere Anlage.

Produktentzug: Platz für weiteres Ammoniak

Nach dem Reaktor wird Ammoniak durch Kühlung verflüssigt und aus dem Gasgemisch entfernt. Dadurch sinkt sein Anteil im Reaktionsgemisch. Das Gleichgewicht reagiert mit weiterer Ammoniakbildung.

In einem einzelnen Durchgang wird nur ein Teil des Stickstoff-Wasserstoff-Gemisches umgesetzt. Die Anlage lässt unverbrauchte Gase deshalb nicht einfach entweichen.

Der vereinfachte Kreislauf umfasst diese Schritte:

1. Gas bereitstellen und reinigen: Stickstoff stammt aus Luft. Wasserstoff wird überwiegend aus wasserstoffreichen Rohstoffen gewonnen; ein verbreiteter Weg ist die Dampfreformierung von Methan. Störende Stoffe wie CO, CO₂ und Schwefelverbindungen müssen weitgehend entfernt werden.
2. Verdichten und erwärmen: Ein Kompressor bringt das gereinigte Synthesegas auf hohen Druck. Anschließend wird es auf Reaktionstemperatur gebracht.
3. Reagieren: Im Reaktor strömt das Gemisch über den eisenhaltigen Katalysator. Ein Teil wird zu NH₃ umgesetzt.
4. Wärme nutzen und kühlen: Das heiße Reaktionsgas gibt Wärme ab. Bei weiterer Kühlung kondensiert Ammoniak.
5. Trennen: Flüssiges NH₃ wird von den gasförmigen Reststoffen abgetrennt.
6. Zurückführen: Unverbrauchtes N₂ und H₂ werden mit Frischgas ergänzt, erneut verdichtet und in den Reaktor zurückgeführt.

Stoffe wie Argon und Methan reagieren im Synthesekreislauf nicht wie N₂ und H₂. Ohne einen begrenzten Teilstromabzug könnten sie sich anreichern und die Anteile der Reaktanden verringern.

Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Beim Haber-Bosch-Verfahren wird meist ein eisenhaltiger Feststoff verwendet. Der aktive Kontakt besteht aus fein verteiltem Eisen; Zusätze können seine Aktivität oder Stabilität verbessern.

Der Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion. Dadurch stellt sich das Gleichgewicht schneller ein. Er verändert aber weder die Gleichgewichtslage noch die Gleichgewichtskonstante und wird bei der Gesamtreaktion nicht verbraucht.

Nur eine Änderung der Temperatur verändert bei dieser Reaktion die Gleichgewichtskonstante. Druckänderung und Produktentzug verändern bei gleichbleibender Temperatur die Zusammensetzung beziehungsweise Gleichgewichtslage, nicht den Wert der Gleichgewichtskonstante.

Ammoniak ist vor allem ein Ausgangsstoff für Stickstoffdünger. Dadurch ist das Haber-Bosch-Verfahren für die landwirtschaftliche Produktion und die Ernährung vieler Menschen bedeutsam. Weitere Folgeprodukte werden unter anderem für stickstoffhaltige Chemikalien und Sprengstoffe genutzt.

Die Herstellung ist zugleich technisch und energetisch anspruchsvoll:

• Das Gasgemisch muss stark verdichtet und erhitzt werden.
• Die Wasserstoffbereitstellung benötigt Rohstoffe und Energie.
• Wird Wasserstoff aus Methan gewonnen, entsteht bei der Gasaufbereitung CO₂.
• Hochdruckanlagen benötigen geeignete Werkstoffe und einen sicheren Betrieb.
• Übermäßige Einträge reaktiver Stickstoffverbindungen durch Düngung können Ökosysteme belasten.

Eine Verbesserung muss daher mehrere Kriterien zugleich beachten: Rohstoffbasis, Energiebedarf, sichere Prozessführung, Reaktionsgeschwindigkeit, Trennaufwand und Gesamtausbeute. Wasserstoff aus Elektrolyse kann die fossile Rohstoffbasis verringern, wenn die dafür eingesetzte Elektrizität entsprechend bereitgestellt wird. Der hohe Strombedarf bleibt dabei ein wichtiges Bewertungskriterium.

Du hast das Verfahren verstanden, wenn du nicht nur günstige Bedingungen aufzählen kannst, sondern ihre unterschiedlichen Wirkungen erklärst: Druck und Produktentzug beeinflussen die Gleichgewichtslage, die Temperatur beeinflusst Lage und Geschwindigkeit, und der Katalysator beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts.