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Ammoniaksynthese - Der Griff in die Luft (Haber-Bosch-Verfahren) - FWU Lehrfilm
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 76 Zeilen
- schon immer waren Pflanzen die Grundlage menschlicher Ernährung [Musik] um wachsen zu können sind Pflanzen auf
- die Mineralstoffe im Boden angewiesen vor allem die Menge der Stickstoffverbindungen entscheidet über
- gesundes Wachstum oder über das dahin kümmern der Pflanze mit jeder Ernte werden dem Boden Mineralstoffe entzogen
- das gilt natürlich umso mehr je intensiver die Nutzung ist es muss also nach jeder Ernte immer wieder gedüngt werden wenn der Boden
- nicht bearmen soll die klassische Düngung mit organischen Abfällen wird dem nur in unzureichender
- Weise gerecht doch sie stellte bis zur Jahrhundertwende die einzige Möglichkeit da den Boden die entzogenen
- Mineralstoffe wieder zurückzugeben mit jeder neuen Saat mit jeder weiteren Ernte musste sich daher das
- Mineralstoffdefizit auf den Eckern vergrößern dabei hatte der Bauer gerade um die Jahrhundertwende eine dramatisch zunehmende Bevölkerungszahl in den
- Städten und industrierregionen zusätzlich zu versorgen während also die Ernten immer tätlicher aus vielen wuchs der Nahrungsbedarf
- enorm an es musste ein Ausweg aus diesem Dilemma gefunden werden die Lösung lag sozusagen in der Luft in unserer Atmosphäre
- denn gerade dort sind die größten Stickstoffmengen zu finden mit einem Stickstoffanteil von fast 80% [Musik]
- die große Mehrzahl aller Pflanzen so auch der für die Welternährung so wichtige Weizen kann diesen elementaren Stickstoff der Luft nicht verwerten
- der Grund die Struktur des stickstoffmoleküls zwei Stickstoffatome werden durch eine Dreifachbindung außergewöhnlich fest
- aneinander gebunden diese Dreifachbindung macht das stickstoffmolekül äußerst reaktionsträge der Stickstoff kann nur mit wenigen
- anderen Stoffen zur Reaktion gebracht werden zum Beispiel mit Wasserstoff dabei entsteht Ammoniak unter normalen Bedingungen ein Gas
- dieses Ammoniak dient als Ausgangsstoff für eine Reihe wichtiger Verfahren ein einfaches Laborexperiment weist die Bildung von Ammoniak aus Wasserstoff und
- Stickstoff nach die Reaktion verläuft nur in Anwesenheit eines Katalysators hinreichend schnell
- ein Molekül Stickstoff reagiert mit 3 Molekülen Wasserstoff es entsteht Ammoniak
- der Katalysator wird erst wirksam wenn er erwärmt wird und von Ammoniak macht ein Indikator sichtbar
- die Ausbeute ließe sich durch Erhöhung des Drucks verbessern soweit die Reaktion die als solche um die Jahrhundertwende durchaus bekannt
- war das Problem bestand in der technischen Umsetzung 1904 bekam fritz Haber Professor an der Technischen Hochschule Karlsruhe den
- Auftrag einen brauchbares Verfahren für die Synthese von Ammoniak zu entwickeln das Ergebnis diese Hochdruck versuchsapparatur die er
- fünf Jahre später im Jahre 1909 vorführen konnte sie bestand im wesentlichen aus drei Teilen
- einen gas-trockner zum Entzug der Feuchtigkeit in den synthesegasen in der Mitte der Reaktor schließlich das Ammoniak Sammelgefäß das
- von einem Kühlmantel umschlossen ist um die Verflüssigung des ammoniak-gases feststellen zu können befindet sich am unteren Ende ein Schauglas
- Arbeiten unter Hochdruck bei etwa 200-fachem Überdruck Einsatz eines Katalysators im Reaktorraum und erhöhte Temperatur
- damit waren also die wesentlichen verfahrensmerkmale der späteren großtechnischen Herstellung im Prinzip schon verwirklicht
- fast 90 Gramm Ammoniak pro Stunde konnten mit dieser Apparatur erzeugt werden die große Herausforderung die Umsetzung
- in den großtechnischen Maßstab wobei allerdings in dieser modernen Anlage eine fast 80-jährige Städte Weiterentwicklung steckt
- damals war der erste Schritt die Suche nach einem technisch verwendbaren Katalysator
- 1911 fand Alwin mitasch im tausenden von versuchen ein Katalysator Gemisch für die Synthese das bis heute unübertroffen ist
- Eisen mit einigen Prozent Tonerde und eine geringe Menge Kali lediglich ein kleiner Anteil an Calcium ist später noch dazu gekommen
- als nächstes war ein Material für den Reaktor zu finden er musste nicht nur dem hohen Druck standhalten sondern auch gegen die
- reaktionsgase resistent sein Karl Bosch fand die Lösung er verwendete mehrschichtige
- Konstruktionen die den extremen Bedingungen standhalten konnten 200-fachen Überdruck 400 Grad und reaktionsfreudigem Wasserstoff
- heute erlauben moderne Stähle mit geringem Kohlenstoffanteil den Bau von Reaktoren mit sehr großem Volumen immerhin circa 50 Kubikmeter Katalysator
- fast ein solcher Reaktor alle zwei Jahre im Rahmen der routinemäßigen Überprüfung der gesamten
- Anlage wird der Katalysator ausgetauscht der Innenraum des Reaktors hat etwa 3,5 m Durchmesser und ist ca 6 m hoch
- die Ausbeute einer solchen Anlage beträgt 1.500 Tonnen Ammoniak pro Tag das ist nahezu dass millionenfache der ursprünglichen haberschen Apparatur
- dort wurden die beiden Synthese Gase Stickstoff und Wasserstoff lediglich aus vorratsflaschen einem Trockner zugeführt gerade die Erzeugung und Reinigung der
- Synthese Gase nehmen aber im modernen Anlagen einen sehr großen Raum ein Ausgangsbasis für die Wasserstoffgewinnung ist heute
- vorwiegend dass Erdgas es besteht bis zu 98% aus Methan CH4 besitzt also einen hohen Wasserstoffanteil zunächst wird das Methan von
- Schwefelverbindungen befreit die als Katalysator Gifte wirken das gereinigte Erdgas gelangt dann in einen gewaltigen primärreformer
- dort wird es mit dem zweiten Rohstoff zusammengebracht im Wasserdampf das geschieht bei einer Temperatur von 800 Grad
- der erdgasflamme gegenüber befinden sich Rohre durch die die beiden Gase strömen die Rohre enthalten nickel als Katalysator
- Wasserdampf und Methan reagieren am Nickel es bilden sich Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auch überschüssiges Methan befindet sich
- noch im austretenden Gasgemisch es hat nicht reagiert dieses Gemisch wird nun aus den primärenformer weitergeleitet in den
- sekundärreformer dort kommt über eine Ringleitung der dritte Rohstoff hinzu die Luft
- sie ist der stickstofflieferant der in der Luft ebenfalls enthaltene Sauerstoff muss allerdings beseitigt werden auch dies geschieht im sekundäre
- forma und zwar auf sehr elegante Weise das nicht vollständig umgesetzte Methan aus den primärreformer reagiert nämlich mit dem Sauerstoffanteil der Luft im
- Beisein des Stickstoffs zu Kohlenstoffmonoxid und weiteren Wasserstoff bei Temperaturen um 1000 Grad
- das Kohlenstoffmonooxid wird anschließend zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und ausgewaschen
- in einer Leitwarte wird dieser Prozess der Gasaufbereitung so geregelt dass die gewünschte Zusammensetzung des synthesegases immer gewährleistet ist
- für die Gewinnung der beiden Ausgangsstoffe also des Wasserstoffs und des Stickstoffs aus Erdgas und Luft ist ein hoher Energieaufwand erforderlich
- in seiner versuchsapparatur hat der Haba dieses Problem außer Acht gelassen denn seine ganze Aufmerksamkeit galt dem synthesevorgang im Reaktor
- bei hohem Druck treffen dort Stickstoff und Wasserstoff auf die Katalysator Oberfläche wo sie sich in die Atome trennen die beiden Stickstoffatome
- binden nacheinander je drei Wasserstoffatome sodass insgesamt zwei ammoniakmoleküle entstehen die beiden ammoniakmoleküle lösen sich
- wieder von der Katalysator Oberfläche die bei dieser Reaktion frei werdende Energie wird zugleich sinnvoll genutzt
- so wird das nachströmende Synthese Gas auf die Prozesstemperatur von 500 Grad gebracht unter diesen Bedingungen wird ein Ammoniakgehalt von 11 Volumen
- Prozent erreicht um die Ausbeute zu verbessern wird das austretende Gasgemisch so gleich in einem zweiten Reaktor geleitet sodass
- schließlich ein Ammoniakgehalt von 16 Volumenprozent erzielt wird auch bei dieser Reaktion im zweiten Reaktor wird wieder Energie frei
- das ausströmende heiße Gas wird daher in einen Wärmeaustauscher geleitet wo ihm ein Großteil seiner Energie entzogen wird und zwar zu Erzeugung von
- überhitztem Dampf dieser Dampf treibt eine Turbine und damit Kompressoren
- in insgesamt vier Stufen wird so das Synthese Gas auf den erforderlichen Druck gebracht
- dieser Druck wird so gewählt dass der Energieaufwand in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen bleibt
- das im Reaktor gebildete Ammoniakgas muss schließlich in einem Abscheider so weit heruntergekühlt werden dass sich das Ammoniak verflüssigt
- hier die großtechnische Umsetzung über ein weitläufiges Rohr und Verteilungssystem gelangt das Ammoniak
- schließlich in kugeltanks zur vorübergehenden Speicherung der Stickstoff der Luft ist in eine Verbindung übergeführt die als
- Zwischenprodukt und Ausgangsstoff für viele weitere chemische Synthesen dient flüssiges Ammoniak lässt sich problemlos zum verbrauchertransportieren wo es
- beispielsweise für die Herstellung von Kunstfasern benötigt wird ammoniak ist auch wichtig für die Produktion von Lacken und Farben
- in Kraftwerken findet Ammoniak Anwendung bei der Entfernung giftiger Stickoxide aus den Rauchgasen doch der weitaus größte Teil nämlich
- etwa 80% der Welt ammoniakproduktion wird zur Herstellung von Düngemittel verwendet durch die Ammoniaksynthese wurde die
- Luft zu einem der wichtigsten Rohstofflieferanten doch die Erfolgssicherheit der pioniertage ist heute zurückhaltend
- mit übergroßen Mengen hat zu beachtlichen ökologischen Problemen geführt die Nitrat Auswaschung in das
- Grundwasser ist nur ein Beispiel dafür erst die sachgemäße Anwendung der Düngemittel macht den Griff in die Luft
- zu einem wirklichen Fortschritt [Musik]
Zum Nachlesen
Haber-Bosch-VerfahrenDas Haber-Bosch-Verfahren ist ein großindustrielles chemisches Verfahren zur Synthese von Ammoniak. Es ist nach den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl …
ChemieZentrale Begriffe der Chemie sind chemische Reaktionen und chemische Bindungen. Durch chemische Reaktionen werden chemische Bindungen gebildet oder gespalten.