Ammoniaksynthese - Der Griff in die Luft (Haber-Bosch-Verfahren) - FWU Lehrfilm
TV Pro 9061
https://www.youtube.com/watch?v=yrNs6iYivno

Transkript (automatisch erstellt)

0:14 schon immer waren Pflanzen die Grundlage menschlicher Ernährung [Musik] um wachsen zu können sind Pflanzen auf
0:22 die Mineralstoffe im Boden angewiesen vor allem die Menge der Stickstoffverbindungen entscheidet über
0:32 gesundes Wachstum oder über das dahin kümmern der Pflanze mit jeder Ernte werden dem Boden Mineralstoffe entzogen
0:44 das gilt natürlich umso mehr je intensiver die Nutzung ist es muss also nach jeder Ernte immer wieder gedüngt werden wenn der Boden
0:53 nicht bearmen soll die klassische Düngung mit organischen Abfällen wird dem nur in unzureichender
1:01 Weise gerecht doch sie stellte bis zur Jahrhundertwende die einzige Möglichkeit da den Boden die entzogenen
1:08 Mineralstoffe wieder zurückzugeben mit jeder neuen Saat mit jeder weiteren Ernte musste sich daher das
1:17 Mineralstoffdefizit auf den Eckern vergrößern dabei hatte der Bauer gerade um die Jahrhundertwende eine dramatisch zunehmende Bevölkerungszahl in den
1:26 Städten und industrierregionen zusätzlich zu versorgen während also die Ernten immer tätlicher aus vielen wuchs der Nahrungsbedarf
1:40 enorm an es musste ein Ausweg aus diesem Dilemma gefunden werden die Lösung lag sozusagen in der Luft in unserer Atmosphäre
1:53 denn gerade dort sind die größten Stickstoffmengen zu finden mit einem Stickstoffanteil von fast 80% [Musik]
2:15 die große Mehrzahl aller Pflanzen so auch der für die Welternährung so wichtige Weizen kann diesen elementaren Stickstoff der Luft nicht verwerten
2:26 der Grund die Struktur des stickstoffmoleküls zwei Stickstoffatome werden durch eine Dreifachbindung außergewöhnlich fest
2:36 aneinander gebunden diese Dreifachbindung macht das stickstoffmolekül äußerst reaktionsträge der Stickstoff kann nur mit wenigen
2:46 anderen Stoffen zur Reaktion gebracht werden zum Beispiel mit Wasserstoff dabei entsteht Ammoniak unter normalen Bedingungen ein Gas
2:57 dieses Ammoniak dient als Ausgangsstoff für eine Reihe wichtiger Verfahren ein einfaches Laborexperiment weist die Bildung von Ammoniak aus Wasserstoff und
3:09 Stickstoff nach die Reaktion verläuft nur in Anwesenheit eines Katalysators hinreichend schnell
3:25 ein Molekül Stickstoff reagiert mit 3 Molekülen Wasserstoff es entsteht Ammoniak
3:34 der Katalysator wird erst wirksam wenn er erwärmt wird und von Ammoniak macht ein Indikator sichtbar
3:49 die Ausbeute ließe sich durch Erhöhung des Drucks verbessern soweit die Reaktion die als solche um die Jahrhundertwende durchaus bekannt
3:59 war das Problem bestand in der technischen Umsetzung 1904 bekam fritz Haber Professor an der Technischen Hochschule Karlsruhe den
4:10 Auftrag einen brauchbares Verfahren für die Synthese von Ammoniak zu entwickeln das Ergebnis diese Hochdruck versuchsapparatur die er
4:21 fünf Jahre später im Jahre 1909 vorführen konnte sie bestand im wesentlichen aus drei Teilen
4:29 einen gas-trockner zum Entzug der Feuchtigkeit in den synthesegasen in der Mitte der Reaktor schließlich das Ammoniak Sammelgefäß das
4:40 von einem Kühlmantel umschlossen ist um die Verflüssigung des ammoniak-gases feststellen zu können befindet sich am unteren Ende ein Schauglas
4:51 Arbeiten unter Hochdruck bei etwa 200-fachem Überdruck Einsatz eines Katalysators im Reaktorraum und erhöhte Temperatur
5:00 damit waren also die wesentlichen verfahrensmerkmale der späteren großtechnischen Herstellung im Prinzip schon verwirklicht
5:09 fast 90 Gramm Ammoniak pro Stunde konnten mit dieser Apparatur erzeugt werden die große Herausforderung die Umsetzung
5:18 in den großtechnischen Maßstab wobei allerdings in dieser modernen Anlage eine fast 80-jährige Städte Weiterentwicklung steckt
5:27 damals war der erste Schritt die Suche nach einem technisch verwendbaren Katalysator
5:36 1911 fand Alwin mitasch im tausenden von versuchen ein Katalysator Gemisch für die Synthese das bis heute unübertroffen ist
5:47 Eisen mit einigen Prozent Tonerde und eine geringe Menge Kali lediglich ein kleiner Anteil an Calcium ist später noch dazu gekommen
5:57 als nächstes war ein Material für den Reaktor zu finden er musste nicht nur dem hohen Druck standhalten sondern auch gegen die
6:05 reaktionsgase resistent sein Karl Bosch fand die Lösung er verwendete mehrschichtige
6:15 Konstruktionen die den extremen Bedingungen standhalten konnten 200-fachen Überdruck 400 Grad und reaktionsfreudigem Wasserstoff
6:28 heute erlauben moderne Stähle mit geringem Kohlenstoffanteil den Bau von Reaktoren mit sehr großem Volumen immerhin circa 50 Kubikmeter Katalysator
6:39 fast ein solcher Reaktor alle zwei Jahre im Rahmen der routinemäßigen Überprüfung der gesamten
6:48 Anlage wird der Katalysator ausgetauscht der Innenraum des Reaktors hat etwa 3,5 m Durchmesser und ist ca 6 m hoch
7:01 die Ausbeute einer solchen Anlage beträgt 1.500 Tonnen Ammoniak pro Tag das ist nahezu dass millionenfache der ursprünglichen haberschen Apparatur
7:15 dort wurden die beiden Synthese Gase Stickstoff und Wasserstoff lediglich aus vorratsflaschen einem Trockner zugeführt gerade die Erzeugung und Reinigung der
7:25 Synthese Gase nehmen aber im modernen Anlagen einen sehr großen Raum ein Ausgangsbasis für die Wasserstoffgewinnung ist heute
7:35 vorwiegend dass Erdgas es besteht bis zu 98% aus Methan CH4 besitzt also einen hohen Wasserstoffanteil zunächst wird das Methan von
7:47 Schwefelverbindungen befreit die als Katalysator Gifte wirken das gereinigte Erdgas gelangt dann in einen gewaltigen primärreformer
7:59 dort wird es mit dem zweiten Rohstoff zusammengebracht im Wasserdampf das geschieht bei einer Temperatur von 800 Grad
8:08 der erdgasflamme gegenüber befinden sich Rohre durch die die beiden Gase strömen die Rohre enthalten nickel als Katalysator
8:17 Wasserdampf und Methan reagieren am Nickel es bilden sich Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid auch überschüssiges Methan befindet sich
8:28 noch im austretenden Gasgemisch es hat nicht reagiert dieses Gemisch wird nun aus den primärenformer weitergeleitet in den
8:42 sekundärreformer dort kommt über eine Ringleitung der dritte Rohstoff hinzu die Luft
8:55 sie ist der stickstofflieferant der in der Luft ebenfalls enthaltene Sauerstoff muss allerdings beseitigt werden auch dies geschieht im sekundäre
9:04 forma und zwar auf sehr elegante Weise das nicht vollständig umgesetzte Methan aus den primärreformer reagiert nämlich mit dem Sauerstoffanteil der Luft im
9:16 Beisein des Stickstoffs zu Kohlenstoffmonoxid und weiteren Wasserstoff bei Temperaturen um 1000 Grad
9:25 das Kohlenstoffmonooxid wird anschließend zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und ausgewaschen
9:34 in einer Leitwarte wird dieser Prozess der Gasaufbereitung so geregelt dass die gewünschte Zusammensetzung des synthesegases immer gewährleistet ist
9:45 für die Gewinnung der beiden Ausgangsstoffe also des Wasserstoffs und des Stickstoffs aus Erdgas und Luft ist ein hoher Energieaufwand erforderlich
9:57 in seiner versuchsapparatur hat der Haba dieses Problem außer Acht gelassen denn seine ganze Aufmerksamkeit galt dem synthesevorgang im Reaktor
10:09 bei hohem Druck treffen dort Stickstoff und Wasserstoff auf die Katalysator Oberfläche wo sie sich in die Atome trennen die beiden Stickstoffatome
10:19 binden nacheinander je drei Wasserstoffatome sodass insgesamt zwei ammoniakmoleküle entstehen die beiden ammoniakmoleküle lösen sich
10:29 wieder von der Katalysator Oberfläche die bei dieser Reaktion frei werdende Energie wird zugleich sinnvoll genutzt
10:38 so wird das nachströmende Synthese Gas auf die Prozesstemperatur von 500 Grad gebracht unter diesen Bedingungen wird ein Ammoniakgehalt von 11 Volumen
10:48 Prozent erreicht um die Ausbeute zu verbessern wird das austretende Gasgemisch so gleich in einem zweiten Reaktor geleitet sodass
10:59 schließlich ein Ammoniakgehalt von 16 Volumenprozent erzielt wird auch bei dieser Reaktion im zweiten Reaktor wird wieder Energie frei
11:10 das ausströmende heiße Gas wird daher in einen Wärmeaustauscher geleitet wo ihm ein Großteil seiner Energie entzogen wird und zwar zu Erzeugung von
11:19 überhitztem Dampf dieser Dampf treibt eine Turbine und damit Kompressoren
11:29 in insgesamt vier Stufen wird so das Synthese Gas auf den erforderlichen Druck gebracht
11:37 dieser Druck wird so gewählt dass der Energieaufwand in wirtschaftlich vertretbaren Grenzen bleibt
11:46 das im Reaktor gebildete Ammoniakgas muss schließlich in einem Abscheider so weit heruntergekühlt werden dass sich das Ammoniak verflüssigt
11:57 hier die großtechnische Umsetzung über ein weitläufiges Rohr und Verteilungssystem gelangt das Ammoniak
12:09 schließlich in kugeltanks zur vorübergehenden Speicherung der Stickstoff der Luft ist in eine Verbindung übergeführt die als
12:18 Zwischenprodukt und Ausgangsstoff für viele weitere chemische Synthesen dient flüssiges Ammoniak lässt sich problemlos zum verbrauchertransportieren wo es
12:30 beispielsweise für die Herstellung von Kunstfasern benötigt wird ammoniak ist auch wichtig für die Produktion von Lacken und Farben
12:42 in Kraftwerken findet Ammoniak Anwendung bei der Entfernung giftiger Stickoxide aus den Rauchgasen doch der weitaus größte Teil nämlich
12:51 etwa 80% der Welt ammoniakproduktion wird zur Herstellung von Düngemittel verwendet durch die Ammoniaksynthese wurde die
13:01 Luft zu einem der wichtigsten Rohstofflieferanten doch die Erfolgssicherheit der pioniertage ist heute zurückhaltend
13:12 mit übergroßen Mengen hat zu beachtlichen ökologischen Problemen geführt die Nitrat Auswaschung in das
13:19 Grundwasser ist nur ein Beispiel dafür erst die sachgemäße Anwendung der Düngemittel macht den Griff in die Luft
13:28 zu einem wirklichen Fortschritt [Musik]