Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein Laborverfahren, um Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff herzustellen. Das Verfahren wurde von dem Chemiker Fritz Haber und dem Ingenieur Carl Bosch entwickelt.

Reaktion:

N_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} ↔ 2 NH_{3 (g)}

Damit die Reaktion möglichst schnell ablaufen kann, werden durch eine Apparatur, deren Aufbau wir im Folgenden erklären werden, möglichst optimale Bedingungen geschaffen. Dabei werden Temperatur, Druck sowie die Konzentration der beteiligten Stoffe modifiziert und zudem ein Katalysator verwendet:

1. Temperatur: Die Synthese von Ammoniak ist exotherm. Daher sollte die Temperatur möglichst gering sein, um eine hohe Ammoniakausbeute zu erhalten. Trotzdem findet die Reaktion bei ca. 450°C statt. Dies liegt daran, dass bei einer niedrigen Temperatur das Reaktionsgleichgewicht Richtung Ammoniak verschoben wäre, jedoch aufgrund der Kinetik sehr lange dauern würde. Daher werden Kühlanlagen beim Haber-Bosch-Verfahren verwendet, die die Temperatur aber „nur“ auf 450°C senken.
2. Katalysator: Als Katalysator dient beim Haber-Bosch-Verfahren meist Eisen (sowie im ersten Schritt Nickel). Der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie und steigert die Reaktionsgeschwindigkeit, sodass sich das Gleichgewicht schneller einstellt.
3. Druck: Bei der Ammoniaksynthese wird mit ca. 150-300 Bar Druck gearbeitet. Durch die Druckerhöhung, verlagert sich das Gleichgewicht auf die Seite mit weniger NH₃-Molekülen.
4. Konzentration der beteiligten Stoffe: Während der Ammoniaksynthese wird Stickstoff im Überschuss zugegeben.

Im Folgenden wird das Haber-Bosch-Verfahren etwas vereinfacht dargestellt. Dabei werden die einzelnen oben dargestellten Veränderungen von Druck, Temperatur und die Stoffkonzentration sowie das Verwenden von Katalysatoren aufgegriffen.

1. Gewinnung des Wasserstoffs:

   In den Primärreformer, der zur Wasserstoffgewinnung dient, werden Methan und Wasser gegeben. Unter Temperaturen von 700 – 850°C sowie hohem Druck und mithilfe eines Nickel-Katalysators reagieren die beiden Ausgangsstoffe zu einem Gemisch aus Wasserstoff (H₂), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) und nicht umgesetztem Methan und Wasserdampf.

2. Gewinnung des Stickstoffs:

   In dem Sekundärreformer wird der Stickstoff für die Ammoniaksynthese gewonnen. Dazu wird das Gemisch aus dem Primärreformer mit verdichteter Luft (78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und 1% Edelgase und andere Spurenelemente, wie Kohlendioxid oder Methan) gemischt.

   Die Temperatur in dem Sekundärreformer beträgt 1100° C. Unter diesen Bedingungen reagiert der zugeführte Sauerstoff mit Methan zu Kohlendioxid und Wasser, mit Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff und mit dem Wasserstoff zu Wasser. Der Kohlenstoff kann mit Wasser weiter zu Kohlenmonoxid reagieren. Der reaktionsträge Stickstoff aus der Luft bleibt unverändert zurück.

   1. 2 O₂ + CH₄ ↔ CO₂ + 2H₂O
   2. CH₄ + H₂O ↔ CO + 3 H₂
   3. CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂
   4. O₂ + 2 H₂ ↔ 2 H₂O

   Aus dem Sekundärreformer wird ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Resten von Methan abgegeben.

3. Die Konvertierung:

   Um Ammoniak herzustellen, muss aus dem Gemisch noch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid entfernt werden. Da Kohlendioxid einfacher entfernt werden kann, wird in dem Schritt der Konvertierung das Kohlenmonoxid durch die Umsetzung mit Wasserdampf zu Kohlendioxid oxidiert.

   CO + H₂O _(g) ⇌ CO₂ + H₂

4. Die Gaswäsche:

   In diesem Schritt kann das Kohlendioxid mit Triethanolamin versetzter Waschflüssigkeit aus dem Gasgemisch entfernt werden.

    
5. Die Ammoniaksynthese:

   Nach den ersten vier Schritten können die Ausgangsstoffe Wasserstoff und Stickstoff in einen Kontaktofen, der einen Eisenoxid-Mischkatalysator enthält, geleitet werden. In diesem wird das Gasgemisch unter Druck von 150 –300 bar auf 400 – 500 °C erhitzt. Durch diesen Vorgang verbindet sich ein Teil (ca. 15 – 20%) des reaktionsträgen Stickstoffs mit Wasserstoff zu Ammoniak.

Das Gasgemisch wird in den Abhitzekessel weitergeleitet und kann durch Abkühlen und Verflüssigen von dem Stickstoff und Wasserstoff abgetrennt werden. Die nicht umgesetzten Gase können dem Kontaktofen wieder zugeführt werden.