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:
N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (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:
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.
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.
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.
Aus dem Sekundärreformer wird ein Gasgemisch aus Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Resten von Methan abgegeben.
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
In diesem Schritt kann das Kohlendioxid mit Triethanolamin versetzter Waschflüssigkeit aus dem Gasgemisch entfernt werden.
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.