Die Ammoniaksynthese
- Bei Zimmertemperatur läuft die Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak nicht merklich ab. Durch Erhöhung der Temperatur wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, gleichzeitig verschiebt sich allerdings das Gleichgewicht zu den Ausgangsstoffen hin. Durch Erhöhung des Druckes kann das Gleichgewicht zur Seite des Ammoniaks hin verschoben werden.
Beispiele:
a) φ (Ammoniak) ≈ 40 % bei 400 °C und 20 MPa
b) φ (Ammoniak) ≈ 67 % bei 400 °C und 60 MPa
c) φ (Ammoniak) ≈ 73 % bei 300 °C und 30 MPa
d) φ (Ammoniak) ≈ 30 % bei 500 °C und 30 MPa
- Für die Ammoniaksynthese sind die günstigsten Bedingungen eine möglichst niedrige Temperatur und ein möglichst hoher Druck. Allerdings läuft die Ammoniaksynthese bei Zimmertemperatur nicht merklich ab. Zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit muss die Temperatur erhöht werden, dieses führt aber zu einer Verschiebung des Gleichgewichts zu den Ausgangsstoffen hin. Ein Katalysator ermöglicht eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Temperatur, die ohne Katalysator notwendig wäre. Die Reaktionstemperatur wird damit durch den Temperaturbereich bestimmt, in dem der Katalysator aktiv ist. Die schließlich gewählte Temperatur ergibt sich somit aus einem Kompromiss zwischen dem Ziel einer günstigen Gleichgewichtslage und dem Ziel einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit.
Wissensteil:
Die Ammoniaksynthese verläuft unter starker Wärmeentwicklung, deshalb ist der Katalysator in Rohren oder in mehreren Schichten angeordnet. Das kalte Synthesegas aus Stickstoff und Wasserstoff wird durch Kompressoren auf den Reaktionsdruck gebracht.
Erst nach Durchlaufen eines Wärmeaustauschers mit dem austretenden heißen Gasgemisch kommt das nun erhitzte Synthesegas in den Kontaktraum mit dem Katalysator. So wird die vorgesehene Reaktionstemperatur eingehalten. Reaktoren mit einer Tagesproduktion von 1500 Tonnen Ammoniak haben eine Höhe von 30 m bei einem Innendurchmesser von 2,4 m und einer Masse von 400 Tonnen. Als Katalysator dienen 6 bis 20 mm dicke, poröse Eisenkörner, denen noch Metalloxide beigemischt sind. Moderne Reaktoren enthalten bis zu 100 Tonnen Katalysator.
Das Synthesegas kommt etwa 30 Sekunden mit dem Katalysator in Berührung. In dieser kurzen Zeit stellt sich nicht das Gleichgewicht mit der maximalen Ammoniakausbeute ein. Es ist wirtschaftlicher, die Gase rasch über den Katalysator strömen zu lassen, da der Verzicht auf den maximalen Ammoniakanteil durch die viel größeren Gasmengen überkompensiert wird. Die Synthese wird im Kreislauf betrieben, da so das gebildete Ammoniak durch Kühlung als Flüssigkeit abgetrennt und das Synthesegas wieder in den Synthesereaktor geführt wird. Meist durchströmt das Gas zur Ausbeutesteigerung noch einen zweiten Synthesereaktor.
