EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Verwendung von Ammoniak KM-6: Gleichgewicht – Übertragung 101 101 Temperatur: Bei tiefer Temperatur ist die Gleichgewichtslage der schwach exo- thermen Reaktion günstig, aber die Reaktion fast unendlich langsam. Bei hoher Temperatur, bei der die Reaktion rasch genug wäre, liegt das Gleichgewicht bei den Ausgangsstoffen. Man benötigt also einen Katalysator. Mit den heute verwendeten Eisen-Kata- lysatoren kann man die Reaktionstemperatur auf 400 – 500 °C absenken, aber auch bei dieser Temperatur ist die Gleichgewichtslage noch ungünstig. Druck: Dabei nützt man die Molzahländerung bei der Reaktion aus. Die Aus- gangsstoffe (4 mol) haben nach dem Gesetz von Avogadro gegenüber den Produkten (2 mol) den doppelten Raumbedarf. Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht nach dem Prinzip vom kleinsten Zwang zu den Produkten. In der Praxis arbeitet man heute mit Drucken von 150 – 250 bar. Die Ammoniakausbeute beträgt bei modernen Anlagen 20 %. Haber-Bosch-Synthese – technische Umsetzung Das N 2 /H 2 -Gasgemisch wird also auf Reaktionsdruck komprimiert und in einem röhrenförmigen Reaktor, der innen mit dem Katalysator belegt ist, zur Reaktion gebracht. Das Reaktionsrohr besteht aus wasserstoffbeständigem Cr-Ni-Stahl. Beim Durchgang durch den Reaktor erwärmt sich durch die exotherme Ammo- niakbildung das Gasgemisch. Die Reaktionswärme wird anschließend in einem Dampfkessel verwertet. Nun wird das Gasgemisch unter die kritische Temperatur des Ammoniaks ab- gekühlt. Durch den hohen Druck scheidet sich das sonst gasförmige Ammoniak flüssig ab. Das Restgas kann nicht direkt wieder in den Reaktor eingeleitet werden, da es Spuren von Methan (aus der CO-Umwandlung) und Argon (aus der Luft) enthält. Diese Gase würden sich durch im Kreis Führen des Gasgemisches immer stärker konzentrieren. Daher verwertet man nur den Wasserstoff. Dieser wird durch seine gute Diffusi- onsfähigkeit mit Hilfe einer Membran abgetrennt und im Prozess neuerlich ein- gesetzt. Stickstoff und Argon sind ein für die Atmosphäre unschädliches Abgas. Verwendung von Ammoniak Der größte Teil der Ammoniakweltproduktion wird zur Düngemittelherstellung verwendet. Durch Reaktion mit Salpetersäure, Schwefelsäure und Phosphorsäu- re werden die Stickstoffdünger Ammoniumnitrat, Ammoniumsulfat und Ammo- niumhydrogenphosphat erzeugt. Die Umsetzung von Ammoniak mit Kohlenstoffdioxid bei hohem Druck und an- schließender Entwässerung führt zu Harnstoff (H 2 N-CO-NH 2 ). 2 NH 3 + CO 2 H 2 N–CO–NH 2 + H 2 O Harnstoff ist ebenfalls ein wichtiger Stickstoffdünger, dient aber auch als Aus- gangsstoff zur Kunststofferzeugung. So reagieren Harnstoff und Formaldehyd zu einem Kunststoff der für Spanplatten verwendet wird (= Aminoplast). Ein weiterer wichtiger Verwendungszweck von Ammoniak ist die Produktion von Salpetersäure, die selbst wieder eine der zentralen Grundstoffe in der che- mischen Industrie ist (Kap. 5.8). Auf Grund seiner Druckverflüssigbarkeit und seiner hohen Verdampfungswär- me dient Ammoniak als Wärmeüberträger in technischen Kühlanlagen. In Haus- haltskühlschränken wird er wegen seiner Giftigkeit nicht verwendet, hier sind die ungiftigen CFKs (Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe, auch FCKWs genannt) im Einsatz, die aber eine Gefahr für die Ozonschicht der Atmosphäre darstellen. Deshalb müssen sie aus gebrauchten Kühlschränken entsorgt und wieder ver- wertet werden. Heute verwendet man zunehmend ozonunschädliche Ersatz- stoffe wie zB Propan. Als Ausgangsstoff zur Synthese organischer Stickstoffverbindungen werden große Mengen Ammoniak verbraucht. In Reinigungsmitteln kann Ammoniak als wässrige Lösung enthalten sein (Salmiakgeist). Luft (O 2 und N 2 ) Erdgas, Benzin oder Heizöl Verunreinigtes Synthesegas- gemisch Neben- produkte H 2 , N 2 H 2 , N 2 , NH 3 H 2 N 2 flüssiger Ammoniak Wasser Reinigung Kompressor Ammoniak- Synthese- reaktor Kühlung Abscheider Ventil Tank Synthesegas- Erzeugung Abb. 101–2: Verwendung von Ammoniak NH 3 HNO 3 Harnstoff Soda Düngemittel Kunststoffe Abb. 101–1: Schema der Ammoniakproduktion Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv