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Metallhaltige Katalysatoren

Ammoniak-Synthese

Die eigentliche Umsetzung der Edukte zum Ammoniak

N 2 + 3 H 2 2 N H 3 Δ H R = 46 kJ mol N H 3

beruht auch heute noch nahezu unverändert auf dem 1913 entwickelten Haber-Bosch-Verfahren:

Die exotherme Reaktion wird aufgrund der hohen Aktivierungsenergie (bedingt durch die Dissoziationsenergie der Stickstoffmoleküle) bei Temperaturen von 350 bis 550 °C und, aufgrund der Volumenverringerung, bei Drücken von ca. 300 bar durchgeführt. Die Reaktion wird aus thermodynamischen und kinetischen Gründen in Horden- bzw. Etagenreaktoren durchgeführt.

Der Reaktionsmechanismus ist auch gegenwärtig noch Gegenstand intensiver Untersuchungen und verläuft wahrscheinlich über die Adsorption und Dissoziation der Edukte an der Katalysatoroberfläche, gefolgt von einer Reihe von Insertionsschritten zum Ammoniak und schließlich der Desorption des Produktes.

N 2 Adsorption N 2 * Dissoziation 2 N * H 2 2 H * N * + H * N H * H * N H 2 * H * N H 3 * N H 3 * N H 3

Das Verfahren

Das vorgewärmte und komprimierte Synthesegas wird in einem radial durchströmten Hordenreaktor umgesetzt. Zwischen den Horden wird das Reaktionsgemisch entweder direkt durch Kaltgaseinspritzung oder indirekt durch Wärmetauscher abgekühlt.

Durch die langsamere radiale Durchströmung wird der Druckverlust über die einzelnen Horden stark verringert, so dass wesentlich kleinere Katalysatorteilchen realisiert werden können (Durchmesser 1,5-3 mm). Aufgrund der kleineren Teilchen steigt die volumenbezogene Oberfläche. Daraus resultiert eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit.

Abb.1
Verfahrensfließbild der Kreislaufsynthese des Ammoniaks

Als Katalysatoren kommen Metalle in Frage, die in der Lage sind, Stickstoff relativ stabil atomar zu chemisorbieren und gleichzeitig auch größere Mengen Wasserstoff zu adsorbieren. Dies sind vor allem Metalle der 6. bis 8. Nebengruppe. Aus Kostengründen werden Katalysatoren eingesetzt, die hauptsächlich aus Eisenoxiden bestehen und mit Kalium-, Aluminium- und Kalziumoxid als Promotoren versetzt sind.

Bei der Herstellung werden Eisenerze (Magnetit Fe3O4) und Alteisen in Lichtbogenöfen mit den Promotoren verschmolzen und anschließend mit Mühlen in kleine Partikel zerbrochen.

In den Reaktoren werden meist Mischungen aus teilweise vorreduzierten Katalysatorteilchen eingesetzt. Die nicht reduzierten Katalysatoren werden in einer Anfangsphase mit Wasserstoff insitu bei ca. 450 °C reduziert. Dabei entstehen Kristallite, die dem Katalysator eine definierte Oberfläche von 10 bis 20 m²/g geben.

Eingesetzte Katalysatoren:

Tab.1
Katalysator:Zusammensetzung (Gew.-%)Einsatztemperatur (°C)
ReduziertFe, FeO (90-93); K2O, Al2O3 , CaO, SiO2 (7-10)340-550
OxidiertFe, Eisenoxide (91-95); K2O, Al2O3, CaO, SiO2 (7-10)
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