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Das Haber-Bosch-Verfahren, oder wie man künstlich Urin herstellt

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Das Haber-Bosch-Verfahren, oder wie man künstlich Urin herstellt

Beitrag  checker am So Jun 19, 2016 4:12 am

Man kann Urin natzürlich herstellen,wobei man dies auch Natursekt nennt.
Viel saufen und es laufen lassen, oder einfach jemanden im Schlaf seine Hand in eine schüssel mit Wasser legen.Was wiederum nette Flecke in der matratze ergibt.
Das ganze lässt sich aber auch in einen Labor entwickeln, man könnte vonb einen Natursektlabor reden.
Dazu finet sich folgendes:

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein großindustrielles Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff. Benannt wurde es nach seinen Entwicklern Fritz Haber und Carl Bosch. Die Ammoniaksynthese wird bei Drücken von etwa 250 bis 350 bar und Temperaturen von etwa 450 bis 500 °C durchgeführt.


Der 1921 gebaute Ammoniak-Reaktor des Haber-Bosch-Verfahrens

Das Produkt des Verfahrens, Ammoniak, kann durch Reaktion mit Kohlenstoffdioxid zu Harnstoff oder im Ostwaldverfahren zu Salpetersäure weiterverarbeitet werden. Diese ist für die Herstellung von Sprengstoff von Bedeutung, dient in Form ihrer Salze als Düngemittel und stellt eine Voraussetzung für die Ernährung eines Großteils der Weltbevölkerung dar. Im Umweltschutz dient Ammoniak in der Rauchgasentstickung der Umwandlung der in Verbrennungsgasen enthaltenen schädlichen Stickoxide. Mittels selektiver katalytischer Reduktion werden diese zu unschädlichem Stickstoff reduziert.

Die wesentlichen wissenschaftlichen Leistungen zur Realisierung dieses Verfahrens waren zum einen die Untersuchung der zugrunde liegenden chemischen Reaktion durch Fritz Haber und Walther Nernst, zum anderen die systematische Suche nach geeigneten Katalysatoren durch Alwin Mittasch sowie die Klärung grundlegender verfahrenstechnischer Probleme für Hochdruckverfahren durch Carl Bosch. Im Zusammenhang mit dem Haber-Bosch-Verfahren vergab die Nobelstiftung 1918 den Nobelpreis für Chemie an Fritz Haber, 1931 an Carl Bosch, sowie 2007 an Gerhard Ertl, unter anderem für die vollständige theoretische Erklärung des Mechanismus der Ammoniakbildung.

Geschichte
Grundlegende Arbeiten

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts war durch die Arbeiten von Justus von Liebig bekannt, dass die Aufnahme von Stickstoff eine der Grundlagen für die Entwicklung von Nutzpflanzen ist.[1] Den Ackerböden wurde der notwendige Stickstoff in Form von Mist, Kompost oder durch eine bestimmte Fruchtfolge zugeführt. Das Wachstum der Weltbevölkerung im 19. Jahrhundert schuf jedoch eine gewaltige Nachfrage, die durch natürliche Quellen, etwa die Vorkommen von Guano und Chilesalpeter, nicht mehr befriedigt werden konnte. Im Juni 1898 hielt der britische Chemiker William Crookes vor der British Association for the Advancement of Science in Bristol eine Aufsehen erregende Rede, in der er zum Schluss kam, dass in den nächsten 20 Jahren die Stickstoffnachfrage das Angebot übersteigen werde und der westlichen Welt dann eine gewaltige Hungersnot drohe. Die einzige Lösung sah er in der chemischen Fixierung des Luftstickstoffs.[2] Er nannte dies eine der großen Erfindungen, die auf die Kreativität der Chemiker wartete. Der Versuch der Bindung des Luftstickstoffs in einer von Pflanzen aufnahmefähigen Chemikalie, bekannt unter dem Schlagwort „Brot aus Luft“, wurde durch Crookes Rede einer der bedeutenden Schwerpunkte der chemischen Forschung.[3]

Im Jahr 1904 begann Fritz Haber, der zu diesem Zeitpunkt als außerordentlicher Professor für Technische Chemie in Karlsruhe arbeitete, sich mit der Berechnung des Ammoniakgleichgewichts zu beschäftigen. Die gefundene Gleichgewichtskonstante für die Synthese aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff entsprach bei einer Temperatur von 1000 °C und Normaldruck einer Ausbeute von unter 0,01 % und war damit zu niedrig für einen technischen Prozess. Erst bei Temperaturen von unter 300 °C und einem geeigneten Katalysator hielt er die Überführung in die Technik für möglich.[4] Dies gelang ihm kurz darauf mit Hilfe eines auf Osmium basierenden Katalysators.[5]

Der Chemiker beantragte am 13. Oktober 1908 beim Kaiserlichen Patentamt in Berlin Patentschutz für ein „Verfahren zur synthetischen Darstellung von Ammoniak aus den Elementen“, den dieses am 8. Juni 1911 mit Patent Nr. 235.421 gewährte.[6] Haber, der mittlerweile mit der BASF zusammen arbeitete, überließ der Firma das Patent zur wirtschaftlichen Nutzung.
Technische Realisierung

Die Bereitstellung der Rohstoffe Wasserstoff, der in größeren Mengen bis dahin nur bei der Chloralkali-Elektrolyse anfiel, sowie Stickstoff erforderte völlig neue Prozesse. Für den Bau von [Chemischer Reaktor|chemischen Reaktoren]], die Wasserstoff bei hohen Drücken und Temperaturen beherrschten, gab es bis dahin keine Referenzen in der Technik. Für diese Aufgaben entwickelten Carl Bosch und Fritz Haber vollkommen neue Lösungen in vielen Bereichen der Technischen Chemie und des Reaktorbaus.[7]

Da es zu dieser Zeit noch keinen Studiengang Verfahrenstechnik gab, gründete Bosch einen interdisziplinären Arbeitsbereich Chemietechnik, wo Maschinenbauingenieure und Chemiker zusammen arbeiteten. Da die zunächst verwendeten Stähle den Angriff durch atomar eindiffundierten Wasserstoff nicht standhielten, war die Hauptaufgabe die Erforschung von Werkstoffschäden durch Entkohlung der Kohlenstoffstähle. Dies führte schließlich zur Entwicklung hochlegierter Chrom-Nickel-Stähle, die einem Wasserstoffangriff bei den Reaktionstemperaturen und –drücken standhielten. Das von Julius Schierenbeck entwickelte Schierenbeck-Wickelverfahren, bei dem auf ein chemisch widerstandsfähiges Zentralrohr mehrere Lagen eines heißen Metallbandes aufgeschrumpft wurden, ermöglichte den Bau größerer und sicherer Hochdruckreaktoren.[8]

Alwin Mittasch entwickelte und testete parallel etwa 3000 verschiedene Katalysatoren in 20.000 Versuchen auf Basis von Eisenoxid und verschiedenen Promotoren.[9] Mittasch fand, dass neben der chemischen Zusammensetzung der Basismaterialen kleine Mengen anderer Chemikalien als Katalysatorgift oder als Promotoren wirken können. Der Begriff des Aktivators oder Promotors geht auf Mittasch zurück.[10] Der im Jahr 2016 verwendete Katalysator entspricht weitgehend dem von Mittasch entwickelten Katalysator.

Im Jahr 1913 nahm die BASF erstmals eine Anlage nach dem Haber-Bosch-Verfahren im Werk Ludwigshafen-Oppau in Betrieb. Von militärischer Bedeutung war Ammoniumnitrat, ein Produkt aus Ammoniak und Salpetersäure, zur Herstellung von Sprengstoff. Die Weiterentwicklung des Verfahrens bis zur großindustriellen Anwendbarkeit wurde 1914 auf Druck des deutschen Generalstabschefs Erich von Falkenhayn forciert und es kam durch Bosch zum Salpeterversprechen.[11] Als das Deutsche Reich während des Ersten Weltkriegs durch die britische Seeblockade von natürlichen Stickstoffquellen wie Chilesalpeter abgeschnitten war, gelang es nur mit Hilfe des Haber-Bosch-Verfahrens, den sonst schon Ende 1914 drohenden Zusammenbruch der deutschen Munitionsproduktion abzuwenden und auch die Düngemittelproduktion aufrechtzuerhalten. Großanlagen wurden unter anderem in Oppau bei Ludwigshafen, Leuna und Bitterfeld durch die BASF und nach Fusion im deutschen Großkonzern I. G. Farben betrieben.[12]
Nach dem Ersten Weltkrieg

Nach dem Krieg zwang die französische Regierung die BASF zu einem Abkommen, nach dem sie sämtliche Patente und Erfahrungen des Verfahrens zu übergeben hatte, sowie beim Aufbau einer Fabrik in Toulouse helfen musste.[13]
Rohstoffe

Ammoniak entsteht in einer Gleichgewichtsreaktion aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff gemäß der folgenden Gleichung:



Der benötigte Stickstoff wird direkt aus der Luft entnommen. Der störende Luft-Sauerstoff wurde früher durch Reduktion mit Wasserstoff zu Wasser umgesetzt und so abgeschieden. Inzwischen ist die Luftzerlegung durch das Linde-Verfahren wirtschaftlicher.[7]

Die Beschaffung von Wasserstoff stellt den größten Posten der Produktionskosten dar. Dieser stammte zunächst aus der Chloralkali-Elektrolyse, jedoch konnten die benötigten Mengen damit nicht preiswert zur Verfügung gestellt werden.[7] So wurde Wassergas auf Basis der Kohlevergasung zur primären Quelle. Zunächst wurde der Wasserstoff im Linde-Verfahren abgetrennt. Es erwies sich jedoch als effizienter, das entstehende Kohlenstoffmonoxid in einer Wassergas-Shift-Reaktion zur Bereitstellung weiteren Wasserstoffs zu verwenden.[7]

Mit dem Aufbau von Platforming-Kapazitäten in den Vereinigten Staaten Mitte der 1950er Jahre stand eine petrochemische Wasserstoffquelle zur Verfügung, die 1956 etwa 11 % des benötigten Wasserstoffs für die Ammoniaksynthese in den Vereinigten Staaten bereitstellte.[14]

Bis zum Jahr 2000 blieb Kohle die Primärquelle für Wasserstoff, seit 2006 hat Erdgas diese Rolle übernommen. Auf die Dampfreformierung von Erdgas entfiel 2014 etwa 48 % der globalen Wasserstoffproduktion, zirka 60 % davon verwendete das Haber-Bosch-Verfahren.[15]
Katalysator
Präkursor

Der Katalysator-Präkursor besteht aus Magnetit (Fe3O4) und oxidischen Promotoren. Dies sind Stoffe, die einen Katalysator zu stärkerer Wirkung aktivieren, im Falle der Ammoniaksynthese etwa Aluminiumoxid, Kaliumoxid, Calciumoxid und Magnesiumoxid.[10] Die verwendeten Rohmaterialien müssen frei von Katalysatorgiften sein. Der Präkursorkontakt, Magnetit mit Promotoren, wird in einem Schmelzprozess hergestellt. Die Promotoren müssen in der Magnetit-Schmelze homogen verteilt sein. Dies wird durch ein anfängliches Erhitzen der Mischung auf über 3500 °C erreicht, wodurch die Schmelze niedrigviskos wird. Ein weiterer Faktor bei der Produktion der Präkursorkontakte ist die Abkühlrate der Schmelze. Schnelleres Abkühlen führt zu Katalysatoren besserer Qualität, die jedoch weniger abriebresistent sind; in der Praxis wird dennoch die schnelle Abkühlvariante bevorzugt.[16]
Reduktion des Präkursors

Die Reduktion des Präkursorkontakts wird mit Synthesegas durchgeführt. Aus dem Magnetit entsteht dabei eine hochporöse, katalytisch sehr aktive Form des kubisch raumzentrierten α-Eisens. Die Promotoren, außer Cobalt, werden nicht reduziert. Für eine optimale Katalysatorqualität muss die Reduktion in einer bestimmten Weise durchgeführt werden. Der Dampfdruck des bei der Reduktion entstehenden Wassers muss im Gasgemisch möglichst gering gehalten werden, wobei Werte von unter 3 g m−3 angestrebt werden. Kommt Wasserdampf in Kontakt mit einem bereits reduzierten Katalysator, führt das speziell in Verbindung mit hohen Temperaturen zu vorzeitiger Alterung des Katalysators durch Rekristallisation. Die Reduktion wird daher bei hohem Gasaustausch, geringem Druck und kleinstmöglichen Temperaturen durchgeführt.

In der Praxis wird die Reduktion des Katalysators direkt in der Produktionsanlage durchgeführt. Die Exothermie der Ammoniakbildung sorgt für eine schrittweise Erhöhung der Temperatur.[16] Die Reduktion von frischem, komplett oxidierten Katalysator beziehungsweise des Präkursors bis zum Erreichen der vollen Kapazität dauert 4–10 Tage.[16] Die Wüstit-Phase (FeO) wird schneller und bei geringeren Temperaturen reduziert, als die Magnetit-Phase (Fe2O3). Nach detaillierten kinetischen, mikroskopischen und röntgenspektroskopischen Untersuchungen wurde für die Reduktion das folgende Modell entwickelt:

   Wüstit (FeO) wird zu Beginn zu metallischem Eisen umgesetzt.
   Diese Reaktion führt zu einem Gradienten an Eisen(II)ionen.

Wegen dieses Gradienten diffundieren Eisen(II)ionen rasch vom Fe2O3 durch das FeO an die Grenzfläche, wo sie als Eisenkeime ausfallen. Die Diffusion wird durch Defekte im FeO ermöglicht. Die Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ an der Magnetit-Wustit-Grenzfläche wird nicht durch direkten Kontakt mit Wasserstoff, sondern durch Ionen- und Elektronen-Diffusion verursacht. Dieser Prozess führt zu einer Schalen-Struktur.
Zusamensetzung eines Kontakts[17] % Eisen % Kalium % Aluminium % Calcium % Sauerstoff
Volumenzusammensetzung 40,5 0,35 2,0 1,7 53,2
Oberflächenzusammensetzung vor Reduktion 8,6 36,1 10,7 4,7 40,0
Oberflächenzusammensetzung nach Reduktion 11,0 27,0 17,0 4,0 41,0

In der technischen Praxis haben vorreduzierte, stabilisierte Katalysatoren einen bedeutenden Marktanteil errungen. Dies sind Katalysatoren, die bereits die volle Porenstruktur des normalen Katalysators durch Reduktion bekommen haben, wie ein aktiver Katalysator, dann jedoch noch einmal oberflächlich oxidiert wurden. Durch diese Oxidation sind sie nicht mehr pyrophor, wie es die reduzierten Katalysatoren sonst sind. Das Reaktivieren solcher vorreduzierter Katalysatoren benötigt nur 30–40 Stunden. Neben der geringen Anlaufzeit besitzen solche Katalysatoren noch weitere Vorteile, wie eine höhere Wasserresistenz und ein geringeres Gewicht.[16]
Andere Katalysatoren als Eisen

Die meisten Anstrengungen zur Verbesserung des industriellen Verfahrens zur Synthese von Ammoniak flossen in die Synthesegas-Produktion und führten dort zu bedeutenden Fortschritten. Bei der Verbesserung des Katalysators zur Ammoniak-Synthese hingegen hat es seit den 1920ern keine bedeutenden Fortschritte mehr gegeben. Der Eisenkatalysator benötigt noch immer einen hohen Druck (wenigstens 130 bar), hohe Temperaturen (400–500 °C) und große Volumen (Reaktor von wenigstens 100 m³ für eine Produktionskapazität von 1800 t/d). Nach theoretischen und praktischen Studien ist der Spielraum für weitere Verbesserungen des Eisenkatalysators begrenzt. Die theoretischen Möglichkeiten zur Energieersparnis sind hingegen gewaltig; wenn der Druck auf das Niveau der Synthesegas-Produktion gesenkt werden könnte, könnte ungefähr 1 GJ/t Ammoniak eingespart werden.[16]

Auf der Suche nach alternativen Katalysatoren wurden die meisten Metalle bereits intensiv getestet. Eine große Verbesserung brachte eine Modifizierung des Eisenkatalysators durch Cobalt um 1984. Das einzig andere, vielversprechende Element ist Ruthenium.[16] Eisen wurde aufgrund des Preises, der Verfügbarkeit, der einfachen Verarbeitung, der Lebensspanne des Katalysators und der Aktivität ausgewählt. Haber selbst wollte zunächst Osmium und Uran als Katalysatoren verwenden. Die grafische Darstellung der Adsorptionsenthalpien von Stickstoff bei verschiedenen Elementen gegenüber der Reaktionsgeschwindigkeit in einer Vulkankurve zeigt eine gute Aktivität für beide Metalle. Uran reagiert jedoch während der Katalyse zum Nitrid, Osmiumoxid ist sehr selten, flüchtig und hochgiftig, was ein Problem bei der Katalysatorherstellung ist.[18]

Nickel- und Cobalt-Katalysatoren neigen zu einer stark dissoziativen Adsorption der Stickstoffmoleküle und behindern so die Weiterreaktion zum Ammoniak; Mangan- und Chrom-Katalysatoren hingegen adsorbieren Stickstoff nur in geringem Maße. Sie sind daher weniger geeignet, Stickstoff für die Ammoniaksynthese zu aktivieren. Das Vulkandiagramm zeigt ein Optimum für Metalle der Gruppe 8 (Eisengruppe). Ein katalytisch aktives Element muss den Stickstoff auf der einen Seite dissoziativ adsorbieren, auf der anderen Seite aber nicht zu stark binden, da es sonst zu Selbstvergiftung kommt. Die Metalle links der Eisengruppe zeigen eine zu starke Bindung zu Stickstoff und vergiften sich selbst durch eine Bildung von Volumen- oder Oberflächennitriden. Metalle rechts der Eisengruppe bilden keine Bindung zu Stickstoff aus und erleichtern somit auch nicht die Dissoziation. Für Eisen beträgt die Adsorptionsenthalpie 200 kJmol−1. Sie berechnet sich aus der Differenz der Bindungsenergie der adsorbierten Atome DMN (2 x 570 kJmol−1) und der Dissoziationsenergie für gasförmigen Stickstoff (945 kJmol−1).[18]
Katalysatoren der zweiten Generation

Ruthenium-Katalysatoren werden als Katalysatoren der zweiten Generation bezeichnet, da sie bei vergleichbaren Drücken und niedrigeren Temperaturen eine höhere Aktivität zeigen. Die Aktivität des Ruthenium-Katalysators ist stark vom Katalysatorträger und den Promotoren abhängig. Als Promotoren kommen eine Vielzahl an Substanzen infrage, neben Kohlenstoff sind dies MgO, Al2O3, Zeolite, MgAl2O4 und BN.[19] Ru/C wird bereits seit 1992 industriell im „KBR Advanced Ammonia Process“ (KAAP, dt. etwa moderner/weiterentwickelter Ammoniak-Prozess nach Kellogg, Brown und Root) verwendet.[20] Problematisch ist dabei, dass der Kohlenstoffträger zu Methan reagiert und so abgebaut wird, was die Lebensspanne des Katalysators reduziert. Um das Problem der Methanisierung zu mildern, wird der Kohlenstoff zuvor bei 1500 °C behandelt. Außerdem geht von dem fein dispergierten Kohlenstoff eine Explosionsgefahr aus. Bisher hat sich Magnesiumoxid (MgO) als beste Alternative erwiesen, besonders aufgrund der niedrigen Acidität. Generell ist Ruthenium auf möglichst basischem Träger am reaktivsten. Aufgrund der geringen strukturellen Stabilität wird MgO aber nicht in der Industrie verwendet. Ein Träger mit aciden Eigenschaften ist generell nicht zu verwenden, da er dem Ruthenium verfügbare Elektronen entzieht sowie gegebenenfalls entstehenden Ammoniak an der Oberfläche bindet.[19]

So wie bei jedem Katalysator ist bei Ruthenium der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die N2-Dissoziation. Das aktive Zentrum ist hierfür bei Ruthenium eine sogenannte B5-Stelle (B5 site), einer 5-fach koordinierte Position an der Ru(0001)-Oberfläche, an der zwei Ru-Atome eine Stufenkante mit drei Ru-Atome der Ru(0001)-Oberfläche bilden.[21] Die Zahl an B5-Stelle ist abhängig von Größe und Form der Ruthenium-Partikel, dem Ruthenium-Precursor und der verwendeten Menge an Ruthenium.[19] Die verstärkende Wirkung des basischen Trägers hat die gleiche Wirkung wie der Promotoreffekt von Alkalimetallen, der hier ebenso wie beim Eisenkatalysator zum Tragen kommt.[19]
Katalysatorgifte

Katalysatorgifte reduzieren die Aktivität des Katalysators. Diese Substanzen sind entweder Bestandteil des Synthesegases oder stammen aus Verunreinigungen aus dem Katalysator selbst. Zweiteres spielt keine größere Rolle. Wasser, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff sind temporäre Katalysatorgifte. Schwefel-, Phosphor-, Arsen- und Chlor-Verbindungen sind permanente Katalysatorgifte.[16]

Inerte Bestandteile des Synthesegasgemischs wie Edelgase oder auch Methan sind zwar keine Katalysatorgifte im eigentlich Sinn, reichern sich aber durch die Zyklisierung der Prozessgase an und reduzieren so den Partialdruck der Reaktanden. Dies hat einen negativen Effekt auf die katalytische Umsetzung.

Weiteres dazu im Link:

https://de.wikipedia.org/wiki/Haber-Bosch-Verfahren

Wärend man früher den so genannten Natürsekt mühsamauffangen musste und diesen zur Urinbank brachte, konnte dank den Industriellen Revolution, wissenschaft & Technik einfachere Methoden entwickelt werden, um diesen Kernstoff zu gewinnen.
Bildungsbürger sagen natürlich Ih Gitt, wer brauchrt den sowas?
Gebraucht wird das Zeug in Pharmaindustrie zbs. bei Haarfärbemitteln usw.
Für Kunststoffe,Latex, Gummi usw.
Düngemittel , Arneiherstellung uvm.

Ob man dieses genauso einstzen kann zum Gurgeln, oder bei drückenden schuhen & Stiefeln, können wir nicht sagen.
Wir raten aber davon ab bei Erältung mit sogenannten Bleichmittel zu gurgeln, soll nicht so Gesund sein.
Im Zweifelsfall fragen sie Ihren arzt oder Apotheker!

Einige Durchgeknallte halten das verfahren als Teufelswerk, wärend andere Scheingebildetet dieses als reine Verschwörungstheorie halten.
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