Haber-Boschproces

Het Haber-Boschproces produceert ammoniak en kooldioxide uit aardgas, lucht en stoom.

Het Haber-Boschproces is de wijze waarop de meeste ammoniak wordt geproduceerd, door stikstofgas en waterstofgas zonder zuurstof in contact met een katalysator onder hoge druk te verhitten. De reactie heeft de volgende reactievergelijking:

N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g) + ΔH (–92 kJ / mol).

Tegelijkertijd vindt ook de omgekeerde reactie plaats. De reactie terug heeft een voordeel bij een hoge temperatuur. Dat is een probleem omdat de productie van ammoniak bij een lage temperatuur heel erg langzaam gaat. Hier komt het principe van Le Châtelier goed van pas. Bij de productie zijn 4 gasmoleculen aan het begin van de reactie en aan het eind zijn er echter nog maar 2. De reactie zal onder hoge druk dus sneller verlopen dan onder lage druk. De optimale combinatie van druk en temperatuur is 10 tot 100 MPa en een temperatuur tussen de 400 en 550°C. Verder wordt er als katalysator fijne ijzerdeeltjes en een klein percentage van K₂O en Al₂O₃ toegevoegd. Deze bevorderen de reactie ook.

De benodigde stikstof komt uit de lucht. In de lucht zit ongeveer 78 % stikstof en 21% zuurstof. De zuurstof moet echter eerst verwijderd worden. De lucht wordt daarom over hete cokes geleid. Daarbij reageert alle zuurstof uit de lucht met de koolstof van de cokes en ontstaat CO.

4 N₂(g) + O₂ (g) + 2 C(s) → 4 N₂ (g) + 2 CO (g).

Dit is een exotherm proces. Hierna wordt er waterdamp door het reactiemengsel gepompt die verdampt (een endotherm proces) tot watergas. Dit watergas reageert met het CO tot H₂ en CO₂:

H₂O (g) + CO (g) → H₂ (g) + CO₂ (g)

De CO₂ wordt dan heel eenvoudig uit het gasmengsel gefilterd en het mengsel wordt naar de productie plaats gepompt.

Het proces is in 1909 door Fritz Haber en Carl Bosch ontwikkeld en in 1910 gepatenteerd.

Het werd voor het eerst op industriële schaal gebruikt door de Duitsers tijdens de Eerste Wereldoorlog; Duitsland importeerde zijn nitraat tot dan toe uit Chili (chilisalpeter), maar door de oorlog en de grote vraag naar munitie bij een onzekere aanvoerweg was er behoefte aan een alternatieve bron. De geproduceerde ammoniak kon worden geoxideerd tot stikstofdioxide door middel van het Ostwaldproces, en het daaruit gevormde salpeterzuur kon weer voor het maken van explosieven worden gebruikt.

Tegenwoordig wordt in plaats van cokes meestal methaan uit aardgas gebruikt om met de luchtzuurstof te reageren.

Economische aspecten

Jaarlijks wordt ongeveer 100 miljoen ton stikstofkunstmest geproduceerd, voornamelijk onder de vorm van watervrij ammoniak, ammoniumnitraat en ureum. Daarbij wordt ruwweg 3,3% van de wereldjaarproductie aan aardgas verbruikt (~0,75% van het wereldenergieverbruik). Waterstofproductie via de elektrolyse van water is momenteel niet kostenefficiënt (te duur). Indirect is deze kunstmest verantwoordelijk voor het voeden van ongeveer 1/3 van de wereldbevolking. Opmerkelijk is ook dat de invoering van dit industriële proces leidde tot de nitraatcrisis in Chili door het sluiten van de guanomijnen die niet langer winstgevend waren.