Haber-Boschproces

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Naar zoeken springen
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. Het proces is in 1909 door Fritz Haber en Carl Bosch ontwikkeld en in 1910 gepatenteerd.

Ontwikkeling[bewerken | brontekst bewerken]

In juli 1909 slaagde Fritz Haber (1868-1934) erin op ammoniak te fabriceren, dit gebeurde op kleine schaal in een laboratorium. Vier jaar later had het Duitse chemiebedrijf BASF het proces verbeterd waardoor ammoniak op grote schaal en economisch interessant geproduceerd kon worden.[1] Bij BASF was de inzet van de ingenieur Carl Bosch (1874-1940) essentieel om dit mogelijk te maken.[1] Het Birkeland-Eydeproces was al bekend, maar het Haber-Boschproces gebruikte maar een kwart van de energie en daardoor was de ammoniak tegen lagere kosten te produceren.

Het proces 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.

De productie nam pas echt een grote vlucht na de Tweede Wereldoorlog. De wereldwijde productie van ammoniak steeg van 4,8 miljoen ton in 1950, naar 85,7 miljoen ton in 2000 en in 2010 was het verder toegenomen naar 100,5 miljoen ton.[1] Hiervan werd zo'n 75% gebruikt in de kunstmestindustrie. Het Haber-Boschproces nam een steeds groter aandeel in deze productie. In 1920 werd 20% van alle ammoniak geproduceerd met dit proces, in 1950 was dit al 77% en in 1970 was meer dan 96%. Vanaf 1990 wordt meer dan 99% van de ammoniak geproduceerd op basis van de Haber-Boschproces.[1]

Procesverloop[bewerken | brontekst bewerken]

De globale reactie die in het Haber-Boschproces leidt tot vorming van ammoniak is exotherm (ΔH = -92 kJ/mol):

Moleculaire stikstof is zeer weinig reactief. De reden hiervoor is de sterke driedubbele binding in moleculaire stikstof, die het een zeer inerte chemische stof maakt. De reactie van moleculaire stikstof met waterstof genereert een verbinding, ammoniak, die beter door organismen te gebruiken is en die aangewend kan worden in de landbouw en de chemische industrie. Voor het breken van de driedubbele binding wordt gebruikgemaakt van een katalysator. De katalysator versnelt de instelling van het evenwicht aanzienlijk.

Tegelijkertijd vindt echter ook de omgekeerde reactie plaats. Bij een hoge temperatuur verschuift het evenwicht naar de kant van de moleculaire stikstof en moleculaire waterstof, maar de reactie verloopt wel veel sneller. Dat is een probleem omdat de productie van ammoniak bij een lage temperatuur heel erg langzaam gaat (nadelige kinetiek). Hier komt het principe van Le Chatelier 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 zijn evenwicht naar de kant zien verschuiven met de minste moleculen, die van de ammoniak. De optimale combinatie van druk en temperatuur is 15 tot 25 MPa (150-250 atmosfeer) en een temperatuur tussen de 400 en 550°C. Verder worden als katalysator fijne ijzerdeeltjes en kleine hoeveelheden kaliumoxide en aluminiumoxide toegevoegd. Deze bevorderen de reactiesnelheid.[2]

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

Dit is een exotherm proces. Hierna wordt er waterdamp door het reactiemengsel gepompt dat reageert in een endotherm proces tot watergas. Vervolgens reageert dit watergas met het koolstofmonoxide tot koolstofdioxide en waterstofgas:

Het gevormde koolstofdioxide wordt uit het gasmengsel gewassen met water en het gasmengsel wordt naar de productieplaats gepompt. Tegenwoordig wordt in plaats van cokes meestal methaan uit aardgas gebruikt om met de luchtzuurstof te reageren.

Toepassingen[bewerken | brontekst bewerken]

Ammoniak is een belangrijk en nuttige chemische stof die gebruikt wordt voor de productie van stikstofhoudende meststoffen en vele andere stikstofhoudende chemicaliën.

Op jaarbasis wordt er ongeveer 176 miljoen ton ammoniak geproduceerd.[3] Het is een energie intensiefproces waarbij 1,8% van de globale energie wordt verbruikt.[3] De meeste energie wordt ingezet voor de productie van waterstof, hiervoor wordt hoofdzakelijk aardgas gebruikt, maar in de Volksrepubliek China ook steenkool. De uitstoot van koolstofdioxide (CO2) is zo'n 500 miljoen ton op jaarbasis en dit is gelijk aan 1,8% van de wereldwijde uitstoot.[3] De uitstoot bij het gebruik van steenkool ligt zo'n tweemaal hoger dan bij aardgas.[3] Waterstofproductie via de elektrolyse van water is nog niet kostenefficiënt (te duur), maar er zijn al proefopstellingen voor "green ammoniak" waarbij de waterstof wordt geproduceerd met windenergie.[3]

Jaarlijks wordt ongeveer 80% van de ammoniak gebruikt voor de productie van stikstofkunstmest, voornamelijk onder de vorm van watervrij ammoniak, ammoniumnitraat en ureum. Grote kunstmestfabrikanten zoals CF Industries en Yara behoren ook tot de grotere ammoniak producenten. 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.