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

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 131 miljoen ton ammoniak geproduceerd waarbij meer dan 1% van de globale energie wordt verbruikt.

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.

Procesverloop

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

$\mathrm {N_{2}\ +\ 3\ H_{2}\ \longrightarrow \ 2\ NH_{3}}$

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 belangrijk.

Tegelijkertijd vindt echter ook de omgekeerde reactie plaats. Bij een hoge temperatuur verschuift het evenwicht naar de kant want 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 10 tot 100 MPa 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.

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:

$\mathrm {4\ N_{2}\ +\ O_{2}\ +\ 2\ C\ \longrightarrow \ 4\ N_{2}\ +\ 2\ CO}$

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:

$\mathrm {H_{2}O\ +\ CO\ \longrightarrow \ H_{2}\ +\ CO_{2}}$

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.

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 (ongeveer 0,75% van het wereldenergieverbruik). Waterstofproductie via de elektrolyse van water is 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.

Bronnen, noten en/of referenties