Das Prinzip Lichtenberg

Die Synthese im Wandel der Zeit

12.11.2013 Zwischen der Inbetriebnahme der ersten Ammoniakfabrik und heute liegen 100 Jahre, zwei Weltkriege, eine Wiedervereinigung.  Die Welt hat sich gewandelt, und auch die Verfahrenstechnik der Ammoniaksynthese hat in diesem Zeitraum natürlich nicht innegehalten. Immer frei nach dem Lichtenberg-Sinnspruch „Ich weiß nicht, ob es besser wird, wenn es anders wird. Aber es muss anders werden, wenn es besser werden soll“, haben die Ingenieure immer wieder neue Werkstoffe, Verfahren und Katalysatoren getestet.

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„Die numerische Mathematik hat uns mittlerweile Werkzeuge an die Hand gegeben, mit deren Hilfe wir einen recht guten Blick auf die Abläufe innerhalb des Reaktors werfen können“, erklärt Dr. Georg Grossmann, Vice President Process Development der BASF. Die von ihrer Auswirkung auf die Produktionsanlagen wichtigste Veränderung ist die heute vorhandene Möglichkeit, das Verhalten eines bestehenden oder geplanten Verfahrensschritts rechnerisch so präzise zu modellieren, dass die Ingenieure mit wenigen Versuchen in Labor- oder Technikumsapparaten die Grundlage für Produktionsanlagen mit hunderttausenden Tonnen Jahreskapazität legen können. Zum Vergleich: Bosch musste damals noch jede Weiterentwicklung schrittweise erproben. Und oft war die Parallelschaltung von beispielsweise zehn Kompressoren oder 20 Reaktoren der einzige Weg, eine große Kapazität darzustellen. Ähnliche Bedeutung hat die moderne Regelungstechnik bekommen, ohne die viele Verfahren nicht mehr sinnvoll zu betreiben wären.

Herausforderungen bleiben bestehen
Doch auch auf Seiten der verwendeten Materialien hat sich einiges getan. Das legendäre, von Bosch entwickelte Reaktorkonzept, eine Kombination aus weichem, kohlenstoffarmem Eisen im Inneren und einer deutliche höherfesten, drucktragenden  Ummantelung, durch deren Löcher der im Reaktor vorhandene Wasserstoff entweichen konnte, ermöglichte es zu diesem Zeitpunkt erstmals mit den für die Ammoniaksynthese nötigen Temperaturen und Wasserstoffdrücken  arbeiten zu können. Dieses, in der damaligen Zeit revolutionäre Konzept, wurde mittlerweile von beständigen Legierungen ersetzt. Was sich bis zum heutigen Tag nicht geändert hat: Wasserstoffpartialdrücke von mehreren hundert bar bei hohen Temperaturen bringen Material und Entwickler an die Grenzen des technisch Machbaren, erklärt Dr. Jürgen Korkhaus, Vice President Materials Engineering der BASF: „Die Herstellungsprozesse der Stähle sind letztlich großtechnische Prozesse. Nichtmetallische Einschlüsse aus dem Erschmelzungsprozess, Segregationen aus der Erstarrung aber auch Verunreinigungen, die zum Teil durch den Schrottkreislauf eingetragen werden, haben einen erheblichen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Die Entwicklung von technischen Werkstoffen ist somit auch unmittelbar mit der Optimierung der Herstellprozesse verknüpft“. Auch wenn heute mathematische Simulationen, die den mikroskopischen und submikroskopischen Bereich erfassen, wichtige Erkenntnisse liefern, so ist man doch noch nicht in der Lage, die Relevanz dieser Materialverunreinigungen bei Computersimulationen entsprechend berücksichtigen zu können. Zudem stehen bei der Hochdruckanwendung in der Chemie immer das Bauteil und dessen Eigenschaften im Vordergrund, sodass dem Design und den Verarbeitungseigenschaften des Werkstoffes eine entscheidende Bedeutung zukommt. Solche Punkte sind es, die die Ingenieure nach wie vor zwingen, bei der Bauteilentwicklung immer wieder neue Pfade zu betreten. „Die Tatsache, dass die BASF gleichzeitig Hersteller und Anwender von Hochdrucktechnologie ist, hilft uns hier natürlich weiter“, ergänzt Korkhaus.

Was den Kessel im Innersten zusammenhält
Vor der Entwicklung moderner Schweißverfahren war die Größe der Hochdruckapparate lange Zeit durch die verfügbare Schmiedetechnik begrenzt, was durch verbinden von Teilstücken durch Flansche nur unzulänglich ausgeglichen werden konnte.  Erst das von Dr. Julius Schierenbeck ersonnene Wickelverfahren, bei dem ein formsteifes Futterrohr von mehreren Lagen eines heißen Metallbandes umwickelt wird – Vorbild waren die Chinesen, die auf diese Art ihre Kanonen bauten – konnte einen entscheidenden Beitrag zum Bau größerer und dabei sicherer Hochdruckreaktoren leisten. Durch die wirksamere Überwachung bei der Herstellung der Bänder und des Gesamtapparats konnten die vorher notwendigen Sicherheitsfaktoren bei der Bemessung der Wandstärken stark reduziert werden. Das Wort Standardisierung war damals, zumindest in diesem Bereich, ein Fremdwort. Darüber hinaus standen die Ingenieure vor der Herausforderung, völlig neue Berechnungsmethoden für die dickwandigen Hochdruckkomponenten entwickeln zu müssen, da die klassische Kesselformel (auch bekannt als die „Bockwurstformel“) die dickwandigen Apparate nicht mehr nachbilden konnte. „In unsere Zeit übersetzt lässt sich die damalige Pionierarbeit am ehesten mit Problemlösungen im Bereich heute drängender Fragestellungen der Mobilität oder der Optimierung der Energieerzeugung vergleichen“, resümiert Korkhaus. Mit späteren Weiterentwicklungen entstanden mitunter aber auch neue Probleme: Als in den 80er und 90er Jahren der Aspekt der Energieoptimierung mehr und mehr in den Vordergrund trat, setzten die Verfahrenstechniker auf Prozesstemperaturen von 800 °C und mehr. Gewöhnliche warmfeste Stähle hielten die hier entstehenden Kombinationen von Wandtemperaturen und Innendruck  nicht aus und so kamen Werkstoffkonzepte mit hochlegierten austenitischen Stählen zum Einsatz. Diese Kombination brachte jedoch Probleme     mit sich, die bis heute nicht restlos gelöst werden konnten: Das sogenannte Metal dusting, oder auch die Nitrierung der Werkstoffe und die hieraus folgende Rissbildung stellen die Ingenieure immer wieder vor Herausforderungen.

Never change a running system
Die einzige große Konstante des Haber-Bosch-Verfahrens ist der verwendete Katalysator: Zwar wurde nach über 70 Jahren erstmals ein alternativer Katalysator auf der Basis von Ruthenium technisch eingesetzt. Doch nach wie vor funktioniert die Ammoniaksynthese in Ludwigshafen mit dem seit 1909 von Alwin Mittasch entwickelten Eisenkatalysator, der zwischenzeitlich nur geringe Modifizierungen erfuhr. Denn die zweite Erkenntnis die, wer will, aus dem einleitenden Lichtenberg-Zitat ziehen kann, lautet: Anders ist nicht zwingend auch gleichzeitig ein Schritt nach vorne. Und so wird das Haber-Bosch-Verfahren wohl auch zu seinem 200ten Jubiläum vieles besser, aber nicht alles anders machen, als es ihre Erfinder im Jahr 1913 erstmalig formulierten.[pb]

Heftausgabe: November 2013

Über den Autor

Philip Bittermann, Redaktion
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