Die Mutter der Verfahrenstechnik

Folgeentwicklungen der Ammoniaksynthese

13.11.2013 Mit der Synthese von Ammoniak  entwickelten Fritz Haber und Carl Bosch nicht einfach ein Verfahren, dessen Produkt Milliarden Menschen auf der Welt zu ernähren hilft – in Industrieländern haben schätzungsweise 40 Prozent des sich in unseren Körpern befindlichen Stickstoffs schon einmal das Haber-Bosch-Verfahren durchlaufen. Mit der Hochdrucktechnologie begründeten die Beiden nicht weniger als die moderne Verfahrenstechnik. Viele weitere, nicht mehr aus unserer Welt zu denkende Verfahren, sind direkt von der Ammoniaksynthese abgeleitet.

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Effizienz schon damals Trumpf
„Haber und Bosch etablierten das Prinzip, heterogen katalysierte Gasreaktionen unter Gleichgewichtsbedingungen und hohem Druck auszuführen. In der Folge entstanden dann Verfahren mit sehr ähnlichen Anforderungen. Das bekannteste ist sicher die Methanolsynthese, die noch bis in die 1970er Jahre mit einer der klassischen Ammoniaksynthese sehr ähnlichen Technologie ablief“, erklärt Dr. Georg Grossmann, Vice President Process Development der BASF. „Weiterentwicklungen auf Basis aktiverer Katalysatoren und effizienterer Reaktorkonzepte entsprechen auch heute diesem Grundprinzip. Durch Variation der Katalysatoren und Einsatzstoffe wurden aber bald auch andere wichtige chemische Zwischenprodukte erschlossen, beispielsweise Oxoalkohole, Amine sowie Säuren.“ Und auch eine Vielzahl von Hochdruckhydrierungen der industriellen Chemie geht auf das Haber-Bosch-Verfahren zurück. Ein weiteres, weniger bekanntes Konzept, leitete Bosch aus der Notwendigkeit der wirtschaftlich günstigen Bereitstellung der Einsatzstoffe ab: Er hatte als erster über die Synthese hinaus das Gesamtverfahren als Optimierungsziel erkannt. Dieser Ansatz ermöglichte erst die heutigen, hocheffizienten Großanlagen der chemischen Industrie.

Wirbel in der Verfahrenstechnik
Der große Bedarf an kostengünstig hergestelltem Synthesegas für die Ammoniaksynthese war der Ausgangspunkt für das Wirbelschichtverfahren, das heute von der Kohlefeuerung bis zur Kaffeeröstung in der Verfahrenstechnik weit verbreitet ist. Entwickelt hatte es der Chemiker Fritz Winkler im Jahr 1922, als dieser sich mit der Optimierung des Haber-Bosch-Verfahrens beschäftigte. Durch seine Technologie zur Vergasung von Braunkohle wurde der Wasserstoff gewonnen, der am Ende des Verfahrens mit Stickstoff zu Ammoniakgas reagiert. Seien es chemische Reaktionen wie bei der Melamin- und Anilinsynthese oder Trocknungsprozesse: Das Wirbelschichtverfahren ist sicherlich der Exportschlager überhaupt unter den Technologien, die der Haber-Bosch-Synthese entstammen.

Natur in Technik übersetzt
Noch im gleichen Jahr ging die erste großtechnische Anlage für Harnstoff in Betrieb, der außerhalb Europas eine wichtige Rolle als Düngemittel spielt. Daneben ist der Stoff, dessen Synthese erstmals Friedrich Wöhler im Jahr 1828 unter Laborbedingungen gelang – und der damit die bis zu diesem Zeitpunkt als nicht überwindbare Trennung zwischen organischer und anorganischer Chemie sprengte – Reduktionsmittel für nichtkatalytische Reduktionen sowie Basis für Kunstharze. Die Synthese erfolgt durch eine Reaktion zwischen Ammoniak, Kohlendioxid – und einem Druck von 150 bar.

Keine Schnapsidee
Aus den Erkenntnissen der Ammoniaksynthese leitete sich wiederum das Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Methanol mittels Synthesegas ab, das der Chemiker Matthias Pier im Jahr 1923 entwickelte. Zuvor gewannen Chemiker diesen Grundstoff für unzählige Folgeprodukte durch die trockene Destillation von Holz, den sogenannten Holzgeist. Eine wenig wirtschaftliche Methode mit einer Ausbeute von circa 10 %, bezogen auf das Ausgangsprodukt. Die ersten Versionen der von Pier entwickelten Herstellungsform arbeiteten damals noch als Hochdruckverfahren mit Drücken bis 350 bar, dies ist aber heute nicht mehr der Fall. Durch die Entwicklung aktiverer Katalysatoren vor circa 50 Jahren sind Verfahren im Druckbereich zwischen 50 und 100 bar aktuell die industrielle Regel.

Praxis schafft Vertrauen
Generell hatte die Haber-Bosch-Synthese als erstes im großen Maßstab ausgeübte Hochdruckverfahren überhaupt einen psychologisch nicht zu unterschätzenden Nebeneffekt: „Durch die konstante Arbeit mit hohen Drücken gewannen die Mitarbeiter Vertrauen, die anfängliche Schreckhaftigkeit wandelte sich in Gewohnheit. Und damit stiegen auch die Drücke, mit denen experimentiert wurde, „ kommentiert Dr. Jürgen Korkhaus, Vice President Materials Engineering der BASF, die Entwicklungen dieser Jahre. Auch die Einführung mikroskopischer Untersuchungen von Werkstoffen geht auf diese Zeit zurück. Die BASF war damals der einzige chemische Betrieb mit einer eigenen Materialprüfstelle. Diese wachsende, heute würde man sagen: Inhouse-Kompetenz, war es, die die Gemüter zusätzlich beruhigte und der Hochdrucktechnik den Weg bereitete. 1311ct611[pb]

Zum Verfahren
Die Ammoniaksynthese

Die Ammoniaksynthese ist – auf dem Papier – kein Hexenwerk. Hier finden Sie noch einmal die einzelnen Reaktionsschritte.
Der erste Schritt trennt Methan unter Zuhilfenahme von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlenstoff:
CH4 + H2O -> CO + 3 H2
Dies erfolgt aber nur unvollständig, darum lässt der zweite Reaktionsschritt das bisher unverbrauchte Methan mit Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff reagieren:
2 CH4 +O2 -> 2 CO + 4 H2
Nun oxidiert das Kohlenstoffmonoxid unter Zugabe von Wasser zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, das anschließend mit Triethanolamin-Wäsche entfernt wird:
CO + H2O -> CO2 + H2
Nun folgt die Reaktion, die die Welt veränderte:
N2 + 3 H2 -> 2 NH3

Zur Verfahrenstechnik
Entstehung des Corporate Engineering
1907 galt  es, das von Haber und Bosch entwickelte Verfahren in den großtechnischen Maßstab zu überführen. Eine Aufgabe, der die Werkstätten der einzelnen Produktionsbetriebe Anfang des 20. Jahrhunderts allein nicht gewachsen waren. Denn in den Anfangsjahren verzichteten die Firmengründer auf eigene Ingenieure und Architekten. Stattdessen errichteten lokale Bauunternehmen nach den Plänen der Chemiker die ersten Gebäude auf dem Ludwigshafener Werksgelände. Die Apparaturen für die chemischen Anlagen wurden von externen Anbietern bezogen und von betriebseigenen Handwerkern eingebaut. Die rasante Entwicklung des Unternehmens führte jedoch zu einem baulichen Wildwuchs, der schließlich zur Anstellung eines ersten Architekten – Eugen Haueisen – im Jahr 1874 führte. Zusammen mit ihm wurde auch der erste Ingenieur eingestellt. Er war für die Gas- und Wasserversorgung zuständig. In den Folgejahren kamen dann weitere Ingenieure hinzu. Sie hatten die Aufgabe, Produktionseinrichtungen zu planen und Apparaturen in eigenen Werkstätten herzustellen. Das sollte verhindern, dass Wettbewerber Einblicke in die Herstellungsverfahren erhielten. Es war der Beginn des „zentralen maschinentechnischen Konstruktionsbüros“, heute besser bekannt als „Corporate Engineering“ mit rund 1.000 Ingenieuren.

Heftausgabe: November 2013

Über den Autor

Philip Bittermann, Redaktion
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