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Ostwaldverfahren


Das Ostwaldverfahren dient der großtechnischen Herstellung von Salpetersäure durch Oxidation von Ammoniak, welcher vorzugsweise durch das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wird. Es geht auf den deutsch-baltischen Chemiker Wilhelm Ostwald zurück, der 1902 das Patent auf das Verfahren erhielt.[1] Die grundlegende chemische Reaktion von Ammoniak mit Luft am Platinkontakt wurde jedoch bereits 1838 von Frédéric Kuhlmann patentiert.[2][3] Die mit dem Ostwaldverfahren gewonnene ca. 60-prozentige Salpetersäure kann nur auf 68,5 Prozent konzentriert werden, da diese Zusammensetzung dann ein Azeotrop mit einem Siedepunktmaximum von 122 °C ist. Eine höhere Konzentrierung kann in einer Gegenstromdehydratisierung mit Trocknungsmitteln wie Phosphorpentoxid oder Schwefelsäure erreicht werden.[4]

Beschreibung

Das Verfahren läuft in drei Teilschritten ab. Ein Ausgangsstoff ist mittels Haber-Bosch-Verfahren erzeugtes Ammoniakgas. Weitere Ausgangsstoffe sind Luft und Wasser.

Schritt 1: Heterogen katalysierte Verbrennung von Ammoniakgas

Im ersten Schritt wird Ammoniak (NH3) mit Sauerstoff (O2) gemischt und in Gegenwart eines Platin-Rhodium-Katalysators bei 800 °C bis 900 °C zu Wasser (H2O) und Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt (Bei neueren Anlagen wird ein spezielles Rückgewinnungsnetz eingesetzt, um das teure Platin zurückzugewinnen). Das Gasgemisch darf den Katalysator nur ganz kurz – nur etwa eine tausendstel Sekunde – berühren, da ansonsten das Stickstoffmonoxid wieder in die Elemente zerfällt:

[math]\mathrm{4\ NH_3(g)\ +\ 5\ O_2(g)\ \xrightarrow [Pt / Pt-Rh]{800-900\ ^{\circ}C}}[/math] [math]\mathrm{4\ NO(g)\ +\ 6\ H_2O(g)\ \ \Delta}H^0=-906{,}11~\rm kJ/mol[/math]

Eine unerwünschte Nebenreaktion, die auch ohne Katalysator abläuft, ist die Oxidation des Ammoniaks zu elementarem Stickstoff unter Bildung von Wasser:

[math]\mathrm{4\ NH_3(g)\ +\ 3\ O_2(g)\ \longrightarrow\ 2\ N_2(g)\ +\ 6\ H_2O(g)}[/math]

Eine weitere unerwünschte Nebenreaktion ist die Bildung von Lachgas:

[math]\mathrm{4\ NH_3(g)\ +\ 4\ O_2(g)\ \longrightarrow\ 2\ N_2O(g)\ +\ 6\ H_2O(g)}[/math]

Die Nebenreaktionen werden nach dem Prinzip von Le Chatelier durch eine möglichst hohe Netztemperatur und niedrigen Druck zurückgedrängt.

Schritt 2: Erzeugung von Stickstoffdioxid

In Schritt 2 senkt man die Temperatur des Stickstoffmonoxids (NO) auf unter 50 °C und mischt es mit Luft. Es läuft eine weitere Oxidation mit Sauerstoff (O2) zu Stickstoffdioxid (NO2) ab, welches anschließend zu Distickstofftetraoxid dimerisiert:

[math]\mathrm{2\ NO(g)\ +\ O_2(g)\ \rightleftharpoons\ 2\ NO_2(g)\ \ \Delta}H^0=-114{,}22~\rm kJ/mol[/math]
[math]\mathrm{2\ NO_2(g)\ \rightleftharpoons\ N_2O_4(g)\ \ \Delta}H^0=-57{,}23~\rm kJ/mol[/math]

Schritt 3: Reaktion in der Oxidations- und Absorptionskolonne

Die Stickoxide werden im dritten Schritt in Rieseltürmen mit Wasser zu Salpetersäure (HNO3) umgesetzt:

[math]\mathrm{2\ N_2O_4(g)\ +\ O_2(g)\ +\ 2\ H_2O(l)\ \longrightarrow\ 4\ HNO_3(aq)}[/math]

Als Zwischenprodukte entstehen hierbei Stickstoffmonoxid (NO) und die Salpetrige Säure (HNO2), denn die Reaktion verläuft über folgende Zwischenschritte:

[math]\mathrm{N_2O_4(g)\ +\ H_2O(l)\ \longrightarrow\ HNO_3(aq)\ +\ HNO_2(aq)}[/math]
[math]\mathrm{3\ HNO_2(aq)\ \longrightarrow\ HNO_3(aq)\ +\ 2\ NO(g)\uparrow +\ H_2O(l)}[/math]
[math]\mathrm{2\ NO(g)\ +\ O_2(g)\ \rightleftharpoons\ 2\ NO_2(g)}[/math] (wie Schritt 2)

Siehe auch

Literatur

Einzelnachweise

  1. Patent GB190200698 : Improvements in the Manufacture of Nitric Acid and Nitrogen Oxides. Angemeldet am 9. Januar 1902, veröffentlicht am 20. März 1902, Erfinder: Wilhelm Ostwald.
  2. Patent FR11331: Pour la fabrication de l’acide nitrique et des nitrates. Veröffentlicht am 22. Dezember 1838, Erfinder: Frédéric Kuhlmann.
  3. J. Graham Smith: Frédéric Kuhlmann, pioneer of platinum as an industrial catalyst. In: Platinum Metals Review. Band 32, 1988, S. 84–90 (PDF-Datei ).
  4. Charles E. Mortimer: Chemie. 10. überarbeitete Auflage. Thieme, Stuttgart 2010, ISBN 978-3-13-484310-1, S. 444.

Kategorien: Chemisch-technisches Verfahren | Katalyse

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Ostwaldverfahren (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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