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Verfahren zur synthetischen Gewinnung von Ammoniak.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus seinen Elementen Wasserstoff und Stickstoff. Aus dem Studium des chemischen Gleichgewichts zwischen Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak hatte es sich ergeben, dass das Gleichgewicht für diejenigen Temperaturen, bei welchen es sich in Gegenwart zweckmässiger Katalysatoren genügend rasch einstellt, fast gänzlich nach der Wasserstoff-Stickstoffseite verschoben war.
Um zu mit Sicherheit bestimmbaren Ammoniakkonzentrationen zu gelangen, untersuchte Nernst, von rein wissenschaftlichen Gesichtspunkten geleitet, auf Grund eines wohlbekannten, durch Le Chatelier aufgestellten physikalisch-chemischen Lehrsatzes das Gleichgewicht unter höheren Drucken und konnte er damit zuerst den Weg zeigen, den man einschlagen musste, falls man die technische Herstellung von Ammoniak aus seinen Elementen verwirklichen wollte. Die technische Gewinnung ist in der Tat bald gefolgt.
Es ist ein technisches Verfahren zur synthetischen Herstellung von Ammoniak aus den Elementen bekannt, welches darinbesteht, dass zunächst die Mischung von Wasserstoff und Stickstoff unter dauerndem
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resultierende Gasmasse wird dann zwecks Ausscheidung des gebildeten Ammoniaks auf niedrige Temperatur abgekühlt und die von Ammoniak befreiten Gase werden, nach Hinzufügen einer entsprechenden Menge von Wasserstoff-und Stickstoffmischung, um die ausgeschiedenen Gase zu ersetzen, wieder über den Katalysator strömen gelassen. Das Verfahren kann ohne Unterbrechung in geschlossenem Kreislaufe stattfinden, in welchem fortwährend bei hohem Drucke neue Mengen von Stickstoff-Wasserstoffmischung eingeführt werden und aus welchem die entsprechende Menge des gebildeten Ammoniaks ausgeschieden wird.
Die beispielsweise als zweckmässig angegebenen Druckwerte bewegen sich um 150 Atmosphären herum.
Der Hauptübelstand dieses unter dem genannten hohen Drucke stattfindenden Kreisprozesses besteht in der Schwierigkeit, die möglichst grösste Menge von Ammoniak aus dem Gaskreislauf zu enfernen. Es ist dazu nötig, die Gase, welche schon aufeinander gewirkt haben, auf eine Temperatur von 40 bis 500 unter Null zu bringen, was eine ausserordentlich kostspielige Kältemasehinenanlage erfordert ; oder man muss das Ammoniak mittels unter Druck umlaufenden Wassers ausscheiden, was die Anlagekosten ein wenig herabsetzt, aber ein minderwertiges Produkt liefert, wie es eine wässerige Ammoniaklösung dem wasserfreien Ammoniak gegenüber ist.
In Anbetracht des praktisch erzielbaren Prozentverhältnisses der sich unter den angedeuteten Druckwerten verbindenden Gase ist es beim genannten Verfahren notwendig, die ganze Ammoniakmenge aus dem Kreislaufe möglichst vollständig auszuscheiden, ehe man die Restgase wieder über den katalytischen Stoff strömen lässt.
Dieser Übelstand wird durch ein anderes bekanntes, technisches Verfahren zur synthetischen Herstellung von Ammoniak beseitigt, bei welchem die Katalyse sich bei einem Drucke von 1000 Atmosphären vollzieht, mit dem Ergebnis, dass sich der Prozentsatz der katalytischen Vereinigung der Elemente verdreifacht und dass es möglich wird, beinahe die ganze Menge des gebildeten Ammoniaks durch einfache Kühlung mittels Wassers bei gewöhnlicher Temperatur auszuscheiden.
Der höhere Prozentsatz der chemischen Umsetzung und die kleinere Masse, auf welche sich die Reaktionswärme verteilen kann, bringen es dahin, dass die bei 150-200 Atmosphären unschädliche
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Reaktion bei den neuen erheblichen Drucken in der Masseneinheit eine viel grössere Wärmeentwicklung und infolgedessen die Gefahr einer Selbsterhöhung der Temperatur des Kontaktstoffes hervorruft.
Je grosser die für die Katalyse angewendeten Apparate sind, desto bedenklicher wird diese Gefahr sein, und die zahlreichen bis jetzt vorgeschlagenen Hilfsmittel, um jene Gefahr zu beseitigen, konnten noch nicht das wichtige Problem mit Sicherheit lösen.
Auf Grund der gegenwärtigen Erfindung wurde festgestellt, dass jede Gefahr einer Übererhitzung des Kontaktstoffes. so hoch auch der Druck sein mag, sicher beseitigt werden kann, wenn man in den katalytischen Raum die Gasmischung mit einer gewissen Menge Ammoniak eintreten lässt, n. zw. in einer so bemessenen Menge, dass der Reaktionsgang sehr schnell beeinflusst wird, wenn beim Steigen der Katalysetemperatur der Gleichgewichtsprozentsatz niedriger wird. Dies kann auf sehr einfache Art verwirklicht werden, wenn aus dem Reaktionsprodukte nur ein Teil des gebildeten Ammoniaks entfernt wird.
Die anfängliche Anwesenheit des Reaktionsproduktes bewirkt eine Verminderung der Ammcniakbildung in dem Masse, wie sich die Temperatur der Kontaktsubstanz erhöht, u. zw. in einem grösseren Verhältnisse als sich die Gleichgewichtskonzentration vermindert, so dass bei jener Temperatur, für welche die Gleichgewichtskonzentration des Ammoniaks gleich der Anfangskonzentration ist, die Ammoniakbildung ausbleibt.
Ist zum Beispiel die Anfangskonzentration des Ammoniaks in den zu reagierenden Gasen gleich 5 und arbeitet man unter einem Drucke von ungefähr 700 Atmosphären, so wird der durch eine bestimmte Komaktsubstanz bei einer Temperatur von 5000 stattfindenden Verbindungsprozentsatz wenig herabgedruckt, dagegen wird derselbe bei Anwendung des gleichen Katalysators und bei einer Temperatur von 7500 auf einen sehr kleinen Betrag herabgesetzt. In der Tat ist die Gleichgewichtskonzentration im
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entwicklung im zweiten Falle, statt ungefähr ein Viertel desjenigen des ersten Falles zu sein, wegen der anfänglichen Anwesenheit von 5% des Reaktionsproduktes auf etwa ein Achtel herabsinkt.
Da der hohe Verbindungsprozentsatz die Hauptursache der Überhitzungsgefahr des Katalysators darstellt, ist es natürlich, dass man dieselbe Gefahr laufen wird, wenn man statt bei sehr hohen Drucken zu arbeiten, sehr aktive Kontaktsubstanzen anwendet, so dass sich die Katalyse bei niedrigeren als den üblich angewandten Temperaturen vollziehen könnte. Mittels eines Katalysators, welcher z. B. regelmässig bei 4000 Temperatur arbeiten würde unter einem Drucke von 200 Atmosphären, könnte man eine Ammoniakkonzentration von 36% erlangen.
Es ist leicht ersichtlich, dass auch in diesem Falle, falls die Katalysetemperatur aus irgendeinem Grunde steigen würde, eine anfängliche Anwesenheit von Ammoniak in den zu reagierenden Gasen sehr rasch den Verbindungsprozentsatz und folglich die Wä-me- tönung der Reaktion beeinflussen wird.
Da bei 600 der Ammoniakgehalt im Gleichgewichte gleich 8'25% ist, so ist die Wärmetönung des Umsatzes um etwas mehr als drei Viertel kleiner als die Wärmctönung bei 400 , während bei einer Anfangskonzentration von 5% Ammoniak die Wärmeentwicklung bei einer Temperatur von 400'blots um ein Siebentel erniedrigt wird, wohl aber um neun Zehntel bei 600 . Überdies wird die spezifische Wärme der Reaktionsmischung durch die Anwesenheit von Ammoniak erhöht. was ebenfalls zur Erreichung des Zweckes beiträgt, die Möglichkeit einer Überhitzung im katalytischen Stoffe zu vermindern.
Endlich besteht ein weiterer Vorteil der gegenwärtigen Erfindung im Anfange der Katalyse in dem günstigen Einfluss des vorhandenen Reaktionsproduktes sowohl auf die Tätigkeit als auf die Haltbarkeit des Kontaktstoffes.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur synthetischen Gewinnung von Ammoniak aus unter hohem Druck stehenden Stickstoff und Wasserstoff, dadurch gekennzeichnet, dass man diese Gase gemischt mit einem Teil des Reaktionsproduktes über die Kontaktsubstanz führt.