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Ostwald-Verfahren, Salpetersäureherstellung

Salpetersäure wird heute nach dem Ostwald-Verfahren durch die Oxidation von Ammoniak hergestellt. Das Verfahren beruht auf Wilhem Ostwald (1853–1932), der im Jahre 1901 einen Laborversuch dazu durchführte und in der Folgezeit in Zusammenarbeit mit der Sprengstoffindustrie eine technische Anlage entwickelte. Ausgangsstoff ist das bei der Haber-Bosch-Synthese erzeugte Ammoniak. Wird Ammoniaklösung eingesetzt, muss diese zuerst verdampft werden.


Ostwald-Verfahren


Das Ammoniak wird mit Luft im Gasmischer vermischt, anschließend verdichtet, im Erhitzer erhitzt und dann in einem Kontaktofen bei 800 bis 900 °C an einem Platin-Rhodium-Katalysator zu Stickstoffmonooxid und Wasser umgesetzt. Das Gasgemisch darf nur kurzen Kontakt zum Katalysator haben, da sonst das Sticktoffmonooxid in seine Elemente zerfällt.

Schritt 1: Ammoniak + Sauerstoffreagiert zu Stickstoffmonooxid + Wasser   ΔHR = −908 kJ/mol 
4 NH3  +  5 O2
reagiert zu   4 NO  +  6 H2O   

In einem nachgeschalteten Kühlsystem wird danach das Stickstoffmonooxid unter 50 °C gekühlt und in den Oxidationsturm geleitet. Dort oxidiert das Stickstoffmonooxid mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid. Diese Reaktion ist erst bei Temperaturen unterhalb 50 °C durchführbar. Unter den vorherrschenden Bedingungen entsteht in einer Gleichgewichtsreaktion auch Distickstofftetraoxid.

Schritt 2: Stickstoffmonooxid + Sauerstoff im Gleichgewicht zu  Stickstoffdioxid    ΔHR = −114 kJ/mol 
2 NO  +  O2 im Gleichgewicht zu   2 NO2


Stickstoffdioxidim Gleichgewicht zu  Distickstofftetraoxid    ΔHR = −57 kJ/mol 
2 NO2 im Gleichgewicht zu   N2O4

In den nachfolgenden Absorptionstürmen wird das Stickstoffoxid-Gemisch mit herabrieselndem Wasser unter Luftzugabe zu einer 50%igen Salpetersäure umgesetzt, die durch eine nachgeschaltete Destillationsanlage auf etwa 65% konzentriert werden kann. Das dabei anfallende Stickstoffmonooxid wird wieder in den Oxidationsturm zurückgeleitet und nach Schritt 2 erneut oxidiert. Mögliche Nebenreaktionen sind hier nicht dargestellt. Eine moderne Anlage kann täglich bis zu 1200 Tonnen Salpetersäure herstellen.

Schritt 3: Stickstoffdioxid + Wasserreagiert zu Salpetersäure + Stickstoffmonooxid 
3 NO2  +  H2O reagiert zu   2 HNO3  +  NO
 

Distickstofftetraoxid + Sauerstoff + Wasserreagiert zu Salpetersäure
2 N2O4  +  O2  +  2 H2O reagiert zu   4 HNO3



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