Chemie · Q3.1 Chemische Gleichgewichte und ihre Einstellung

Vom Erdgas zum Ammoniak – Haber-Bosch-Prozess interaktiv

Die interaktive Lernumgebung bildet den Weg vom Erdgas zum Ammoniak in einer vereinfachten Haber-Bosch-Chemieanlage ab. Der dargestellte Prozess führt über Primär- und Sekundärreformer, CO-Shift-Konverter, Gasreinigung, Wärmeaustausch und Verdichtung zum Haber-Bosch-Synthesereaktor sowie anschließend über Kühlung, NH₃-Abscheidung, Rückführung und Produkttank.

Im Lernmodus „Anlage kennenlernen“ untersuchen die Lernenden die einzelnen Prozessstufen, Stoffströme, Reaktionsgleichungen und die Funktion der jeweiligen Bauteile. Im Modus „Anlage betreiben“ können sie unter anderem Reformertemperatur, H₂O₄-Verhältnis, Luftzufuhr, Shift-Temperatur, Synthesedruck, Synthesetemperatur und Kühlung verändern sowie Katalysatoren ein- oder ausschalten.

Jeder Anlagenlauf liefert berechnete Stoffströme und Kennzahlen wie NH₃-Menge im Tank, NH₃-Ausbeute, Reaktorumsatz, Restedukte, Energieindex und Effizienzindex. Mehrere Läufe werden als Versuchsreihe gespeichert und miteinander verglichen. Ein Score bewertet Ausbeute und Energieeffizienz gemeinsam. Nach drei Läufen können Optimierungshilfen freigeschaltet werden; diese markieren auffällige Prozessstellen und bieten schrittweise Beobachtungen und Hinweise. Zusätzlich steht am Synthesereaktor ein Druck-Temperatur-Diagramm zum NH₃-Gleichgewichtsanteil zur Verfügung.

Die Lernumgebung kennzeichnet ihr Berechnungsmodell ausdrücklich als vereinfachtes Lernmodell zur Untersuchung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen und nicht als Auslegung einer realen Industrieanlage.

Inhaltsart: Simulation
Lernniveau: Sekundarstufe II
Bearbeitungszeit: ca. 35 Minuten

Lernziele

Die Lernenden beschreiben die wesentlichen Prozessstufen der industriellen Ammoniakherstellung vom Erdgas bis zum NH₃-Tank.
Die Lernenden erklären den Einfluss von Temperatur, Druck und Katalysator auf Reaktionsgeschwindigkeit und Gleichgewicht der Ammoniaksynthese.
Die Lernenden untersuchen, wie Stoffmengenverhältnisse und Prozessbedingungen die Zusammensetzung des Synthesegases und die NH₃-Ausbeute beeinflussen.
Die Lernenden vergleichen unterschiedliche Anlagenläufe anhand von NH₃-Ausbeute, Energieindex und Effizienzindex.
Die Lernenden begründen geeignete Prozessbedingungen unter Berücksichtigung von Ausbeute, Reaktionsgeschwindigkeit und Energiebedarf.

Interaktiver Inhalt

Bedienhinweise

Beginne mit „Anlage kennenlernen“ und wähle die Stationen im Prozessweg aus, um ihre Aufgabe, ein- und austretende Stoffe sowie vorhandene Reaktionsgleichungen zu untersuchen. Wechsle anschließend zu „Anlage betreiben“. Verändere dort die tatsächlich angebotenen Regler für Prozessgrößen und schalte die vorhandenen Katalysatoren gezielt ein oder aus. Starte danach einen neuen Anlagenlauf und beobachte Stoffstrom, NH₃-Ausbeute, Energie- und Effizienzindex. Vergleiche mehrere Läufe in der Versuchsreihe und ändere möglichst nur wenige Größen gleichzeitig, damit deren Wirkung nachvollziehbar bleibt. Bei laufender Animation können Pause/Fortsetzen und das Animationstempo verwendet werden. Nach drei Anlagenläufen lässt sich „Optimierung“ aktivieren; markierte Stationen liefern dann schrittweise Hilfen. Am Synthesereaktor kann zusätzlich das Druck-Temperatur-Diagramm untersucht und ein geeigneter Diagrammdruck für einen folgenden Anlagenlauf übernommen werden.

Didaktische Hinweise

Voraussetzungen

Grundkenntnisse zu Stoffmenge, Stoffmengenverhältnissen und dem Ausgleichen chemischer Reaktionsgleichungen.
Grundkenntnisse zu reversiblen Reaktionen und chemischem Gleichgewicht.
Grundkenntnisse zum Einfluss von Temperatur und Katalysatoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit.
Grundidee des Le-Chatelier-Prinzips für Temperatur- und Druckänderungen.

Typische Fehler

Der Katalysator wird fälschlich als Faktor betrachtet, der die Gleichgewichtslage oder Gleichgewichtskonstante verändert; im Modell beschleunigt er Hin- und Rückreaktion, ohne das Gleichgewicht zu verschieben.
Bei der exothermen Ammoniaksynthese wird eine möglichst niedrige Temperatur grundsätzlich als optimal angesehen, ohne die dadurch sinkende Reaktionsgeschwindigkeit zu berücksichtigen.
Ein möglichst hoher Synthesedruck wird unabhängig vom Energiebedarf als grundsätzlich optimal bewertet; im Modell nimmt der Zusatznutzen hohen Drucks ab, während der Energiebedarf steigt.
Ein Synthesedruck über 32 MPa wird gewählt, obwohl der zulässige Modellbereich dadurch überschritten wird und die Anlage für diesen Lauf ausfällt.
Eine hohe Wasserdampfzufuhr wird ausschließlich als vorteilhaft betrachtet, ohne den zusätzlichen Energiebedarf für nicht umgesetzten Wasserdampf zu berücksichtigen.
Eine möglichst starke Kühlung wird ausschließlich anhand der NH₃-Kondensation bewertet, ohne den zusätzlichen Kühlenergiebedarf einzubeziehen.
Die Luftzufuhr im Sekundärreformer wird verändert, ohne ihre Auswirkung auf das spätere H₂₂-Verhältnis zu berücksichtigen.

Für den Unterricht

Als Einstieg kann zunächst nur der Lernmodus „Anlage kennenlernen“ genutzt werden. Die Lernenden verfolgen den Stoffstrom vom Erdgas bis zum NH₃-Tank und ordnen jeder Station ihre technische oder chemische Funktion zu. Für die Erarbeitungsphase eignet sich der Arbeitsauftrag, zunächst einen Referenzlauf durchzuführen und anschließend jeweils nur eine Prozessgröße gezielt zu verändern. Dabei sollen Hypothese, veränderte Größe sowie Auswirkungen auf NH₃-Ausbeute und Energieindex dokumentiert werden. Als Beobachtungsauftrag können die Lernenden getrennt untersuchen, wie Reformertemperatur und H₂O₄-Verhältnis, Luftzufuhr, Shift-Temperatur, Synthesedruck, Synthesetemperatur, Katalysatoren und Kühlung den Gesamtprozess beeinflussen. Nach mindestens drei Läufen können die Optimierungshilfen genutzt werden. Sinnvoll ist, zunächst nur die angezeigte Beobachtung auszuwerten und weitere Hilfestufen erst dann einzublenden, wenn keine begründete eigene Lösung gefunden wird. Zur Sicherung können Gruppen ihre besten Anlagenläufe anhand von NH₃-Ausbeute, Energieindex, Effizienzindex und Score vergleichen und begründen, warum ein hoher Produktertrag allein nicht zwingend die günstigste Einstellung darstellt. Für Partner- oder Gruppenarbeit können verschiedene Teams jeweils einen Einflussfaktor untersuchen und anschließend ihre Ergebnisse zusammenführen. Leistungsstärkere Lernende können zusätzlich das Druck-Temperatur-Diagramm analysieren und Gleichgewichtslage, Reaktionsgeschwindigkeit und technische Prozessbedingungen voneinander abgrenzen. Die gespeicherte Versuchsreihe beziehungsweise der vorhandene CSV-Export kann für eine nachgelagerte Auswertung und Dokumentation der Versuchsergebnisse verwendet werden.

Lernziele

Interaktiver Inhalt

Bedienhinweise

Didaktische Hinweise

Voraussetzungen

Typische Fehler

Für den Unterricht

Quellen & Vertiefung

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