Die unentbehrliche chemische Industrie – online

Harnstoff (Carbamid), der leicht aus Ammoniak und Kohlendioxid hergestellt werden kann, ist eine sehr wichtige Chemikalie in der Landwirtschaft und der Polymerindustrie.

Verwendungen von Harnstoff

Harnstoff ist der weltweit am häufigsten verwendete Stickstoffdünger, und in der Tat wird massenweise mehr Harnstoff als jede andere organische Chemikalie hergestellt. Mit einem N-Gehalt von 46% ist er der am stärksten konzentrierte Stickstoffdünger und ist als frei fließende Prills (Granulat) leicht erhältlich. Es ist die billigste Form von Stickstoffdünger, die transportiert werden kann, und sie ist auch diejenige, die am wenigsten „verbacken“ kann. Daher wird er in Entwicklungsländern bevorzugt eingesetzt.

Abbildung 1 Dieses Reisfeld in Thailand wurde mit Harnstoff behandelt, dem stickstoffhaltigen Dünger, der in Entwicklungsländern am häufigsten verwendet wird. Mit freundlicher Genehmigung von Kim Dixon.

Während über 90 % des produzierten Harnstoffs als Düngemittel verwendet wird, hat er noch andere Verwendungszwecke, zu denen die Herstellung von Melamin gehört, das in Melamin-Methanal-Harzen verwendet wird. Harnstoff selbst bildet auch wichtige Harze.

Eine zunehmend wichtige Verwendung von Harnstoff ist die Reduzierung der Luftverschmutzung durch Dieselmotoren in Autos, Bussen und Lastwagen. Dieselmotoren laufen bei hohen Temperaturen, und Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft können unter diesen Bedingungen miteinander reagieren und hohe Konzentrationen von Stickstoffoxid erzeugen. Eine Möglichkeit, diesen Schadstoff zu entfernen, ist, ihn mit Ammoniak zu Stickstoff reagieren zu lassen.

Allerdings ist es nicht möglich, Ammoniak direkt zu verwenden, da es zu flüchtig und giftig ist. Stattdessen wird eine Lösung von Harnstoff in Wasser in die heißen Gase eingespritzt, die im Auspuff aus dem Motor austreten. Harnstoff wird thermisch zu Ammoniak und Kohlendioxid zersetzt. Dies ist der umgekehrte Prozess zur Herstellung von Ammoniak:

Im Gegensatz zu Ammoniak ist Harnstoff sicher und einfach zu handhaben.

Die Produkte Ammoniak und Kohlendioxid werden zusammen mit den Abgasen sofort über einen Katalysator im Abgassystem geleitet. Ammoniak reduziert die bei den Verbrennungsprozessen entstehenden Stickoxide (hauptsächlich Stickstoffoxid) zu Stickstoff. Der Prozess ist komplex, aber die Gesamtreaktion lässt sich so darstellen:

Das System ist als Urea SCR (Harnstoff-basierte selektive katalytische Reduktion) bekannt und kann die Belastung durch Stickoxide auf nahezu Null reduzieren.

Abbildung 2 Harnstofftanks gehören heute in vielen Ländern zur Standardausrüstung der meisten neuen Diesel-LKWs, Busse und PKWs. Der Harnstoff wird den Abgasen in Form einer 32%igen wässrigen Lösung zugesetzt, die oft als BlueTEC bezeichnet wird. Auf diesem Foto wird ein Mercedes-Bus mit BlueTEC-Lösung (mit der blauen Düse am unteren Tank) und Diesel (der obere Tank) befüllt. Mit freundlicher Genehmigung der Daimler AG.

Es werden verschiedene Katalysatoren eingesetzt. Eine Serie basiert auf Übergangsmetalloxiden (z. B. die von Vanadium und Wolfram) auf einem Träger, Titandioxid. Eine andere Serie basiert auf Zeolithen, bei denen ein Teil der Kationen durch ein Metall wie Kupfer ausgetauscht wurde.

Abbildung 3 Ein Mercedes-Benz E-Klasse E300 BlueTEC Hybrid Auto. Der Dieselmotor wird mit einem Elektromotor kombiniert, was ein rein elektrisches Fahren auch bei hohen Geschwindigkeiten ermöglicht und die Schadstoffmenge im Vergleich zu einem reinen Dieselmotor deutlich reduziert. Die Menge der ausgestoßenen Stickoxide wird durch den Einsatz der BlueTEC-Lösung, die die Oxide im Abgas in Stickstoff und Wasserdampf umwandelt, weiter reduziert. Mit freundlicher Genehmigung der Daimler AG.

Abbildung 4 Ein Liniendiagramm des obigen Fahrzeugs, das fünf Schlüsselelemente bei der Konstruktion des Abgassystems zeigt. 1 Der Oxidationskatalysator wird verwendet, um unerwünschte Kohlenwasserstoffe zu entfernen und sicherzustellen, dass sie zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Der Katalysator basiert in der Regel auf Platin oder Palladium. 2 Der so genannte NOx-Katalysator enthält Aluminiumoxid, auf dessen Oberfläche sich Platin und Bariumoxid befinden. Es fängt die Stickoxide ab. Wenn der Feststoff mit den Oxiden gesättigt ist, können unverbrannte Kohlenwasserstoffe hindurchfließen, wodurch ein Großteil des Gemischs in Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf umgewandelt wird. 3 Ein Filter, der Partikel (kleine Kohlenstoffstücke und andere Feststoffe) abfängt. 4 Ein Tank, der die Harnstofflösung enthält. 5 Der SCR-Katalysator, der einen weiteren Katalysator enthält, zum Beispiel ein Oxid von Vanadium (oder Wolfram) auf Titandioxid, der die Abgase, die noch einige Stickoxide enthalten, mit dem aus der Harnstofflösung gebildeten Ammoniak reagieren lässt, so dass Abgase mit nur noch Spuren der Oxide entstehen. Mit freundlicher Genehmigung der Daimler AG.

Jahresproduktion von Harnstoff1

Welt	164 Millionen Tonnen
China	62 Millionen Tonnen
Indien	23 Millionen Tonnen
Naher Osten	20 Millionen Tonnen
Rest von Asien	18 Millionen Tonnen
FSU	12 Millionen Tonnen
Nordamerika	9.5 Millionen Tonnen
Europa	9.5 Millionen Tonnen

Es wird erwartet, dass die weltweite Jahresproduktion bis 2018 auf über 200 Millionen Tonnen ansteigen wird2.

1. Potash Corporation, 2013
2. International Fertilizer Industry Association, 2014

Herstellung von Harnstoff

Ammoniak reagiert mit Kohlendioxid zu Harnstoff. Harnstoff wird immer in der Nähe einer Ammoniakanlage hergestellt (Abbildung 5).

Ammoniak und Kohlendioxid werden zusammen bei 450 K und 200 atm Druck erhitzt. Es bildet sich zunächst Ammoniumcarbamat, das sich schnell zu Harnstoff zersetzt:

Abbildung 5 Eine Luftaufnahme einer großen Anlage in Alberta, Kanada, in der Ammoniak synthetisiert
und anschließend zu Harnstoff umgewandelt wird.
Mit freundlicher Genehmigung von Agrium Inc.

Ein Großteil des Harnstoffs wird geprillt (Abbildung 6) und in dieser Form verkauft.

Abbildung 6 Diese kleinen Harnstoffkügelchen werden als Prills bezeichnet. Die Prills werden gebildet, indem geschmolzener Harnstoff durch einen Turm gespritzt wird, durch den Luft nach oben gepumpt wird. Sie sind etwas kleiner als Harnstoff, der als Granulat verkauft wird, und sind besonders nützlich, wenn der Dünger von Hand ausgebracht wird. Mit freundlicher Genehmigung von Agrium Inc.