amoniaco, Apuntes de Ingeniería Química

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Obtención del AmoniacoSeminarios de Química Inorgánica

Agustín F. Pérez Cadenas

AMONIACO (NH

-^ Los alquimistas medievales lo obtenían calentando enretornas pezuñas y cuernos y recogiendo en agua elgas desprendido.•^ Otros lo conseguían calentando orina con sal común ytratando el producto con álcalis.•^ En 1785, Berthollet demostró que el amoníaco es uncompuesto de nitrógeno e hidrógeno.•^ El amoníaco se encuentra donde hay descomposiciónde materia orgánica como consecuencia de lasalteraciones químicas que experimentan las sustanciasnitrogenadas.

AMONIACO (NH

-^ Alrededor^ de

1905 Fritz^ Haber

empezó^ a^ investigar

el

equilibrio de la síntesis del amoniaco. Sus resultados le daríanen premio Novel en 1918.• En^1914 entra

en^ funcionamiento

la^ primera^ planta

de

producción de amoniaco a escala industrial en Alemania: laBadische Anilin und Soda Fabrik (B.A.S.F.), en Ludwigshafen.Carl Bosch (premio Novel 1931) había conseguido escalar lasíntesis de Haber a planta industrial.• El proceso Haber-Bosch operó inicialmente a 500ºC y 200atmsobre un catalizador de hierro y utilizando N

atmosférico. 2

-^ Hasta 1960 no se descubrió el mecanismo de la reacción.

5

Características generales• Es un gas incoloro de característico olor sofocante.• Puede licuarse a temperaturas ordinarias• Es muy soluble en agua y el volumen del líquidoincrementa notablemente; .• Tiene carácter básico:– NH + H^ O^ ^ NH^3

+^ – +OH^

-^ A partir de los 500 ºC empieza a descomponerse en N y H^ 2.

-^ El rendimiento del amoníaco disminuye al aumentar latemperatura, pero la reacción es muy lenta por eso senecesita un catalizador ( Ejm. una mezcla con hierro,molibdeno y Al

O) 23. Síntesis catalítica:•^ La temperatura es de compromiso en función de lapresión y tipo de catalizador. Ejm 450 ºC en procesoHaber-Bosch.•^ Para que se aproveche industrialmente la reacción hade realizarse a altas presiones (200 a 1000 atm).•^ El hidrógeno y el nitrógeno que se usan deben serpuros, para evitar el envenenamiento del catalizador.

Síntesis catalítica:

Síntesis catalítica: Reformado El gas natural se somete a un reformado (craqueo) catalítico con vapor deagua. El gas natural se mezcla con vapor en la proporción 1 : 3,3 (gas:vapor).El proceso de reformado se lleva a cabo en dos etapas. Reformador primario:

C^ H^ + n H^ O^ nm^2

m^ n CO + (n+/) H^22 CH^ + H^ O^4

CO + 3H^ ∆^2

H = 206 kj/mol CH^ + 2H^ O^4

CO+ 4H^ ∆^2

H = 166 kj/mol Reacciones fuertemente endotérmicas que transcurren a 800ºC y estáncatalizadas por óxido de niquel (NiO).

Síntesis catalítica: Reformador secundario El gas de salida del reformador I se mezcla con una corriente de aire en elreformador II, de esta manera aportamos el N

necesario para el gas de^2 síntesis, además estequiométricamente (N

• 3H^ ). Durante este proceso^2

tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a1000ºC.CH^ + 2O^4

2

CO+ 2H^ O^ ∆^2

H<< 0

Después de estas etapas la composición del gas resultante es aprox:N^ (12,7%), H^ (31,5%), CO (6,5%), CO^2

(8,5%), CH^ (0,2%), H 2 4

O (40,5%), Ar 2

(0,1%).^ →^ conversión 99,9 % de hidrocarburo.

Cat^ Ni(15%)-Al^ O^2

Síntesis catalítica:Etapa de conversión:

reacción de Shift del gas de agua Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transformaen COpor reacción con vapor de agua,^2 CO + H

O^ ↔^ CO+ H^22

∆H = -41 kj/mol esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. Lareacción se lleva a cabo en dos pasos,a) Shift a alta temperatura (HT): 350-400ºC sobre catalizador de 90% Fe

O+ 23

10% Cr^ O→^ 75% de conversión.^23 b) Shift a baja temperatura (LT): Se lleva a cabo sobre un catalizador másactivo CuO/ZnO/Al^2

Oa ~200ºC y 10-30 atm para eliminar casi^3 completamente el CO.

Purificación

Síntesis catalítica:^ Purificación^ Etapa de eliminación del CO

: el CO2se elimina en una torre con varios 2 lechos mediante absorción con K

COa contracorriente, formándose KHCO 23

3 KCO+ CO+ H^ O^23 2

2KHCO^3

Etapa de^ metanación

: las trazas de CO (0,2%) y CO

(0,09%), que son 2 peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en CH

CO + 3H^ CH^2

• H^ O^ H = - 206 kj/mol 4 2 CO+ 4H^ CH^2

• 2H^ O^ H = - 165 kj/mol 4 2 Proceso sobre lecho catalítico de Ni/Alúmina (300ºC).

Síntesis catalítica: Compresión y síntesis del amoníaco

El amoníaco se almacena en un tanque criogénico a -33ºC.

Reactor de síntesis de NH

:^3

Variaciones técnicas en la producción de amoniaco^ En otros procesos la aportación del nitrógeno atmosférico proviene desu separación previa del aire:

Usos del amoniaco^ La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación defertilizantes:• Nitrato amónico: NH

NO 43

• Otras sales amónicas: (NH

)^ SO, (NH)^ PO 424 43

4

• Urea: (NH)^ C=O^22 Otros usos del amoníaco incluyen:• Fabricación de HNO

. Explosivos y otros usos. 3

• Caprolactama, nylon• Poliuretanos•^ Anilina• Gas criogénico por su elevado poder de vaporización.• Productos de limpieza domésticos tales como limpia cristales.