Sintesis de Amoniaco en La Industria

8/3/2019 Sintesis de Amoniaco en La Industria

1/17

1.- INTRODUCCION

El amonaco es un compuesto qumico cuya molcula est compuesta por un tomo denitrgeno (N) y tres tomos de hidrgeno (H) y cuya frmula qumica es NH3.

El nombre de amonaco deriva del nombre dado a una divinidad egipcia: Amn. Losegipcios preparaban un compuesto, cloruro amnico, a partir de la orina de los animalesen un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevo a Europa mantuvo ese nombre enrecuerdo de la sal de Amn.

2.-PROPIEDADES

2.1.-PROPIEDADES FSICAS

PF= -77.8C

PE=-33.4C

Constante dielctrica=22

Temperatura crtica=132.5C

Calor de vaporizacin en el Pf=23.3KJ/mol

A la temperatura ordinaria, es un gas fcilmente licuable (por descenso moderado

de la temperatura o por presin a la temperatura ordinaria)

Los altos pF y pE, as como el alto calor de vaporizacin, son consecuencia de la

fuerte asociacin de las molculas, debido a su carcter polar y a la posibilidad delN2 de formar enlaces de hidrgeno.

Es muy adsorbido por slidos de mucho desarrollo de superficie, debido a la elevada

capacidad de asociacin de sus molculas.

E i l ti l i t t ti E l bl H O


2/17

2.2.-PROPIEDADES QUMICAS

En las reacciones qumicas, el NH3 puede actuar como base o bien como unreductor.

Comportamiento bsico =se debe al par de electrones no enlazantes de sumolcula, capaz de unirse a un protn por un enlace covalente coordinado.

NH3 + H2O NH4+ + OH- Kb=1.8x10-5

El valor de Kb indica que es una base dbil, por lo que se utiliza en muchasreacciones como fuente moderada de iones OH-.

Reacciones en NH3 liquido = la transferencia de H+ puede tener lugar desde unamolcula a otra del propio NH3. As en NH3 lquido existe la autoionizacion:

NH3 + NH3 NH4+ + NH2- K=10-30 T=-33C

En NH3 liquido como disolvente, el in amonio NH4+, es el cido anlogo al H3O

+, en

disoluciones acuosas y el in amiduro, NH2-, es la base, anloga al OH- acuoso.

Asimismo, los hidrxidos alcalinos (bases muy fuertes en H2O) tienen sus anlogos

amoniacales en amiduros alcalinos (bases muy fuertes en NH3), que se pueden

obtener de forma similar por ejemplo:

Na + NH3 Na+NH2- +1/2H2

Reaccin completamente anloga, (aunque mucho ms lenta) a la correspondiente

con H2O:

Na +H2O Na+OH- + 1/2H2

Reacciones como reductor = El NH3 solo puede actuar como reductor en lasreacciones redox. A temperatura ambiente, es bastante inerte como reductor,

debido, en muchos casos a la lentitud de la reaccin (control cintico), pero a

temperatura elevada, puede reducir a xidos de metales poco activos.


3/17

Es ms favorable termodinmicamente la primera, pero con un catalizador de Pt

(800C) se cataliza selectivamente la segunda reaccin que es prcticamente la

nica que tiene lugar.

3.- USOS DEL NH3

El amoniaco, es uno de los productos intermedios ms importantes de la industriaQumica. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricacin defertilizantes,como:

Nitrato amnico: NH4NO3Sales amnicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4Urea: (NH2)2C=O

Otros usos incluyen:Fabricacin de HNO3.Explosivos.Caprolactama, nylon.Poliuretanos.Gas criognico (por su elevado poder de vaporizacin).Productos de limpieza domsticos tales como limpiacristales.

4.- HISTORIA DEL COMPUESTO.En 1784 Berthollet descubri que el amoniaco estaba formado por nitrgeno ehidrgeno. En 1795 Hildebrandt intent su sntesis a partir de la homogeneizacin desus elementos a temperatura ambiente.

Biot y De Laroche, en 1811, utilizaron presiones mayores a la atmosfrica para susntesis. En 1860 proliferaron propuestas acerca de sntesis indirectas de amoniaco

usando nitrgeno contenido en compuestos que se descomponan con vapor oreaccionaban con hidrgeno para formarlo.

La formacin de amoniaco a partir de sus elementos con ayuda de descargas elctricasha sido estudiada frecuentemente pero no tiene importancia industrial.


4/17

5.- SINTESIS INDUSTRIAL

El NH3 se obtiene exclusivamente por el mtodo denominado Haber-Bosh (Fritz Haber yCarl Bosh). El proceso consiste en la reaccin directa entre el nitrgeno y el hidrgenogaseosos

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) H = -46,2 kj/molS < 0

Es una reaccin exotrmica por lo que un excesivo aumento de temperatura nofavorece la formacin de amonaco

25 C K = 6,8.105 atm.450 C K = 7,8.10-2 atm.

Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula.

Es una reaccin muy lenta, puesto que tiene una elevada energa de activacin,consecuencia de la estabilidad del N2. La solucin de Haber al problema fue utilizar uncatalizador (xido de hierro que se reduce a hierro en la atmsfera de H2) y aumentar lapresin, ya que esto favorece la formacin del producto. Convertir el mtodo de Haberen un proceso de fabricacin fue trabajo realizado por Carl Bosh.

En la prctica las plantas operan a una presin de 100-1000 atm. Y a una temperatura

de 400-600 atm. En el reactor de sntesis se utiliza -Fe como catalizador (Fe2O3 sobreAlO3 catlisis heterognea). A pesar de todo, la formacin de NH3 es baja con unrendimiento alrededor del 15%. Los gases de salida del reactor pasan por uncondensador donde se puede licuar el NH3 separndolo as de los reactivos, los cualespueden ser nuevamente utilizados.

Los estudios sobre el mecanismo de la reaccin indican que la etapa determinante de la

velocidad de la reaccin es la ruptura de la molcula de N2 y la coordinacin a lasuperficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa ms fcilmente. Se producenuna serie de reacciones de insercin entre las especies adsorbidas para producir elNH3.


5/17

relacionadas con la fuente del gas de sntesis, la diferencia en los procesos depreparacin del gas de sntesis y las condiciones de obtencin del amoniaco.

(Ver Figura 2).

El 77% de la produccin mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima.El 85% de la produccin mundial de amoniaco emplea procesos de reformado convapor. (Ver Figura 3).

5.1.-PRODUCCIN DEL GAS DE SNTESIS POR REFORMADO CON VAPOR.

5.1.1.-Produccin de los gases reaccionantes

El proceso en que se basa la siguiente explicacin est esquematizado en la ( figura4). Dos son los gases reaccionantes que se obtienen por separado: el llamado gasgenerador, una mezcla de monxido de carbono y nitrgeno, y el llamado gas de agua,mezcla de monxido de carbono e hidrgeno.

Ambos gases se obtienen en un mismo generador haciendo pasar, en primer lugar, airesobre coque al rojo, con lo que el oxgeno del aire se consume con produccin de CO:

4N2 + O2 + 2C 2CO + 4N2 (gas generador)

Cuando el coque est al rojo blanco se corta la entrada de aire y se hace pasar vaporde agua que reacciona para dar monxido de carbono e hidrgeno:

H2O + C CO + H2 (gas de agua)

Como la reaccin de formacin del gas generador es exotrmica, mientras que lareaccin del gas de agua es endotrmica, es preciso interrumpir a los pocos minutos lainyeccin de vapor de agua y conectar de nuevo la entrada de aire para que se eleve latemperatura en el generador por la formacin, de nuevo, de gas generador. El procesocontina as, alternando calentamiento del coque a alta temperatura por combustin


6/17

gas generador y el gas de agua son necesarios en la fase 2 del proceso, sonmezclados en las proporciones adecuadas con la bomba mezcladora.

5.1.2.-Conversin del monxido de carbono

El monxido de carbono contenido en el gas generador y en el gas de sntesis debe sereliminado previa conversin de ste en dixido de carbono. Pero el CO no es la nicaimpureza que debe tratarse ya que tambin acompaan gases sulfurados(especialmente H2S) procedentes del carbn as como CO2 procedente del propio aire y

de la combustin del carbn. Todos estos gases acompaantes pueden envenenar elcatalizador y deben ser separados. As, en primer lugar la mezcla de gas generador ygas de agua, tambin llamada gas bruto, pasa a una torre de absorcin donde sontratados en fro con disoluciones de cidos orgnicos en hidrxido sdico o potsicoque absorben el cido sulfhdrico:

R-COOK + H2S R-COOH + KHS

El gas bruto entra por la parte inferior de la torre de absorcin de azufre, saliendo por lasuperior el gas purificado. El residuo de esta torre, una disolucin que contiene cidolibre y sulfuro cido de potasio, se extrae por debajo de la torre y se lleva a uncalentador donde se desprende H2S, regenerndose la disolucin.

El gas purificado de azufre debe ser ahora calentado a unos 500 C para proceder a laconversin del CO en CO2. Esta conversin es una reaccin que desprende calor quese aprovecha en los cambiadores de calor para calentar el gas purificado de azufre. Setiene pues el gas purificado en las condiciones ptimas para que el CO que contienereaccione con vapor de agua en un contacto de xido de hierro que contiene algo dexido de cromo, formndose dixido de carbono e hidrgeno:

Esta reaccin tiene lugar en los hornos de contacto I y II.

Por medio de este proceso se elimina de la mezcla gaseosa la mayor parte del COproducindose al mismo tiempo ms H2 (necesario para la formacin del amoniaco) El


7/17

5.1.3.-Absorcin del monxido y dixido de carbono

En esta fase se ha de eliminar el CO2 y el CO que forman parte del gas de contactoobteniendo as una mezcla que contiene slo H2 y N2, llamada entonces gas desntesis.

La eliminacin del CO2 se basa en su solubilidad en agua que aumenta mucho al crecerla presin. Esta circunstancia no concurre con los otros gases (H2, N2 y CO) que formanel gas de contacto por lo que se puede separar aqul de stos. Para ello, el gas decontacto procedente de la fase anterior, almacenado en el gasmetro, se comprime a25 atm con el compresor y luego se lava con agua en la torre de absorcin de CO2. Elagua con el CO2 disuelto sale por la parte inferior de la torre, mientras que los demsgases salen por la parte superior de la misma. Despus de este lavado a presin el gasest compuesto por un 24 % de N2, 69 % de H2, 46 % de CO, 17 % de CO2 y 07 % deCH4.

La eliminacin de los restos de CO tiene lugar por la absorcin de este gas a altapresin en una disolucin acuosa de cloruro de cobre (I) o en una disolucin amoniacalde formiato de cobre (I). Estas disoluciones tienen la propiedad de absorbercuantitativamente el cobre, lo cual tiene lugar en el absolvedor a una presin de 200atm. Antes de la entrada del gas en dicho absolvedor se ha de elevar, como se hadicho, la presin de ste a 200 atm: esta es la funcin del compresor. El lquido residual

de la absorcin, saturado de CO, es reciclable mediante una descompresin hasta lapresin atmosfrica en; el CO se desprende a la atmsfera y la disolucin de cobre escomprimida de nuevo en el compresor para su reciclado.

Finalmente, el gas que sale a 200 atm del absolvedor de CO, se lava en otra torre deabsorcin con leja de sosa para eliminar las ltimas trazas de CO2. Se obtiene as elllamado gas de sntesis que contiene fundamentalmente nitrgeno e hidrgeno yalgunos restos de compuestos de azufre y de CO. (Ver Figura 6)

5.1.4.-Obtencin de amoniaco


8/17

es introducido un horno previo lleno del mismo catalizador que el que se utilizardurante la sntesis del amoniaco: un fundido solidificado de hierro elemental,

principalmente, con pequeas cantidades de Al2O3, K2O y CaO. Los compuestos deazufre son retenidos por el hierro en forma de sulfuro de hierro y los restos de CO sehidrogenan en el contacto a CH4 y H2O. Esta purificacin tiene lugar a 200 C y en ellano tiene lugar la formacin de amoniaco. El gas de sntesis purificado est listo paraentrar en el horno de sntesis permitiendo que el catalizador tenga larga vida.

Trabajar con hidrgeno a alta presin es determinante en la construccin del horno de

sntesis. El hidrgeno a alta presin es capaz de eliminar el carbono, que forma partedel acero, con formacin de hidrocarburos. Con esto el acero pierde su dureza yresistencia y despus de un cierto tiempo de funcionamiento el horno puede rajarse oexplotar. Por otra parte el hierro a alta temperatura es permeable al hidrgeno,permeabilidad que se ve incrementada por las altas presin. Para salvar estasdificultades se construye el horno con hierro dulce pobre en carbono. Este apenas tieneresistencia a la presin y tampoco puede evitar que el hidrgeno difunda a su travs,

pero estas dificultades pueden salvarse si se reviste este tubo con un segundo tubo deacero al cromo-nquel resistente a la presin y se procura simultneamente que elhidrgeno que se difunda a travs del primero se pueda eliminar del espacio entreambos tubos con facilidad y a baja presin.

Para la sntesis del amoniaco, el horno debe calentarse a unos 400-500 C. Entoncescomienza la reaccin de formacin de amoniaco que transcurre exotrmicamente. Esta

circunstancia obliga a eliminar por refrigeracin el calor que se desprende ya que elexceso de calor retrograda la reaccin. El gas que sale del horno contiene de un 8 a un12 % de amoniaco que se separa del resto de gas de sntesis mediante sucesivasrefrigeraciones, primero con agua y despus ms a fondo con salmuera comorefrigerante hasta conseguir que el amoniaco que contiene, despus de descomprimir alpasar por la vlvula de expansin se recoja lquido en el tanque. El gas de sntesis queno ha reaccionado se lleva de nuevo al horno mediante la bomba de circulacin.

(Ver Figura 7)

6.- El proceso de Haber-Bosch a finales del siglo XX

Las modificaciones de la sntesis del amoniaco segn Haber y Bosch no han cambiadolos fundamentos del mtodo: la unin de nitrgeno e hidrgeno a presin elevada a la


9/17

de participacin de diferentes materias primas para la obtencin del hidrgenonecesario en la sntesis del amoniaco.

1954 1960 1981Materia prima % Materia prima % Materia prima %Carbn-gas de

agua 53 Gas natural 77 Gas natural 707Gas natural 18 Refineras(1) 8 Naftas 92Electrlisis de agua

13

Procesos qumicos

(2)11

Gas de coqueras

75

Gas de coqueras 10 Fuel-oil 65Otros 6 Carbn-gas de agua 19

Otros 42

(1) Conversin de subproductos.

(2) Deshidrogenacin de hidrocarburos, electrlisis cloro-lcali, etc.

Como vemos, entre 1954 y 1960 se produjo un cambio que llev al gas natural comoprincipal fuente de hidrgeno, mantenindose dicha fuente a partir de entonces. Lafuente principal de hidrgeno en el mtodo clsico de Haber-Bosch queda muy en

desuso en la segunda mitad del siglo XX.El proceso industrial a finales del siglo XX aparece esquematizado en la figura 8. Estafigura ha sido tomada del texto de J. Quilez y otros. Como vemos, las diferentes etapasprevias antes de la llegada de los gases de sntesis al reactor suponen la obtencin delos mismos en estado puro. Una vez los gases de sntesis llegan al reactor se calientana una temperatura de unos 450 C y se someten a una presin de 200 atm (o superior).

El catalizador est compuesto con magnetita, Fe3O4, mezclado con otros xidos (Al2O3,K2O y CaO). La magnetita se reduce in situ a hierro, lo cual proporciona una gransuperficie de contacto para la catlisis. La misin de los otros xidos presentes esasegurar esta gran rea de interaccin cataltica.


10/17

C O N C L U S I N


11/17

BIBLIOGRAFIA


12/17


13/17

Sntesis de amoniaco usando el mtodo de Haber-Bosch (Figura 1)

2N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

H= -92.2 KJ

Esquema de sntesis de amonacousando el mtodo de Haber-BoschLa mezcla de Nitrgeno eHidrgeno entra por el punto 13 yfluye por los lechos de catalizador(1-6), el amonaco sale por elpunto 16. La circulacin indicadapor las flechas a travs de lastuberas (7-12, 14, 15 y 17) esrealizada para eliminar el calorque se produce en la reaccinexotrmica


14/17

Figura 3.- Diagrama de Obtencin del Amoniaco por el Mtodo Reformado con Vapor

Figura 2


15/17

Figura 4

Figura 5

Figura 4


16/17

Figura 6.

Figura 7

Figura 6


17/17

Figura 8

Documents

Sintesis de Amoniaco en La Industria