Trabajo Práctico N°1

“Fabricación del Amoniaco mediante el proceso de producción o método Haber, usos en la

Industria y cotidiano. Producción Nacional”

Profesora: Leszman, Graciela. Alumnos: Fernández, Juan – Espinoza, Nahuel.Curso: 4° 1° Naturales

AmoniacoFabricación:

En el año 1918, el químico alemán Fritz Haber (1868-1934) obtuvo el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la termodinámica de las reacciones gaseosas; estas investigaciones derivaron, en 1913, en el proceso de producción de amoniaco a escala industrial, que aún hoy se utiliza, y que lleva su nombre: proceso Haber. Aunque existen modificaciones posteriores de este método, lo cierto es que todos están basados en el proceso Haber.

El proceso permite comprender los factores cinéticos y termodinámicos que influyen en las velocidades de reacción y en la evolución de los equilibrios químicos. Esto y la abundancia del uso del amoniaco en la vida cotidiana y en otros muchos procesos, hacen que el proceso Haber combine muy bien la teoría con la utilidad práctica de la química.

Puesto que el amoniaco es un compuesto muy utilizado como materia prima para la elaboración de tintes, plásticos, fertilizantes, fibras sintéticas y explosivos, durante la I Guerra Mundial se produjeron en los Estados Unidos grandes cantidades de amoniaco por el método de la cianamida. Cuando el carburo cálcico se calienta a 1100ºC en presencia de nitrógeno, se forma cianamida cálcica, CaCN2, que, tratada al vapor, desprende amoniaco. No obstante, la cianamida es un compuesto altamente tóxico, por lo que el procedimiento cayó en desuso y en la actualidad sólo se utiliza a nivel industrial el proceso Haber.

En el proceso Haber se obtiene nitrógeno gaseoso, N2, por licuefacción parcial del aire o haciéndolo pasar a través de coque al rojo. El nitrógeno así obtenido se mezcla con hidrógeno puro, conduciendo la mezcla a lo largo de unos tubos convertidores rellenos de una masa catalítica porosa, que generalmente está compuesta por óxidos de hierro y pequeñas cantidades de óxidos de potasio y aluminio .

Obtención:

El proceso mediante el cual se obtiene amoníaco obtiene su nombre de los químicos que lo idearon: Fritz Haber y Carl Bosch. Este proceso es el resultado de la combinación directa entre el nitrógeno (proveniente de la atmósfera)y el hidrógeno (proveniente del gas natural), ambos en estado gaseoso.

Esta reacción ocurre con lentitud, dado que necesita gran cantidad de energía de activación, como consecuencia de la estabilidad química del nitrógeno. Para acelerar la reacción se utiliza un catalizador, y se aumenta la presión y la temperatura a la que esta ocurre.

De esta manera las moléculas gaseosas tienen mayor energía cinética, aumentando la velocidad con que reaccionan. Además, al retirar el amoníaco a medida que se va formando, se acelera aún más la producción del mismo.La presión aplicada para mejorar el rendimiento de esta reacción puede llegar hasta las 900 atmósferas. Con esta presión, a una temperatura de 450 o 500 grados C, el rendimiento de la reacción puede ser del 40%.

El amoníaco obtenido de esta manera se utiliza en la preparación de fertilizantes, como nitrato de amonio o sulfato de amonio.Otro uso bastante frecuente es como producto de limpieza; gracias a sus propiedades desengrasantes resulta de utilidad en la remoción de manchas difíciles. Es usado diluido en agua.

Proceso de producción de amoníaco

Método de reformado con vapor:

A continuación se explica el proceso de obtención de amoníaco teniendo como referencia el diagrama de flujo de bloques del método de reformado con vapor. Este método es el más empleado a nivel mundial para la producción de amoniaco.Se parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo el 90% metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3.

Desulfuración:Antes del reformado tenemos que eliminar el S que contiene el gas natural, dado que la empresa distribuidora le añade compuestos orgánicos de S para olorizarlo.

Reformado:Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua (craqueo- rupturas de las moléculas de CH4). El gas natural se mezcla con vapor en la proporción (1 : 3,3)-(gas : vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas, Reformador primario y secundario.

Reformador primario:El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes

CH4 + H2O CO + 3H2 ΔH = 206 kj/mol

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 ΔH = 166 kj/molReacciones fuertemente endotérmicas

Estas reacciones se llevan a cabo a 800ºC y están catalizadas por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de H2.

R-SH + H2 RH + H2S hidrogenación

H2S + ZnO H2O + ZnS adsorción

Reformador secundario:El gas de salida del reformador anterior se mezcla con una corriente de aire en este 2º equipo, de esta manera aportamos el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC.

En resumen, después de estas etapas la composición del gas resultante es aprox. N2 (12,7%), H2 (31,5%), CO (6,5%), CO2 (8,5%), CH4 (0,2%), H2O (40,5%), Ar (0,1%). → conversión 99% de hidrocarburo.

Purificación:El proceso de obtención de NH3 requiere un gas de síntesis de gran pureza, por ello se debe eliminar los gases CO y CO2.

Etapa de conversión:

Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO2 por reacción con vapor de agua,

CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH = -41 kj/mol

esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reacción se lleva a cabo en dos pasos,

a) A aprox. 400ºC con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador → 75% de la conversión.

b) A aprox. 225ºC con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO → prácticamente la conversión completa.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O ΔH<< 0

Etapa de eliminación del CO2:

Seguidamente el CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con K2CO3 a contracorriente, formándose KHCO3 según este se hace pasar por dos torres a baja presión para desorber el CO2, el bicarbonato pasa a carbón liberando CO2. (subproducto- para fabricación de bebidas refrescantes).

Etapa de mecanización:

Las trazas de CO (0,2%) y CO2 (0,09%), que son peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en CH4:

Síntesis de amoníaco:Así se obtiene un gas de síntesis con restos de CH4 y Ar que actúan como inertes.

A continuación el gas se comprime a la presión de 200 atm. Aproximadamente (compresor centrífugo con turbina de vapor) y se lleva al reactor donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico de Fe.

K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3

CO + 3H2 CH4 + H2O CO2 + H2 CH4 + 2H2O

Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC).

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

en un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 14-15%. Por tanto, el gas de síntesis que no ha reaccionado se recircula al reactor pasando antes por dos operaciones.

•a) extracción del amoníaco mediante una condensación.

•b) eliminación de inertes mediante una purga, la acumulación de inertes es mala para el proceso.

El gas de purga se conduce a la unidad de recuperación

Ar para comercializarse

CH4 se utiliza como fuente de energía

N2 y H2 se introducen de nuevo en el bucle de síntesis

Compresión y síntesis del amoníaco.

El amoníaco se almacena en un tanque criogénico a -33ºC, el amoníaco que se evapora (necesario para mantener la temperatura) se vuelve a introducir en el tanque.

Usos del amoníaco

La mayor parte se destina a la síntesis de fertilizantes, tales como sulfato de amonio, nitrato de amonio, urea, entre otros. También se puede usar amoníaco anhidro directamente como abono. Estos fertilizantes aportan nitrógeno a los suelos, absorbible directamente por las plantas, incidiendo de manera positiva en el desarrollo de follaje, tallos y raíces. Es útil en para todo tipo de cultivos, tales como pasturas, hortalizas, gramíneas, cereales, etc. El sulfato de amonio se utiliza sobre todo en suelos calizos, alcalinos, dado al poder acidificante del grupo sulfato.

Se utiliza también este compuesto para la producción de ácido nítrico, y en la producción de plásticos, pesticidas, explosivos, productos farmacéuticos, resinas, etc.

En menor proporción, se fabrican productos de limpieza. El amoníaco tiene poder desengrasante y quita manchas. Se usa diluido en agua, y se puede aplicar sobre superficies tales como tapizados, alfombras, etc. No se debe mezclar con lejía (hipoclorito de sodio), porque el amoníaco reacciona con el mismo formando cloramina, compuesto que puede ser peligroso para la salud.

Otros usos del amoníaco: como refrigerante en instalaciones de manipulación de alimentos, también en la producción de hielo, como purificador de agua, inhibidor de corrosión, etc. También es usado en la industria de celulosa, en metalúrgicas, textiles, entre otros.

Refrigeración:

Gracias a las propiedades vaporización del amoníaco, es útil como un refrigerante. Era usado comúnmente por la popularización del clorofluorocarbono. El amoníaco anhídrido es usado incansablemente en la industria de la refrigeración y para los pistas de hockey por su alta eficiencia de conversión de energía y bajo costo. No obstante, tiene la desventaja de ser tóxico, lo que le restringe su uso doméstico y a pequeña escala. Junto con su uso moderno de refrigeración por compresión de vapor, se utilizó junto con hidrógeno y agua en refrigeración de absorción. El ciclo de Kalina, depende ampliamente del rango de ebullición de la mezcla de amoníaco y agua.

Para remediación de emisión de gases:

El amoníaco es usado para depurar SO2 de combustibles calientes, y el producto resultante es convertido sulfato de amoníaco para usarse como fertilizando. El amoníaco neutraliza la contaminación de los óxidos de nitrógenos (NOx) emitidos por los motores diésel. Esta tecnología, llamada SCR (Reducción Selectiva Catalítica), se basa en un catalizador a base de vanadio

El amoníaco puede ser usado para mitigar derrames de gases de fosgeno.

Como combustible:

El amoníaco fue usado durante la Segunda guerra mundial como combustible para camiones en Bélgica, y su motor y energía solar mayor a 1900. El amoníaco líquido también fue combustible de los motores de reacción XLR99 que prenderían X-15. Aunque no es un combustible fuerte, no deja duda en el uso del motor del cohete y su densidad aproximada coincide con la densidad el oxidan, oxígeno líquido, lo cual simplificó el diseño de la aeronave.

El amoníaco se ha propuesto como una alternativa práctica al combustible fósil para la combustión de motores internos. El valor calorífico del amoníaco es 22.5 Mj/kg, que es aproximadamente la mitad del diésel. Un motor normal, en el cual el vapor del agua no se condensa, el valor calorífico el amoníaco sería menos del 21%.

El amoníaco no puede ser usado fácilmente en el ciclo de Otto por sus bajos niveles de octano. aunque con la menor de las modificaciones a los carburadores y una reducción drástica en el radio de compresión, lo cual requeriría nuevos pistones, un motor de gasolina puede funcionar exclusivamente con amoníaco, en una fracción baja de su poder antes de la conversión del consumo de combustibles más potentes.

El tanque de un automóvil puede almacenar amoníaco líquido siempre y cuando el tanque este presurizado apropiadamente, dependiendo de la temperatura. Dependiendo de las propiedades termodinámicas del amoníaco son tales que a -30 °C, la presión del tanque tendría que ser 27.5 psi, aproximadamente lo mismo que un neumático de un carro. A 30 °C tendría que ser 170 psi para mantener el amoníaco líquido. Si la presión del tanque fuera liberada, el amoníaco líquido se tornaría gaseoso y alzar la presión a ese nivel. Los compresores comunes de aire de neumáticos operan a esta presión, para que la presión del tanque no sea una barrera para el uso del combustible.

Como sea, hay otras barreras para extender su uso. En términos de suministros primos de amoníaco, las plantas tendrían que ser construidas para incrementar los niveles de producción, lo cual requeriría una inversión mayor monetaria y energética.

Aun cuando es el segundo compuesto químico más producido, la escala de producción de amoníaco es una pequeña fracción del petróleo usado en el mundo. Puede ser manufacturo de energías renovables, así como la energía nuclear. Noruega produjo amoníaco con electrólisis de agua por muchos años desde 1913, produciendo fertilizando por Europa. Si se produce del carbono, el CO2 puede ser embargado, pero la captura y almacenamiento de las plantas de carbono aun no llegan ni a la fase de prototipo.

En 1981, una compañía Canadiense convirtió un Chevrolet Impala 1981 para que funcionara con amoníaco. Desde Detroit hasta San Francisco con una sola recarga de amoníaco.

Producción a nivel NacionalComplejo Industrial Campana (Buenos Aires) En el Complejo Industrial de la localidad de Campana existen varias plantas químicas, cuyo proceso de producción comienza en las Plantas de Amoníaco. Éstas producen una de las materias primas utilizada en el resto de los procesos, las cuales poseen una capacidad de producción diaria de 370 ton.

Parte de esa materia prima es utilizada para la producción de Urea Perlada (Nitrógeno sólido al 46%), pudiendo elaborar diariamente 580 ton. El resto se destina a la obtención de Uan (Nitrógeno líquido al 32%), cuya capacidad anual es de 500 mil ton.

En Octubre de 2004, se inauguró en el predio la Planta de producción de Tiosulfato de Amonio (TSA), con una capacidad de 135 mil ton/año. Este producto es despachado en mayor medida bajo la línea SolMIX, un fertilizante líquido soluble compuesto por TSA y Uan.

Más recientemente se incorporó la fabricación de KTS (Tiosulfato de Potasio Líquido), el cual comparte prácticamente el mismo proceso que la planta de TSA.

De esta manera en el CI de Campana, se producen fertilizantes con los nutrientes antes mencionados N-P-S, y además, en un porcentaje reducido los micronutrientes Zinc y Boro, los cuales forman parte de nuevos desarrollos.

Profertil S.A. Bahía Blanca (Bs. As.)

La Planta, que se encuentra emplazada en la zona denominada "CANGREJALES", ubicada en el Puerto de Ingeniero White, de la ciudad de Bahía Blanca; cuenta con instalaciones para producir, almacenar y despachar urea granulada y amoníaco líquido, vía marítima y terrestre (camión/vagón), destinados a la exportación y el consumo interno.

El amoníaco líquido se almacena en un tanque de 30.000 m3 o 20.000 Ton de capacidad, brindando 80 días de abastecimiento durante la operación normal y 9 días cuando la planta no opera.

Cada silo de almacenamiento de urea cuenta con un sistema automático de extracción, con características similares a los que se utilizan en la industria minera.

Óxido nitroso

El N2O es también un anestésico importante y, por tanto, peligroso en altas concentraciones. El método más sencillo consiste en calentar NH4NO3 lentamente a aproximadamente 210ºC, en presencia de cristales de vidrio.

NH4NO3------>N2O+2H2O

La reacción es suprimida por la humedad y los iones cloruro (que favorecen la descomposición de N2O). Por tanto, no sirve el nitrato de amonio que se usa como fertilizante que contiene 2-5% agua y cantidades variables de iones cloruro. Por el otro lado, la obtención de este gas de NH4NO3 puro puede tomar un curso violento y a veces explosivo.

Obtención: El método, proceso o síntesis de Ostwald es un proceso químico que permite obtener ácido nítrico a partir de amoníaco, desarrollado y patentado en 1902 por el químico Wilhelm Ostwald.

Descripción del proceso:

1. Se hacen pasar vapores de amoníaco y aire previamente calentados por una malla de platino a 1000 °C. Se produce la siguiente reacción:

o 4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O 2. este gas pasa a unas torres metálicas de absorción donde se produce esta otra

reacción: o 2 NO + O2 = 2 NO2

3. este dióxido de nitrógeno con agua forma: o 3 NO2 + H2O = 2 HNO3 + NO

El óxido nítrico resultante retroalimenta el proceso en el paso 2.

Formula: N2O Óxido nitroso, Fórmula

Usos En medicina:

El óxido nitroso fue el primer gas empleado en medicina, desde hace 175 años. Es extremadamente seguro para uso medicinal por ser no inflamable y presentar las siguientes características: bajo coeficiente de solubilidad, efecto de la concentración y del segundo gas, analgesia y sedación, no se metaboliza en el organismo y posee mínimos efectos colaterales.

La principal aplicación del óxido nitroso es la anestesia general balanceada, como coadyuvante de otros agentes anestésicos inhalatorios o intravenosos. Reduce la Concentración Alveolar Mínima de los agentes volátiles potentes así como la Velocidad Mínima de Infusión de los anestésicos intravenosos, lo cual disminuye los efectos colaterales de éstos últimos – garantizando un plano anestésico-quirúrgico estable. A través de la disminución de las dosis de los agentes anestésicos volátiles e intravenosos se reduce, además, el costo de la anestesia. El óxido nitroso siempre es usado en forma gaseosa, aunque el gas es manipulado en forma líquida en cilindros de alta presión o tanques criogénicos. Se presenta envasado en cilindros metálicos que se conectan a la red de distribución de los hospitales, llegando hasta las salas de cirugía y otros lugares de consumo, donde se lo utiliza siempre en combinación con oxígeno medicinal.

Industrial:

Por su inercia química y naturaleza no tóxica, es usado en el envasado a presión de productos alimenticios y como propelente en aerosoles.

Se usa también como agente de detección de fugas en recintos bajo vacío o presurizados, en laboratorios (espectrometría), como agente de reacción en la fabricación de varios compuestos orgánicos e inorgánicos y como refrigerante en forma gaseosa o líquida, para congelación por

inmersión de productos alimenticios

Deportes

Funciona como aditivo para mejorar la combustión en motores de vehículos de carrera.