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Producción de Amoniaco Shahinaz Babikir - Jennifer Najle

1. Esquema de producción de amoniaco Proceso de producción de amoníaco El amoniaco se obtiene exclusivamente por el método Haber-Bosh. El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos. N2 (g) + 3 H2 (g)

2 NH3 (g) ΔHº = -46,2 kj/mol ΔSº < 0

Se trata de una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco. Además, se trata de una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador (óxido de hierro que se reduce a hierro en la atmósfera de H2) y aumentar la presión, ya que esto favorece la formación del producto. Convertir el método de Haber en un proceso de fabricación fue trabajo realizado por Carl Bosh, ingeniero químico de la BASF. En la práctica las plantas operan a una presión de 100-1000 atm, y a una temperatura de 400-600 atm. En el reactor de síntesis se utiliza α-Fe como catalizador (Fe2O3 sobre AlO3 catálisis heterogénea). A pesar de todo, la formación del amoniaco es baja con un rendimiento del 15%. Los gases de salida del reactor pasan por un condensador donde se puede licuar el NH3 separandolo así de los reactivos, los cuales pueden ser nuevamente utilizados. Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante de la velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinación a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. El catalizador funciona adsorbiendo las moléculas de N2 en la superficie del catalizador debilitando el enlace interatómico N-N; de esta forma se origina N atómico el cual reacciona con átomos de hidrogeno que provienen de la disociación de H 2 que también tiene lugar en la superficie metálica. El N2 se incorpora un reformador secundario con el aire, mientras que el H2 se obtiene a partir del gas de síntesis. La adaptación del gas de síntesis a los requerimientos del reactor de amoniaco consiste en la eliminación del monóxido de carbono y en la incorporación de nitrógeno. El procedimiento a seguir para cumplir con estos dos objetivos depende del origen del gas de síntesis. Hemos de tener en cuenta que el amoniaco puede obtenerse mediante dos procesos, el proceso de reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos ligeros, o el proceso de oxidación parcial del fueloil o carbón. En este trabajo solo expondremos las características 2

del primero de ellos, así pues, si el gas de síntesis se ha obtenido a través del proceso de reformado con vapor de hidrocarburos, la secuencia de procesos es la siguiente.

Método de reformado con vapor: Este método es el más usado para la producción de amoniaco. Se parte del gas natural formado por una mezcla de hidrocarburos donde el 90% es metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3. A continuación presentamos un diagrama que representa este proceso. Posteriormente explicaremos lo que sucede en cada unidad de proceso.

Figura 1: Diagrama de bloques- Producción del Amoniaco a partir de Gas de síntesis.

A continuación exponemos los procesos previos a la síntesis de amoniaco, estos son la producción de un gas de síntesis adecuado.

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Obtención del Gas de Síntesis:  Desulfuración

Primero hay que eliminar el S que contiene el gas natural, ya que la empresa distribuidora le añade compuestos orgánicos de S para olorizarlo. 𝑅 − 𝑆𝐻 + 𝐻2

𝐶𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝐶𝑜−𝑀𝑜

𝑅𝐻 + 𝐻2 𝑆

𝐻2 𝑆 + 𝑍𝑛𝑂 → 𝐻2 𝑂 + 𝑍𝑛𝑆

Hidrogenación Adsorción

 Reformado Después de haber conformado 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, se lleva a cabo en dos etapas: -

Reformador primario Tanto el gas como el vapor se pasan por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes: 𝐶𝐻4 + 𝐻2 𝑂 ⇄ 𝐶𝑂 + 3𝐻2 𝐶𝐻4 + 2𝐻2 𝑂 ⇄ 𝐶𝑂2 + 4𝐻2

∆𝐻 = 206 𝐾𝑗/𝑚𝑜𝑙 ∆𝐻 = 166 𝐾𝑗/𝑚𝑜𝑙

Estas reacciones son endotérmicas. Y se llevan a cabo a 800ºC, están catalizadas por óxido de niquel (NiO), así se favorece la formación de H2. -

Reformador secundario El gas que sale del reformador primario se mezcla con una corriente de aire en este 2º equipo, así se aporta el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 ⇄ 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂

∆𝐻 =