Síntesis de amoníaco

UNIVERSIDAD DE CARABOBO[pic 1][pic 2]

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

CÁTEDRA DE PROCESOS QUÍMICOS

SÍNTESIS DE AMONIACO

Profesor:

Jiménez, Milagros

Valencia, agosto del 2022

INTRODUCCIÓN

La producción de amoníaco es uno de los procesos químicos más importantes a nivel mundial, su gran impacto al desarrollo agrícola de las naciones es su principal aporte. Conocido como un gas incoloro y un olor particularmente repulsivo al olfato de los seres humanos. Su producción natural ocurre en el ambiente, cuerpo humano, el aire, el suelo, plantas y animales, debido a que su producción depende de dos compuestos presentes en todos estos sistemas, como lo son el hidrógeno y el nitrógeno, ambos gases se encuentran en el aire que respiramos, el nitrógeno en mayor abundancia que el hidrógeno, pero al cabo de una serie de reacciones químicas se pueden concentrar en los diversos sistemas para formar el amoníaco. La velocidad de reacción no es favorable ante la necesidad del amoníaco en el desarrollo de la sociedad por lo que se efectúan una serie de tratamientos químicos y manipulaciones de las condiciones de operaciones.

Por esta razón, el presente trabajo dará una perspectiva detallada de cada etapa en la síntesis del amoníaco. Desde sus tratamientos previos para adecuar la materia prima, por ejemplo, la eliminación de los compuestos azufrados y la absorción del dióxido de carbono, hasta llegar a la reacción en presencia de un catalizador de hierro y condiciones de operación que favorecen la cinética de la reacción.

En la industria química se distinguen varios procesos para su obtención, aquí se describirá el proceso de Haber-Bosch, el cual es un método que permite la síntesis industrial de amoniaco a gran escala, utilizando como reactivos nitrógeno en presencia de un catalizador heterogéneo a base de Hierro. Históricamente el mayor problema en relación con la síntesis del amoniaco es la dificultad en romper el triple enlace que mantiene unidos los dos átomos de nitrógeno para formar la molécula (). Las temperaturas elevadas que serían necesarias para hacer posible tal división, no favorecen termodinámicamente a la reacción de síntesis. El descubrimiento y el posterior perfeccionamiento del sistema catalítico utilizado por Fritz Haber y Carl Bosch ha permitido poder utilizar las temperaturas de ejercicio muy inferiores.[pic 3]

DESCRIPCION DEL TEMA

El amoníaco es un componente vital en el desarrollo de la sociedad mundial, debido al gran aporte que tiene como materia prima para producir productos con un gran valor, por esta razón, la síntesis del amoniaco es un proceso químico sumamente importante, debido a que se utiliza en la fabricación de ácido nítrico, la urea, y los fosfatos de amonio; específicamente los usos son 80% fertilizantes, 15 % en plásticos y fibras y 5 % en explosivos comerciales y militares. Los grados comerciales incluyen  líquido esencialmente puro y amoniaco acuoso, estandarizado por lo general al 28% en  . [pic 4][pic 5]

De igual manera, el amoniaco también se utiliza en medidas de protección para el medio ambiente, por ejemplo, en la eliminación del  de los gases de combustión, dicha característica es vital para la industria en general. El amoniaco líquido es un disolvente destacado y también se utiliza como refrigerante. De hecho, en estado líquido es útil como disolvente para alcoholes, amina, sales de amonio, amidas y cianuros.[pic 6]

Para hablar del proceso de producción de amoniaco, es importante mencionar a dos químicos alemanes importantes en su desarrollo, ellos fueron Fritz Haber y Carl Bosch, los cuales encontraron como producir   , lo cual los confirió como ganadores de un premio nobel en el año 1931,  el proceso consiste en una reformación del gas natural seco con vapor de agua y aire, de donde se deriva monóxido de carbono (CO), hidrógeno molecular () y nitrógeno molecular (), seguidamente se realiza una conversión catalítica con óxido de hierro y algo de óxido de cromo, formándose de esta manera el dióxido de carbono (), el cual es eliminado en una torre de absorción con agua a una presión de 25 atm, luego pasa a un proceso de metanización que consiste en una hidrogenación catalítica para convertir el monóxido y dióxido de carbono en metano y la corriente gaseosa final se comprime y se introduce a un reactor catalítico, reaccionando en contacto con un catalizador de hierro elemental. La reacción catalítica entre el nitrógeno e hidrógeno se expresa de la siguiente manera: [pic 7][pic 8][pic 9][pic 10]

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Su producción se ve favorecida por las bajas temperaturas por el empleo de bajas temperaturas y elevadas presiones, pero, por otra parte, la velocidad de la reacción aumenta con la temperatura, siendo demasiado pequeña por debajo de 400 °C, por lo que resulta necesario operar por encima de dicha temperatura.

En la industria agrícola se emplea para la fabricación de abonos y en este sentido es un fertilizante que ha revolucionado la producción agrícola a nivel mundial. En el hogar es una sustancia habitual para la limpieza y otras aplicaciones están en la elaboración de tintes y materiales de nylon, algunos deportistas usan inhaladores de amoniaco para mejorar la concentración y la fuerza muscular.

MATERIA PRIMA REQUERIDA

En la síntesis del amoniaco existen una gran variedad de insumos dentro del proceso, en los cuales podemos encontrar el gas natural y el aire como las materias primas principales y unos reactivos secundarios, pero sumamente importantes como los catalizadores y servicios tanto de compresión como de calentamiento/reacción.

Gas Natural

El gas natural es un gas combustible que se encuentra en la naturaleza en reservas subterráneas en rocas porosas. Consiste en una mezcla de hidrocarburos simples compuesta principalmente de metano () y otros hidrocarburos más pesados; además también puede contener trazas de nitrógeno, bióxido de carbono, ácido sulfhídrico y agua. Dependiendo de su origen se clasifican en:[pic 12]

• Gas asociado: Es el que se extrae junto con el petróleo crudo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos como etano, propano, butano y naftas.
• Gas no asociado: Es el que se encuentra en depósitos que no contienen petróleo crudo.

Aire

Se denomina aire a la mezcla de gases que constituyen la atmósfera terrestre, que permanecen alrededor de la tierra por la acción de la gravedad, esenciales para la vida en el planeta, está compuesto en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el nitrógeno (78%), oxigeno (21%) y otras sustancias como ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como el criptón o el argón (todos los porcentajes en base molar).

En pocas palabras, el gas natural es el encargado de suministrar el hidrógeno molecular () y el aire el encargado del nitrógeno molecular ().[pic 13][pic 14]

Además, en el proceso podemos considerar como entradas relevantes al vapor de agua y al óxido de zinc (ZnO) y como salidas relevantes al sulfuro de hidrogeno (), condensados de dióxido de carbono y el gas de purga.[pic 15]

EQUIPOS INVOLUCRADOS EN EL PROCESO

Hidrodesulfurador (HDS): Esta etapa se divide en tres secciones:

• Sección de los reactores o sección de reacción.
• Sección de gas de reciclo.
• Sección de recuperación del producto.

En la sección de reacción se lleva a cabo la conversión del azufre contenido en la carga a sulfuro de hidrógeno, mediante el uso de un reactor de lecho fijo, donde el contenido de azufre, nitrógeno y oxígeno son convertidos en  y agua, sobre el catalizador (). En la sección del gas de reciclo se utiliza un purificar para purificar el hidrógeno, que puede o no ser cambiado con la alimentación fresca para servir de exceso en el reactor, dependiendo de la severidad del proceso.[pic 16][pic 17]

En la sección de despojamiento se utilizan separadores instantáneos, que separan la mezcla en productos gaseosos y líquidos, y de ser necesario, se emplea una torre de fraccionamiento del producto.

Reformador primario y secundario:  La reformación con vapor se refiere a la conversión catalítica de hidrocarburos ligeros en presencia de vapor. La reacción tiene lugar en un catalizador de óxido de níquel empacado en tubos dentro de un horno tubular Reformador Primario). Alineado a éste se encuentra un reactor de cámara llamado Reformador Secundario, en donde es alimentado aire frío para introducir el nitrógeno al proceso.

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