1.- INTRODUCCION El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula está compuesta por un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) y cuya fórmula química es NH3.
El nombre de amoníaco deriva del nombre dado a una divinidad egipcia: Amón. Los egipcios preparaban un compuesto, cloruro amónico, a partir de la orina de los animales en un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevo a Europa mantuvo ese nombre en recuerdo de la sal de Amón.
2.-PROPIEDADES 2.1.-PROPIEDADES FÍSICAS PF= -77.8ºC PE=-33.4ºC Constante dieléctrica=22 dieléctrica=22 Temperatura crítica=132.5ºC Calor de vaporización va porización en el Pf=23.3KJ/mol
2.2.-PROPIEDADES QUÍMICAS En las reacciones químicas, el NH 3 puede actuar como base o bien como un reductor.
Comportamiento básico =se debe al par de electrones no enlazantes de su molécula, capaz de unirse a un protón por un enlace covalente coordinado.
NH3 + H2O
NH4+ + OH-
Kb=1.8x10-5
El valor de Kb indica que es una base débil, por lo que se utiliza en muchas reacciones como fuente moderada de iones OH -.
Reacciones en NH3 liquido = la transferencia de H + puede tener lugar desde una molécula a otra del propio NH 3. Así en NH 3 líquido existe la autoionizacion:
NH3 + NH3
NH4+ + NH2-
K=10-30
Tª=-33ºC
En NH3 liquido como disolvente, el ión amonio NH4+, es el ácido análogo al H 3O+, en disoluciones acuosas y el ión amiduro, NH 2-, es la base, análoga al OH - acuoso. Asimismo, los hidróxidos alcalinos (bases muy fuertes en H 2O) tienen sus análogos amoniacales en amiduros alcalinos (bases muy fuertes en NH 3), que se pueden obtener de forma similar por ejemplo:
Na + NH3
Na+NH2- +1/2H2
Es más favorable termodinámicamente la primera, pero con un catalizador de Pt (800ºC) se cataliza selectivamente la segunda reacción que es prácticamente la única que tiene lugar.
3.- USOS DEL NH3 El amoniaco, es uno de los productos intermedios más importantes de la industria Química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación defertilizantes, como: Nitrato amónico: NH4NO3 Sales amónicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O Otros usos incluyen: Fabricación de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico (por su elevado poder de vaporización). Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.
4.- HISTORIA DEL COMPUESTO. En 1784 Berthollet descubrió que el amoniaco estaba formado por nitrógeno e
5.-
SINTESIS INDUSTRIAL
El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos N2 (g) + 3 H2 (g)
2 NH3 (g) Hº = -46,2 kj/mol Sº < 0
Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco 25 ºC K = 6,8.105 atm. 450 ºC K = 7,8.10-2 atm. Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH 3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N 2. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador (óxido de hierro que se reduce a hierro en la atmósfera de H 2) 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. 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 -Fe como catalizador (Fe 2O3 sobre AlO catálisis heterogénea). A pesar de todo, la formación de NH es baja con un
relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco. (Ver Figura 2 ). El 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de reformado con vapor. (Ver Figura 3 ). 5.1.-PRODUCCIÓN 5.1.1.-Producción
DEL GAS DE SÍNTESIS POR REFORMADO CON VAPOR. de los gases reaccionantes
El proceso en que se basa la siguiente explicación está esquematizado en la ( figura 4). Dos son los gases reaccionantes que se obtienen por separado: el llamado gas generador, una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno, y el llamado gas de agua, mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno. Ambos gases se obtienen en un mismo generador haciendo pasar, en primer lugar, aire sobre coque al rojo, con lo que el oxígeno del aire se consume con producción de CO:
4N2 + O2 + 2C
2CO + 4N2
(gas generador)
Cuando el coque está al rojo blanco se corta la entrada de aire y se hace pasar vapor
gas generador y el gas de agua son necesarios en la fase 2 del proceso, son mezclados en las proporciones adecuadas con la bomba mezcladora. 5.1.2.-
Conversión del monóxido de carbono
El monóxido de carbono contenido en el gas generador y en el gas de síntesis debe ser eliminado previa conversión de éste en dióxido de carbono. Pero el CO no es la única impureza que debe tratarse ya que también acompañan gases sulfurados (especialmente H2S) procedentes del carbón así como CO 2 procedente del propio aire y de la combustión del carbón. Todos estos gases acompañantes pueden envenenar el catalizador y deben ser separados. Así, en primer lugar la mezcla de gas generador y gas de agua, también llamada gas bruto, pasa a una torre de absorción donde son tratados en frío con disoluciones de ácidos orgánicos en hidróxido sódico o potásico que absorben el ácido sulfhídrico:
R-COOK + H2S
R-COOH + KHS
El gas bruto entra por la parte inferior de la torre de absorción de azufre, saliendo por la superior el gas purificado. El residuo de esta torre, una disolución que contiene ácido libre y sulfuro ácido de potasio, se extrae por debajo de la torre y se lleva a un calentador donde se desprende H2S, regenerándose la disolución. El gas purificado de azufre debe ser ahora calentado a unos 500 ºC para proceder a la conversión del CO en CO 2. Esta conversión es una reacción que desprende calor que
5.1.3.-Absorción
del monóxido y dióxido de carbono
En esta fase se ha de eliminar el CO 2 y el CO que forman parte del gas de contacto obteniendo así una mezcla que contiene sólo H 2 y N2, llamada entonces gas de síntesis. La eliminación del CO 2 se basa en su solubilidad en agua que aumenta mucho al crecer la presión. Esta circunstancia no concurre con los otros gases (H 2, N2 y CO) que forman el gas de contacto por lo que se puede separar aquél de éstos. Para ello, el gas de contacto procedente de la fase anterior, almacenado en el gasómetro, se comprime a 25 atm con el compresor y luego se lava con agua en la torre de absorción de CO2. El agua con el CO2 disuelto sale por la parte inferior de la torre, mientras que los demás gases salen por la parte superior de la misma. Después de este lavado a presión el gas está compuesto por un 24 % de N 2, 69 % de H 2, 4¶6 % de CO, 1¶7 % de CO 2 y 0¶7 % de CH4. La eliminación de los restos de CO tiene lugar por la absorción de este gas a alta presión en una disolución acuosa de cloruro de cobre (I) o en una disolución amoniacal de formiato de cobre (I). Estas disoluciones tienen la propiedad de absorber cuantitativamente el cobre, lo cual tiene lugar en el absolvedor a una presión de 200 atm. Antes de la entrada del gas en dicho absolvedor se ha de elevar, como se ha dicho, la presión de éste a 200 atm: esta es la función del compresor. El líquido residual de la absorción, saturado de CO, es reciclable mediante una descompresión hasta la presión atmosférica en; el CO se desprende a la atmósfera y la disolución de cobre es
es introducido un horno previo lleno del mismo catalizador que el que se utilizará durante la síntesis del amoniaco: un fundido solidificado de hierro elemental, principalmente, con pequeñas cantidades de Al 2O3, K2O y CaO. Los compuestos de azufre son retenidos por el hierro en forma de sulfuro de hierro y los restos de CO se hidrogenan en el contacto a CH4 y H 2O. Esta purificación tiene lugar a 200 ºC y en ella no tiene lugar la formación de amoniaco. El gas de síntesis purificado está listo para entrar en el horno de síntesis permitiendo que el catalizador tenga larga vida. Trabajar con hidrógeno a alta presión es determinante en la construcción del horno de síntesis. El hidrógeno a alta presión es capaz de eliminar el carbono, que forma parte del acero, con formación de hidrocarburos. Con esto el acero pierde su dureza y resistencia y después de un cierto tiempo de funcionamiento el horno puede rajarse o explotar. Por otra parte el hierro a alta temperatura es permeable al hidrógeno, permeabilidad que se ve incrementada por las altas presión. Para salvar estas dificultades se construye el horno con hierro dulce pobre en carbono. Este apenas tiene resistencia a la presión y tampoco puede evitar que el hidrógeno difunda a su través, pero estas dificultades pueden salvarse si se reviste este tubo con un segundo tubo de acero al cromo-níquel resistente a la presión y se procura simultáneamente que el hidrógeno que se difunda a través del primero se pueda eliminar del espacio entre ambos tubos con facilidad y a baja presión. Para la síntesis del amoniaco, el horno debe calentarse a unos 400-500 ºC. Entonces comienza la reacción de formación de amoniaco que transcurre exotérmicamente. Esta circunstancia obliga a eliminar por refrigeración el calor que se desprende ya que el exceso de calor retrograda la reacción. El gas que sale del horno contiene de un 8 a un
de participación de diferentes materias primas para la obtención del hidrógeno necesario en la síntesis del amoniaco. 1954
Materia prima
1960
%
1981
%
Materia prima
Carbón-gas de agua
53 Gas natural
Gas natural
18 Refinerías (1)
Electrólisis de agua 13 Procesos químicos
(2)
Materia prima
%
77 Gas natural
70¶7
8 Naftas
9¶2
11 Gas de coquerías
7¶5
Gas de coquerías
10
Fuel-oil
6¶5
Otros
6
Carbón-gas de agua
1¶9
Otros
4¶2
(1) Conversión de subproductos. (2) Deshidrogenación de hidrocarburos, electrólisis cloro-álcali, etc. Como vemos, entre 1954 y 1960 se produjo un cambio que llevó al gas natural como principal fuente de hidrógeno, manteniéndose dicha fuente a partir de entonces. La fuente principal de hidrógeno en el método clásico de Haber-Bosch queda muy en desuso en la segunda mitad del siglo XX.
CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFIA
Síntesis de amoniaco usando el método de Haber-Bosch (Figura 1)
Esquema de síntesis de amoníaco usando el método de Haber-Bosch La mezcla de Nitrógeno e Hidrógeno entra por el punto 13 y fluye por los lechos de catalizador (1-6), el amoníaco sale por el punto 16. La circulación indicada por las flechas a través de las tuberías (7-12, 14, 15 y 17) es realizada para eliminar el calor que se produce en la reacción exotérmica
2N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g) H= -92.2 KJ
Figura 2
Figura 3.- Diagrama de Obtención del Amoniaco por el Método Reformado con Vapor
Figura 4
Figura 4
Figura 5
Figura 6.
Figura 6
Figura 7
Figura 8
