Producción de Amoniaco: Del Proceso de Reformado al Método Haber-Bosch

Proceso de Reformado de Gas Natural

1. Se utiliza el reformado de gas natural con vapor de agua para producir el H₂ necesario:

CH₄ + H₂O → CO + CO₂ + H₂

2. Mezcla con aire y eliminación de CH₄, CO y CO₂ tras el reformado:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

CO + H₂O → CO₂ + H₂

CO₂: se elimina en una torre mediante absorción:

K₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2KHCO₃

Es muy importante que no queden trazas de CO_x pues envenenan el catalizador de síntesis de NH₃, por ello se pasa la mezcla por un lecho catalítico de Ni que metaniza las posibles trazas de CO_x a CH₄.

3. Síntesis de amoniaco:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Obtención de Hidrógeno (N, P, K)

Se utiliza el reformado de gas natural con vapor de agua para producir el H₂ necesario:

CH₄ + H₂O → CO + CO₂ + H₂

Mezcla con aire y eliminación de CH₄, CO y CO₂ tras el reformado:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

CO + H₂O → CO₂ + H₂

CO₂: se elimina en una torre mediante absorción:

K₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2KHCO₃

Es muy importante que no queden trazas de CO_x pues envenenan el catalizador de síntesis de NH₃, por ello se pasa la mezcla por un lecho catalítico de Ni que metaniza las posibles trazas de CO_x a CH₄.

Por último, se lleva a cabo la síntesis de amoniaco:

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Catalizadores: Usos y Necesidades

Los catalizadores no modifican la termodinámica de una reacción, es decir, no alteran la energía inicial ni final. Sin embargo, sí modifican la energía de activación, facilitando y acelerando la reacción.

Intervienen en la reacción, modificando la velocidad, pero no son ni un reactivo ni un producto. Pueden participar en reacciones homogéneas y heterogéneas, pero son más eficientes en reacciones heterogéneas, ya que son más fáciles de separar y reutilizar.

La difusión externa e interna son procesos de transporte de materia en reacciones heterogéneas:

• Difusión interna: dentro de los poros del catalizador.
• Difusión externa: a través de los macroporos, mesoporos y microporos del catalizador. La suma de ambas fases determina la velocidad del proceso catalítico.

Catálisis Ambiental

Este proceso se utiliza para eliminar sustancias contaminantes.

Biocatalizadores

Las enzimas, que son proteínas, catalizan reacciones como la fotosíntesis y todas las reacciones bioquímicas. Se utilizan ampliamente en la industria.

(Procesos homogéneos: todos los componentes están en la misma fase. Procesos heterogéneos: los componentes están en distintas fases).

Tipos de Biocombustible, Ventajas y Desventajas (Biomasa)

Tipos de Biocombustible:

• Biodiesel
• Bioetanol

Ventajas:

• Generan empleo rural.
• No requieren grandes cambios en los motores.
• El biodiesel es biodegradable (no tiene los problemas de transporte del petróleo).
• No contiene azufre (S).

Inconvenientes:

• Cultivos energéticos: ¿destrucción de espacios naturales?
• Uso de maquinaria agrícola, fertilización, transporte de materias primas, agua de riego: ¿emisión de CO₂? ¿impacto ambiental?
• ¿NO_x?
• ¿Aumento del precio de los alimentos?
• ¿Glicerol?

Consideraciones Termodinámicas y Cinéticas de los Procesos de Reformado de Gas Natural

• El proceso de reformado de gas natural utiliza NiO como catalizador y requiere una temperatura mínima de 800 °C. Es una reacción endotérmica.
• Es crucial eliminar las trazas de CO_x, ya que envenenan el catalizador de síntesis de NH₃. Para ello, la mezcla se pasa por un lecho catalítico de Ni que metaniza las posibles trazas de CO_x a CH₄.
• El proceso de oxidación de amoniaco requiere una temperatura mínima de 727 °C y es exotérmico. Los catalizadores de PtRh son muy selectivos a NO (94-98%). Actualmente se utilizan catalizadores de 90% Pt y 10% Rh.
• En la amonoxidación del propileno se utilizan catalizadores de BiMo.
• En la amonoxidación del metano, el catalizador es una malla de Pt-10% Rh, similar a la utilizada en la producción de HNO₃.

Método de Haber-Bosch (N, P, K)

El 13 de octubre de 1908, el químico alemán Fritz Haber patentó la síntesis del amoniaco. En 1913, vendió el proceso a BASF.

• La aplicación industrial inmediata del sistema por parte de Carl Bosch permitió la independencia agrícola de Alemania durante la Primera Guerra Mundial, cuando los aliados bloquearon sus suministros de nitratos orgánicos.
• Los alemanes desarrollaron métodos de síntesis de TNT y nitroglicerina a partir del amoniaco.
• Alemania, un país aislado, pudo mantener el esfuerzo bélico durante más tiempo gracias a que el amoniaco permitía alimentar a su población y producir municiones.
• Entre 1919 y 1931, Haber y Bosch recibieron el Premio Nobel entre controversias por las implicaciones de su descubrimiento en la guerra.
• En 1933, Haber tuvo problemas debido a su ascendencia judía.

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ + 22.08 Kcal

Características de la reacción:

• Reacción en fase gaseosa.
• Catálisis heterogénea (Fe dopado con Mo, K y Al, entre otros).
• Favorecida a bajas temperaturas y altas presiones.
• Condiciones industriales: 250 atm, 500 °C.
• El NH₃ se licua y se disuelve en agua.