Informe Amoniaco 6c5o1n
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“AÑO DE LA INTEGRACION NACIONAL Y EL RECONOCIMIENTO DE NUESTRA DIVERSIDAD”
Universidad Nacional del Centro del Perú Facultad de Ingeniería Química
Departamento Académico de Química, Ingeniería y Tecnología
FABRICACION DEL AMONIACO
INDUSTRIAS QUIMICAS - 073-B
Presentado a : Dr. Sc Abraham A. Palacios Velásquez Presentado por: BALDEÓN TIMOTEO Nataly Fiorella Semestre
:
VII
Fecha de presentación:
13-04-12
HUANCAYO-PERÚ 2012
FABRICACION DEL AMONIACO
INDUSTRIAS QUIMICAS
RESUMEN En el presente informe se describirá acerca del amoniaco, un importante compuesto químico que se encuentra en el medio ambiente, ya sea en las plantas, animales, el agua y el ser humano, se estudiará la producción de este compuesto a nivel industrial, y también conoceremos acerca de su impacto ambiental, pues como sabemos todo producto en exceso es dañino. El amoníaco, es también llamado, trihidruro de nitrógeno, hidruro de nitrógeno (III), azano, espíritu de Hartshorn, nitro-sil, vaporole, gas de amonio o AM-FOL es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula 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. Propiedades físico-químicas del amoníaco
Gas incoloro en condiciones normales Temperatura de solidificación –77,7ºC Temperatura normal de ebullición –33,4ºC Calor latente de vaporización a 0ºC 302 kcal/kg Presión de vapor a 0ºC 4,1 atm. Temperatura crítica 132,4ºC Presión crítica 113atm. Densidad del gas (0ºC y 1atm.) 0,7714 g/l
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FABRICACION DEL AMONIACO
INDUSTRIAS QUIMICAS
INTRODUCCION El amoníaco es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. Es uno de los productos intermedios más importantes de la industria química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como:
Nitrato amónico: NH4NO3 Sales amónicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O
Otros usos del amoníaco incluyen:
Fabricación de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.
Por lo tanto su costo energético influye de manera importante en los otros sectores de la industria química.
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FABRICACION DEL AMONIACO
INDUSTRIAS QUIMICAS
FABRICACION DEL AMONIACO OBJETIVOS Objetivo general
Estudiar el proceso de fabricación del amoniaco
Objetivos específicos
Conocer el aspecto físico del amoniaco Estudiar la síntesis de Haber-Bosch Reconocer los procesos de elaboración del amoniaco Conocer las diversas materias primas que pueden ser usadas
MARCO TEORICO AMONIACO A temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. [1] La mayor parte (más del 80%) del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas. Su nombre fue dado por el químico sueco Torbern Bergman al gas obtenido en los depósitos de sal cerca del templo de Amón, en Libia y viene del griego, ammōniakón, que significa lo perteneciente a Amón. [2] HISTORIA Y ESTADO NATURAL El amoniaco era conocido por los antiguos alquimistas, que describieron su obtención y sus propiedades. Primeramente se obtuvo calentando orina con sal común y tratando el producto resultante con álcalis. El gas así obtenido se denominó espíritu volátil. El cloruro amónico se importó
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por primera vez en Europa desde Egipto, donde se preparaba a partir del sublimado que se formaba al quemar los excrementos de los camellos. Se cree que los antiguos sacerdotes egipcios conocían ésta sustancia, pues el nombre de sal amoniaco parece tener alguna relación con el dios egipcio Ra Ammon. Calentando en retornas algunas sustancias orgánicas, tales como pezuñas o cuernos de animales, desprendían amoniaco, y su disolución acuosa fue conocida primitivamente por espíritu de asta de ciervo; PRIESTLEY lo llamó aire alcalino. BERTHOLLET, en 1785, demostró que el amoniaco es un compuesto de hidrógeno y nitrógeno. El amoniaco se produce en la Naturaleza por la acción de bacterias de la putrefacción y de formación de amoniaco sobre la materia orgánica del suelo. Por éste motivo se percibe olor a amoniaco en establos y corrales, donde ésta acción tiene lugar. [3] SÍNTESIS INDUSTRIAL – SINTESIS DE HABER-BOSCH El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosch (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos.
………. (1) Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco:
…….. (2) Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador 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 Bosch. 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. Se producen una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3. 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 H2 que también tiene lugar en la superficie metálica. Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones más importantes están
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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 (figura 1). La fabricación de amoníaco constituye uno de los ejemplos de la industria química pesada. [4] MATERIAS PRIMAS 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 1). [4]
Figura 1: materias primas Las previsiones son que el gas natural siga siendo la materia prima principal durante por lo menos los próximos 50 años. [5] Tabla 1: comparación entre materias primas
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PROCESO PRODUCTIVO DEL AMONIACO Actualmente la obtención del gas de síntesis se puede hacer a partir de cualquier materia prima que contenga carbono: hulla, coque, lignitos de cualquier riqueza, naftas, fuel-oíl, fracciones pesadas del petróleo, gas natural, etc. La selección de la materia prima dependerá en cada caso de la economía, disponibilidad y situación geográfica de la planta. Hay esencialmente dos procedimientos para la obtención del gas de síntesis: Reformado por vapor, siendo la materia prima utilizada gas natural, naftas ligeras o pesadas, que contengan hasta 1.000 p.p.m. de azufre. Oxidación parcial, tratamiento más enérgico que el anterior. Se puede emplear como materia prima fracciones pesadas del petróleo o carbón. Es necesaria una planta de fraccionamiento de aire. Existen también otros procedimientos menos empleados por ser solamente rentables en ciertos casos aislados, como son la obtención del hidrógeno por electrólisis y el aprovechamiento del gas de coquería. [5] 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. [5]
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1. PRODUCCIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS 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
El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes
Reacción fuertemente endotérmica Estas reacciones se llevan a cabo a 800ºC y están catalizadas por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de H2.
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 estequiométrica N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O ΔH<< 0
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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. 2. PURIFICACIÓN DEL GAS DE SINTESIS 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 CO 2 por reacción con vapor de agua,
Reacción exotérmica que requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reacción se lleva a cabo en dos pasos, a) Aproximadamente a 400ºC con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador. En esta primera etapa, se desprende una considerable cantidad de calor que eleva la temperatura de los gases impidiendo una conversión elevada (75% de la conversión). Por ello, los gases convertidos se llevan a una caldera de recuperación de calor donde se enfrían y pasan a una segunda etapa. b) Aproximadamente a 225ºC con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO, prácticamente la conversión completa.
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 K2CO3 + CO2 + H2O
2KHCO3
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).
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Etapa de metanización.
También hay que eliminar el monóxido de carbono residual que es peligroso para el catalizador del reactor de síntesis. Desde el punto de vista energético, el proceso más interesante es la metanización catalítica, que no sólo elimina el CO, sino también el CO2 y el O2 residual. Las reacciones son fuertemente exotérmicas:
Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC). 3. 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. N2 (g) + 3 H2 (g)
2 NH3 (g)
En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 1415%. 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
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Figura 2: 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. PRODUCCIÓN DE AMONIACO POR BIOTECNOLOGÍA El amoníaco, es la materia prima para la fabricación de muchos productos químicos, y es en sí mismo un producto final altamente demandado. El químico alemán Fritz Haber ideó un proceso mediante el cual se hace reaccionar nitrógeno con hidrógeno en fase gaseosa, en presencia de catalizadores, a elevadas presiones y temperaturas (y por tanto, gran consumo de energía), que revolucionó en su día la industria química. Existen unas bacterias, las bacterias fijadoras de nitrógeno, que resuelven este mismo problema a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente: las bacterias contienen enzimas, que son catalizadores extraordinariamente eficientes. Si se consiguiera utilizar estas enzimas de la fijación de nitrógeno en un sentido biotecnológico, podríamos tener un considerable ahorro energético. Esta tecnología está aún en fase de desarrollo, por lo que aún no es de directa aplicación a las industrias del sector, pero el potencial de ahorro energético rondaría las 31.000 tep (toneladas equivalentes de petróleo). En este ahorro se tiene en cuenta la energía que no habría que consumir para la activación de los reactivos, más el gas natural que dejaría de consumirse en la elaboración del amoníaco, por ser el propio gas natural un reactivo en su fabricación. Es por este motivo que el potencial de ahorro es tan elevado. Si únicamente se contabilizara el ahorro debido a un menor consumo energético, y no al ahorro por menor consumo de gas natural, entonces el ahorro potencial disminuiría. El ahorro de energía eléctrica es pequeño en comparación con el ahorro en combustibles.
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EFECTOS NOCIVOS EN EL ORGANISMO
Por inhalación a concentraciones elevadas se produce irritación de garganta, inflamación pulmonar, daño en vías respiratorias, y ojos. A medida que aumenta la concentración puede llegar a producir edema pulmonar, o producir la muerte cuando supera las 5000 ppm. El amoníaco gaseoso puede producir irritación de la piel, sobre todo si la piel se encuentra húmeda. Se puede llegar a producir quemaduras y ampollas en la piel al cabo de unos pocos segundos de exposición con concentraciones atmosféricas superiores a 300 ppm. Este compuesto es gaseoso en condiciones atmosféricas normales siendo poco probable su ingestión. Sin embargo; de ocurrir ésta, puede causar destrucción de la mucosa gástrica, provocando severas patologías digestivas; pudiendo causar inclusive la muerte.
MANEJO DEL PRODUCTO
Límite inflamable inferior: 19% en volumen. Límite inflamable superior: 25% en volumen. Temperatura de auto ignición: 651 °C. Extinción del fuego: riego de agua o niebla de agua, dióxido de carbono, espuma de alcohol, productos químicos secos. Medidas de control: protección respiratoria adecuada como máscaras o equipos de respiración asistida. Procedimientos de trabajo seguro. Fuentes para el lavado de los ojos y duchas de seguridad en el lugar de trabajo. Manipular con guantes. No ingerir.
USOS DEL AMONIACO La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como
nitrato amónico: NH4NO3 sales amónicas: (NH4)2SO4 , (NH4)3PO4 urea: (NH2)2C=O
Otros usos del amoníaco incluyen:
Fabricación de HNO3. Explosivos y otros usos. Caprolactama, nylon Poliuretanos Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.
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ASPECTOS AMBIENTALES DE LA PRODUCCIÓN DE AMONIACO La fabricación de amoníaco de amoníaco es un proceso muy limpio no existen vertidos líquidos. Es un proceso que consume mucha energía, por lo que, es necesario máxima recuperación y el eficiente empleo del calor liberado La mejor vía para la reducción de las emisiones, vertidos y residuos en general en la industria es su prevención en origen. La aplicación de técnicas de prevención de la contaminación mejora la eficiencia de los procesos e incrementa los beneficios a la vez que minimiza el impacto ambiental de la actividad. La minimización en origen puede hacerse de varias formas, ya sea reduciendo las entradas de materias primas y auxiliares, rediseñando el proceso, reutilizando productos secundarios, mejorando la gestión, reutilizando recursos como el agua, incrementando la eficiencia energética, substituyendo productos tóxicos y peligrosos por otros más benignos, etc. El uso de técnicas de prevención de la contaminación tiene muchas ventajas respecto a las soluciones a final de línea, es decir, la aplicación de las tecnologías de tratamiento final. En la siguiente lista se enumeran una serie de beneficios, directos e indirectos, de la prevención: [6] BENEFICIOS DIRECTOS:
Reducción de los costos de tratamiento interno y de gestión externa de corrientes residuales.
Reducción de los costos de producción debido a la mejora en el rendimiento y eficiencia del proceso.
Ahorro debido a la reutilización de productos y recursos.
Reducción de los costos derivados del incumplimiento de límites legales de emisión.
Reducción de emisiones secundarias, por ejemplo en las instalaciones de tratamiento.
Penetrar en mercados exigentes en producción ambientalmente limpia, vetados hasta el momento.
Minimización del impacto ambiental.
Aportación de un componente pedagógico importante que ejerce un efecto substancial en la concienciación de los trabajadores.
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Aumento de la seguridad en la planta en relación con la protección medioambiental.
BENEFICIOS INDIRECTOS: Reducir la probabilidad de futuros costos relacionados con:
Reparación
Responsabilidades legales.
Cumplimiento de regulaciones futuras.
Mejorar la relación y la imagen respecto a la comunidad (vecinos, etc.).
Mejora del ambiente laboral al existir una mayor comunicación interna y formación ambiental.
Reducir costos sociales.
Mejora de la salud pública.
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CONCLUSIONES
El proceso de fabricación del amoniaco no necesita de altas temperatura y de reacciones complicadas, sin embargo utiliza gran energía para su elaboración. La síntesis de Haber-Bosch es utilizada hasta hoy en día, lo que se varia es la elaboración del gas de síntesis. La elaboración del amoniaco no es un gran contaminante, porque las plantas se encargan de degradarlo, sin embargo no se debe eliminar en grandes cantidades, ya que todo en exceso es dañino.
BIBLIOGRAFIA 1. «ammoniac definition» (en inglés). Consultado el 26 de junio de 2009. «ammōniakón (neut. of ammōniakós of Ammon; see -i-, -ac ), applied to a salt and a gum resin prepared near the Shrine of Ammon in Libya». 2. «ammonia» (en inglés). Consultado el 27 de junio de 2009. «In 1782 the term ‘ammonia’ was coined for this colourless, pungent gas by the Swedish chemist, Torbern Bergman.». 3. Apuntes de Química Mineral Vol. 1 Autores J. Badenas, A. Dols 4. http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n030310B/0310B_QT02.pdf 5. Proceso de Producción de Amoniaco. Método de Reformado de Vapor.Disponible en Internet: http://www.textos cienticicos.com. 6. Alternativas de Prevención de la Contaminación en el Sector de la Química en Discontinuo. Centro de Actividad Regional para la Producción Limpia (CAR/PL). Plan de Acción para el Mediterráneo. España 2006.
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RESUMEN En el presente informe se describirá acerca del amoniaco, un importante compuesto químico que se encuentra en el medio ambiente, ya sea en las plantas, animales, el agua y el ser humano, se estudiará la producción de este compuesto a nivel industrial, y también conoceremos acerca de su impacto ambiental, pues como sabemos todo producto en exceso es dañino. El amoníaco, es también llamado, trihidruro de nitrógeno, hidruro de nitrógeno (III), azano, espíritu de Hartshorn, nitro-sil, vaporole, gas de amonio o AM-FOL es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula 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. Propiedades físico-químicas del amoníaco
Gas incoloro en condiciones normales Temperatura de solidificación –77,7ºC Temperatura normal de ebullición –33,4ºC Calor latente de vaporización a 0ºC 302 kcal/kg Presión de vapor a 0ºC 4,1 atm. Temperatura crítica 132,4ºC Presión crítica 113atm. Densidad del gas (0ºC y 1atm.) 0,7714 g/l
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INTRODUCCION El amoníaco es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. Es uno de los productos intermedios más importantes de la industria química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como:
Nitrato amónico: NH4NO3 Sales amónicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O
Otros usos del amoníaco incluyen:
Fabricación de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.
Por lo tanto su costo energético influye de manera importante en los otros sectores de la industria química.
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FABRICACION DEL AMONIACO OBJETIVOS Objetivo general
Estudiar el proceso de fabricación del amoniaco
Objetivos específicos
Conocer el aspecto físico del amoniaco Estudiar la síntesis de Haber-Bosch Reconocer los procesos de elaboración del amoniaco Conocer las diversas materias primas que pueden ser usadas
MARCO TEORICO AMONIACO A temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. [1] La mayor parte (más del 80%) del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas. Su nombre fue dado por el químico sueco Torbern Bergman al gas obtenido en los depósitos de sal cerca del templo de Amón, en Libia y viene del griego, ammōniakón, que significa lo perteneciente a Amón. [2] HISTORIA Y ESTADO NATURAL El amoniaco era conocido por los antiguos alquimistas, que describieron su obtención y sus propiedades. Primeramente se obtuvo calentando orina con sal común y tratando el producto resultante con álcalis. El gas así obtenido se denominó espíritu volátil. El cloruro amónico se importó
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por primera vez en Europa desde Egipto, donde se preparaba a partir del sublimado que se formaba al quemar los excrementos de los camellos. Se cree que los antiguos sacerdotes egipcios conocían ésta sustancia, pues el nombre de sal amoniaco parece tener alguna relación con el dios egipcio Ra Ammon. Calentando en retornas algunas sustancias orgánicas, tales como pezuñas o cuernos de animales, desprendían amoniaco, y su disolución acuosa fue conocida primitivamente por espíritu de asta de ciervo; PRIESTLEY lo llamó aire alcalino. BERTHOLLET, en 1785, demostró que el amoniaco es un compuesto de hidrógeno y nitrógeno. El amoniaco se produce en la Naturaleza por la acción de bacterias de la putrefacción y de formación de amoniaco sobre la materia orgánica del suelo. Por éste motivo se percibe olor a amoniaco en establos y corrales, donde ésta acción tiene lugar. [3] SÍNTESIS INDUSTRIAL – SINTESIS DE HABER-BOSCH El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosch (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos.
………. (1) Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco:
…….. (2) Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador 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 Bosch. 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. Se producen una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3. 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 H2 que también tiene lugar en la superficie metálica. Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones más importantes están
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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 (figura 1). La fabricación de amoníaco constituye uno de los ejemplos de la industria química pesada. [4] MATERIAS PRIMAS 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 1). [4]
Figura 1: materias primas Las previsiones son que el gas natural siga siendo la materia prima principal durante por lo menos los próximos 50 años. [5] Tabla 1: comparación entre materias primas
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1. PRODUCCIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS 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
El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes
Reacción fuertemente endotérmica Estas reacciones se llevan a cabo a 800ºC y están catalizadas por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de H2.
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 estequiométrica N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O ΔH<< 0
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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. 2. PURIFICACIÓN DEL GAS DE SINTESIS 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 CO 2 por reacción con vapor de agua,
Reacción exotérmica que requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reacción se lleva a cabo en dos pasos, a) Aproximadamente a 400ºC con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador. En esta primera etapa, se desprende una considerable cantidad de calor que eleva la temperatura de los gases impidiendo una conversión elevada (75% de la conversión). Por ello, los gases convertidos se llevan a una caldera de recuperación de calor donde se enfrían y pasan a una segunda etapa. b) Aproximadamente a 225ºC con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO, prácticamente la conversión completa.
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 K2CO3 + CO2 + H2O
2KHCO3
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).
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Etapa de metanización.
También hay que eliminar el monóxido de carbono residual que es peligroso para el catalizador del reactor de síntesis. Desde el punto de vista energético, el proceso más interesante es la metanización catalítica, que no sólo elimina el CO, sino también el CO2 y el O2 residual. Las reacciones son fuertemente exotérmicas:
Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC). 3. 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. N2 (g) + 3 H2 (g)
2 NH3 (g)
En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 1415%. 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
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Figura 2: 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. PRODUCCIÓN DE AMONIACO POR BIOTECNOLOGÍA El amoníaco, es la materia prima para la fabricación de muchos productos químicos, y es en sí mismo un producto final altamente demandado. El químico alemán Fritz Haber ideó un proceso mediante el cual se hace reaccionar nitrógeno con hidrógeno en fase gaseosa, en presencia de catalizadores, a elevadas presiones y temperaturas (y por tanto, gran consumo de energía), que revolucionó en su día la industria química. Existen unas bacterias, las bacterias fijadoras de nitrógeno, que resuelven este mismo problema a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente: las bacterias contienen enzimas, que son catalizadores extraordinariamente eficientes. Si se consiguiera utilizar estas enzimas de la fijación de nitrógeno en un sentido biotecnológico, podríamos tener un considerable ahorro energético. Esta tecnología está aún en fase de desarrollo, por lo que aún no es de directa aplicación a las industrias del sector, pero el potencial de ahorro energético rondaría las 31.000 tep (toneladas equivalentes de petróleo). En este ahorro se tiene en cuenta la energía que no habría que consumir para la activación de los reactivos, más el gas natural que dejaría de consumirse en la elaboración del amoníaco, por ser el propio gas natural un reactivo en su fabricación. Es por este motivo que el potencial de ahorro es tan elevado. Si únicamente se contabilizara el ahorro debido a un menor consumo energético, y no al ahorro por menor consumo de gas natural, entonces el ahorro potencial disminuiría. El ahorro de energía eléctrica es pequeño en comparación con el ahorro en combustibles.
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EFECTOS NOCIVOS EN EL ORGANISMO
Por inhalación a concentraciones elevadas se produce irritación de garganta, inflamación pulmonar, daño en vías respiratorias, y ojos. A medida que aumenta la concentración puede llegar a producir edema pulmonar, o producir la muerte cuando supera las 5000 ppm. El amoníaco gaseoso puede producir irritación de la piel, sobre todo si la piel se encuentra húmeda. Se puede llegar a producir quemaduras y ampollas en la piel al cabo de unos pocos segundos de exposición con concentraciones atmosféricas superiores a 300 ppm. Este compuesto es gaseoso en condiciones atmosféricas normales siendo poco probable su ingestión. Sin embargo; de ocurrir ésta, puede causar destrucción de la mucosa gástrica, provocando severas patologías digestivas; pudiendo causar inclusive la muerte.
MANEJO DEL PRODUCTO
Límite inflamable inferior: 19% en volumen. Límite inflamable superior: 25% en volumen. Temperatura de auto ignición: 651 °C. Extinción del fuego: riego de agua o niebla de agua, dióxido de carbono, espuma de alcohol, productos químicos secos. Medidas de control: protección respiratoria adecuada como máscaras o equipos de respiración asistida. Procedimientos de trabajo seguro. Fuentes para el lavado de los ojos y duchas de seguridad en el lugar de trabajo. Manipular con guantes. No ingerir.
USOS DEL AMONIACO La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como
nitrato amónico: NH4NO3 sales amónicas: (NH4)2SO4 , (NH4)3PO4 urea: (NH2)2C=O
Otros usos del amoníaco incluyen:
Fabricación de HNO3. Explosivos y otros usos. Caprolactama, nylon Poliuretanos Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.
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ASPECTOS AMBIENTALES DE LA PRODUCCIÓN DE AMONIACO La fabricación de amoníaco de amoníaco es un proceso muy limpio no existen vertidos líquidos. Es un proceso que consume mucha energía, por lo que, es necesario máxima recuperación y el eficiente empleo del calor liberado La mejor vía para la reducción de las emisiones, vertidos y residuos en general en la industria es su prevención en origen. La aplicación de técnicas de prevención de la contaminación mejora la eficiencia de los procesos e incrementa los beneficios a la vez que minimiza el impacto ambiental de la actividad. La minimización en origen puede hacerse de varias formas, ya sea reduciendo las entradas de materias primas y auxiliares, rediseñando el proceso, reutilizando productos secundarios, mejorando la gestión, reutilizando recursos como el agua, incrementando la eficiencia energética, substituyendo productos tóxicos y peligrosos por otros más benignos, etc. El uso de técnicas de prevención de la contaminación tiene muchas ventajas respecto a las soluciones a final de línea, es decir, la aplicación de las tecnologías de tratamiento final. En la siguiente lista se enumeran una serie de beneficios, directos e indirectos, de la prevención: [6] BENEFICIOS DIRECTOS:
Reducción de los costos de tratamiento interno y de gestión externa de corrientes residuales.
Reducción de los costos de producción debido a la mejora en el rendimiento y eficiencia del proceso.
Ahorro debido a la reutilización de productos y recursos.
Reducción de los costos derivados del incumplimiento de límites legales de emisión.
Reducción de emisiones secundarias, por ejemplo en las instalaciones de tratamiento.
Penetrar en mercados exigentes en producción ambientalmente limpia, vetados hasta el momento.
Minimización del impacto ambiental.
Aportación de un componente pedagógico importante que ejerce un efecto substancial en la concienciación de los trabajadores.
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Aumento de la seguridad en la planta en relación con la protección medioambiental.
BENEFICIOS INDIRECTOS: Reducir la probabilidad de futuros costos relacionados con:
Reparación
Responsabilidades legales.
Cumplimiento de regulaciones futuras.
Mejorar la relación y la imagen respecto a la comunidad (vecinos, etc.).
Mejora del ambiente laboral al existir una mayor comunicación interna y formación ambiental.
Reducir costos sociales.
Mejora de la salud pública.
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CONCLUSIONES
El proceso de fabricación del amoniaco no necesita de altas temperatura y de reacciones complicadas, sin embargo utiliza gran energía para su elaboración. La síntesis de Haber-Bosch es utilizada hasta hoy en día, lo que se varia es la elaboración del gas de síntesis. La elaboración del amoniaco no es un gran contaminante, porque las plantas se encargan de degradarlo, sin embargo no se debe eliminar en grandes cantidades, ya que todo en exceso es dañino.
BIBLIOGRAFIA 1. «ammoniac definition» (en inglés). Consultado el 26 de junio de 2009. «ammōniakón (neut. of ammōniakós of Ammon; see -i-, -ac ), applied to a salt and a gum resin prepared near the Shrine of Ammon in Libya». 2. «ammonia» (en inglés). Consultado el 27 de junio de 2009. «In 1782 the term ‘ammonia’ was coined for this colourless, pungent gas by the Swedish chemist, Torbern Bergman.». 3. Apuntes de Química Mineral Vol. 1 Autores J. Badenas, A. Dols 4. http://www.veterinaria.org/revistas/redvet/n030310B/0310B_QT02.pdf 5. Proceso de Producción de Amoniaco. Método de Reformado de Vapor.Disponible en Internet: http://www.textos cienticicos.com. 6. Alternativas de Prevención de la Contaminación en el Sector de la Química en Discontinuo. Centro de Actividad Regional para la Producción Limpia (CAR/PL). Plan de Acción para el Mediterráneo. España 2006.
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