Proceso Haber

El proceso Haber (Haber)  es un proceso industrial (inventado por Fritz Haber y Carl Bosch ) en el que el nitrógeno atmosférico se "liga" mediante la síntesis de amoníaco . Una mezcla de nitrógeno e hidrógeno se pasa a través de un catalizador calentado a alta presión [1] . Al mismo tiempo, debido a la alta presión, el equilibrio en la reacción N 2  + 3 H 2  ⇄ 2NH 3 se desplaza hacia el amoníaco. El hidrógeno para obtener amoníaco se extrae del metano tratándolo con vapor de agua .

Sobre la historia de la síntesis de amoníaco

Antes del desarrollo del proceso Haber-Bosch, el amoníaco se obtenía mediante dos métodos intensivos en energía: cianamida y nitruro [2] . El primero se basaba en la hidrólisis de la cianamida cálcica CaCN 2 :

La cianamida cálcica se obtenía previamente sinterizando carburo cálcico con coque en atmósfera de nitrógeno a una temperatura de unos 1000°C:

El método del nitruro se basa en la hidrólisis del nitruro de aluminio, que se obtiene fusionando corindón con coque en presencia de nitrógeno:

Los químicos también se enfrentaron al problema de la unión química del nitrógeno, y en el siglo XIX intentaron resolverlo oxidando el nitrógeno con oxígeno a temperaturas superiores a los 2200 °C. Este proceso fue llevado a cabo por los científicos H. Birkeland y S. Eide en un arco voltaico . También encontraron que la reacción se acelera en presencia de Fe 2 O 3 . En 1901, se registró una patente a nombre de A. Le Chatelier para la reacción de síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. La patente indicaba la necesidad de alta presión así como la presencia de un catalizador . En 1904-1907, W. Ostwald , W. Nernst y F. Haber realizaron trabajos que permitieron establecer las concentraciones de equilibrio de hidrógeno, nitrógeno y amoníaco en función de la presión y la temperatura. En marzo de 1909, F. Gaber obtuvo por primera vez amoniaco a 600 °C y 17,5 MPa, utilizando osmio en polvo como catalizador . El científico entregó los resultados a BASF , que construyó la primera planta para la síntesis de amoníaco en 1913. El equipo para ello fue desarrollado por el ingeniero K. Bosch.

En BASF se han estudiado más de 8000 catalizadores de proceso. Ya en 1910 se demostró que el mejor catalizador es el hierro fundido con adiciones de óxidos de aluminio, potasio y calcio. Este catalizador se convirtió en el principal para la síntesis de amoniaco durante 90 años.

La primera producción en la URSS se fundó en 1928 en la planta química Chernorechensky en Dzerzhinsk . En 1990, la URSS era líder en la producción de amoníaco: 28 millones de toneladas / año. A mediados de la década de 2000, operaban en el territorio de la antigua URSS 42 unidades de síntesis de amoníaco con una capacidad de 1360 a 1420 t/día (alrededor de 450 mil t/año). La capacidad total de las instalaciones en Rusia en 2001 fue de 14,2 millones de toneladas/año, y en total en los países de la CEI - 22 millones de toneladas/año [3] .

Propiedades del proceso de Haber

Una propiedad importante del proceso Haber es su no desperdicio. La reacción de formación de amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno es de equilibrio y exotérmica, por lo tanto, a las altas temperaturas necesarias para lograr una velocidad de reacción aceptable, el equilibrio se desplaza hacia el nitrógeno y el hidrógeno, y el rendimiento de amoníaco por paso de la mezcla de gases a través del catalizador bajo condiciones industriales condiciones no exceda 14–16% [ 4] . Por lo tanto, la mezcla que sale del reactor se enfría a la temperatura de condensación del amoníaco, el amoníaco licuado se separa en el separador y la mezcla restante de hidrógeno y nitrógeno se recircula, se vuelve a calentar y se pasa por la columna de síntesis con un catalizador. Así, en el proceso de Haber, el rendimiento teórico en la reacción de síntesis de amoniaco es del 100% .

La salida de amoníaco ( en porcentaje de volumen ) para un paso del catalizador a varias temperaturas y presiones tiene los siguientes valores [4] :

100 a 300 a 1000 en 1500 a las 2000 a las 3500 a
400°C 25.12 47.00 79.82 88.54 93.07 97.73
450°C 16.43 35.82 69.69 84.07 89.83 97.18
500°C 10.61 26.44 57.47 Sin datos
550°C 6.82 19.13 41.16

El uso de un catalizador ( hierro poroso con impurezas de Al 2 O 3 y K 2 O) permitió acelerar el logro de un estado de equilibrio. Curiosamente, en la búsqueda de un catalizador para esta función, se probaron más de 20 mil sustancias diferentes.

Teniendo en cuenta todos los factores anteriores, el proceso de obtención de amoníaco se realiza bajo las siguientes condiciones: temperatura 500°C, presión 350 atmósferas, catalizador. El rendimiento de amoníaco en tales condiciones es de alrededor del 30%. En condiciones industriales, se utiliza el principio de circulación: el amoníaco se elimina por enfriamiento y el nitrógeno y el hidrógeno sin reaccionar se devuelven a la columna de síntesis. Esto resulta más económico que conseguir un mayor rendimiento de la reacción aumentando la presión.

A pesar de que la reacción de síntesis del amoníaco es exotérmica, el proceso de Haber consume mucha energía: el consumo medio de energía eléctrica para la producción de 1 tonelada de amoníaco es de 3200 kWh . Se gasta energía en comprimir y calentar la mezcla de nitrógeno e hidrógeno, y se disipa parcialmente en calor durante el enfriamiento requerido para condensar y separar el amoníaco.

Según una estimación para 2010, la industria estadounidense de fertilizantes nitrogenados consumió 148 PJ de energía térmica a partir de la combustión de combustibles, 13 PJ de energía eléctrica y la energía equivalente a 196 PJ de metano como fuente de hidrógeno, mientras producía 8,7 millones de toneladas de amoníaco [5] . Así, en la producción de 1 tonelada de amoníaco se gastaron 4700 kWh de energía térmica, 415 kWh de energía eléctrica y 6300 kWh de energía térmica almacenada en el metano usado . Sin embargo, estas entradas de energía son estimaciones, ya que las estadísticas solo están disponibles para la industria en su conjunto y no para una planta de amoníaco individual.

Es curioso que la biofijación del nitrógeno atmosférico por parte de los microorganismos sea un proceso aún más intensivo en energía: la fijación de 1 molécula de nitrógeno requiere al menos 12 moléculas de ATP , lo que equivale a 5000  kWh por tonelada de amoníaco.

Desarrolladores

Las conocidas empresas Haldor Topsøe , KBR (Kellogg Brown & Root) , Ammonia Casale , ICI , CF Braun (KBR), Uhde ( ThyssenKrupp ), Linde , Lurgi y otras [6] son ​​las líderes en la introducción de tecnologías de síntesis de amoníaco .

Notas

  1. ↑ Diccionario, 2009 .
  2. ↑ Edición. Yu.D. Tretiakov. Química Inorgánica: en 3 volúmenes.- Moscú: Centro Editorial "Academia", 2004. - T. 2. - S. 179.
  3. ↑ Krylov O. V. Catálisis heterogénea. Libro de texto para universidades. - M. : Akademkniga, 2004. - 679 p. — ISBN 5-94628-141-0 .
  4. ↑ 1 2 Khodakov Yu. V., Epshtein D. A., Gloriozov P. A. § ​​​​19. Interacción de nitrógeno con hidrógeno // Química inorgánica. Libro de texto para el grado 9. - 7ª ed. - M .: Educación , 1976. - S. 38-41. — 2.350.000 ejemplares.
  5. ↑ Eficiencia y oportunidades de ahorro de costos para la producción de amoníaco y fertilizantes nitrogenados . — Una guía de ENERGY STAR para gerentes de planta y energía. — marzo de 2017.
  6. ↑ V. E. Agabekov, V. K. Kosyakov. Petróleo y gas. Tecnologías y productos de procesamiento. — Rostov n/d. : Fénix, 2014. - S. 296-297. — 458 págs. — ISBN 978-5-222-21726-9 .

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