Producción de amoniaco

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La producción de amoníaco se lleva a cabo en todo el mundo, principalmente en plantas de fabricación a gran escala que producen 183 millones de toneladas métricas de amoníaco (2021) anualmente. Los principales productores son China (31,9%), Rusia (8,7%), India (7,5%) y Estados Unidos (7,1%). El 80% o más del amoníaco se utiliza como fertilizante. El amoníaco también se utiliza para la producción de plásticos, fibras, explosivos, ácido nítrico (a través del proceso Ostwald) y productos intermedios para tintes y productos farmacéuticos. La industria contribuye con el 1% al 2% del CO2 global. Entre 18 y 20 Mt de gas se transportan a nivel mundial cada año.

Historia

Destilación seca

Antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial, la mayor parte del amoníaco se obtenía por destilación en seco de productos nitrogenados vegetales y animales; por reducción de ácido nitroso y nitritos con hidrógeno; y también por descomposición de sales de amonio por hidróxidos alcalinos o por cal viva, siendo la sal más utilizada el cloruro (sal-amoniaco).

Diagrama de flujo de bloques del proceso de síntesis de amoníaco

Proceso de Frank-Caro

Adolph Frank y Nikodem Caro descubrieron que el nitrógeno se podía fijar utilizando el mismo carburo de calcio producido para fabricar acetileno para formar cianamida cálcica, que luego se podía dividir con agua para formar amoníaco. El método se desarrolló entre 1895 y 1899.

{\ce {CaO + 3C = il}

{\ce {CaC2 + N2 } {\fn0}}

{\ce {CaCN2 + 3H2O } {\cH3}}

Birkeland–Eyde process

Si bien no es estrictamente un método para producir amoníaco, el nitrógeno se puede fijar haciéndolo pasar (con oxígeno) a través de una chispa eléctrica.

Nitridas

Al calentar metales como el magnesio en una atmósfera de nitrógeno puro se produce el nitruro, que al combinarse con agua produce el hidróxido metálico y el amoníaco.

Proceso Haber-Bosch

El proceso Haber, también llamado el proceso Haber-Bosch, es el principal procedimiento industrial para la producción de amoníaco. Convierte nitrógeno atmosférico (NN)₂) a amoníaco (NH₃) por una reacción con hidrógeno (H)₂) utilizando un catalizador metálico de hierro bien dividido:

${\ce {N2 + 3H2 }\qquad {\Delta H^{\fnMicrosoft {\fnMicrosoft\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft}\fnMicrosoft\\\fnMicrosoft\\\\fnMicrosoft\fnMicrosoft\fnMicrosoft\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ - Sí. ({\Delta H_{298\mathrm {K} {\fnMicrosoft Sans Serif} }=-46.14\;\mathrm {kJ/mol}})$

Esta reacción es ligeramente favorable en términos de enthalpy, pero es desfavorada en términos de entropía porque cuatro equivalentes de gases reaccionarios se convierten en dos equivalentes de gas de producto. Como resultado, se necesitan altas presiones y temperaturas moderadamente altas para impulsar la reacción hacia adelante.

Los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron el proceso en la primera década del siglo XX, y su mejor eficiencia sobre métodos existentes como los procesos Birkeland-Eyde y Frank-Caro fue un avance importante en la producción industrial de amoníaco. El proceso Haber se puede combinar con la reforma del vapor para producir amoníaco con sólo tres insumos químicos: agua, gas natural y nitrógeno atmosférico. Tanto Haber como Bosch fueron finalmente galardonados con el Premio Nobel de Química: Haber en 1918 por síntesis de amoníaco específicamente, y Bosch en 1931 por contribuciones relacionadas a la química de alta presión.

Environmental Impacts

Como la producción de amoníaco depende de un suministro fiable de energía, a menudo se utilizan combustibles fósiles, que contribuyen al cambio climático cuando se queman y generan gases de efecto invernadero. La producción de amoníaco también introduce nitrógeno en el ciclo del nitrógeno de la Tierra, lo que provoca desequilibrios que contribuyen a problemas ambientales como la proliferación de algas. Algunos métodos de producción han demostrado tener un menor impacto ambiental, como los que funcionan con energía renovable o nuclear.

Producción sostenible

La producción sostenible es posible mediante la pirólisis de metano no contaminante o la generación de hidrógeno mediante electrólisis del agua con fuentes de energía renovables. Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers ha ampliado su capacidad de producción anual de electrólisis de agua alcalina a 1 gigavatio de capacidad de electrolización para este fin.

En una economía basada en el hidrógeno, parte de la producción de hidrógeno podría desviarse hacia el uso como materia prima. Por ejemplo, en 2002, Islandia produjo 2.000 toneladas de gas hidrógeno mediante electrólisis, utilizando el exceso de energía de sus plantas hidroeléctricas, principalmente para fertilizantes. La planta hidroeléctrica de Vemork en Noruega utilizó su excedente de producción de electricidad para generar ácido nítrico renovable entre 1911 y 1971, lo que requirió 15 mWh/tonelada de ácido nítrico. La misma reacción se lleva a cabo mediante rayos, lo que proporciona una fuente natural de nitratos solubles. El gas natural sigue siendo el método de menor costo.

Las aguas residuales suelen tener un alto contenido de amoniaco. Dado que el vertido de agua cargada de amoniaco al medio ambiente daña la vida marina, suele ser necesaria la nitrificación para eliminar el amoniaco. Esta puede convertirse en una fuente potencialmente sostenible de amoniaco dada su abundancia. Alternativamente, el amoniaco de las aguas residuales se puede enviar a un electrolizador de amoniaco (electrólisis de amoniaco) que funcione con fuentes de energía renovables para producir hidrógeno y agua limpia. La electrólisis de amoniaco puede requerir mucha menos energía termodinámica que la electrólisis del agua (solo 0,06 V en medios alcalinos).

Otra opción para recuperar el amoniaco de las aguas residuales es utilizar la mecánica del ciclo de absorción térmica amoniaco-agua. De este modo, el amoniaco se puede recuperar en forma líquida o como hidróxido de amonio. La ventaja del primero es que es mucho más fácil de manipular y transportar, mientras que el segundo tiene valor comercial en concentraciones del 30 por ciento en solución.

Carbón

La producción de amoniaco a partir de carbón se practica principalmente en China, donde es la principal fuente. El oxígeno del módulo de separación de aire se alimenta al gasificador para convertir el carbón en gas de síntesis (H₂, CO, CO₂) y CH₄. La mayoría de los gasificadores se basan en lechos fluidizados que funcionan por encima de la presión atmosférica y tienen la capacidad de utilizar diferentes alimentaciones de carbón.

Plantas de producción

A mediados de los años 60, la American Oil Co instaló en Texas City (Texas) una planta de amoníaco de convertidor único diseñada por M. W. Kellogg, con una capacidad de 544 toneladas métricas por día. Utilizaba un diseño de tren único que recibió el premio “Kirkpatrick Chemical Engineering Achievement Award” en 1967. La planta utilizaba un compresor centrífugo de cuatro cajas para comprimir el gas de síntesis a una presión de 152 bar. La compresión final a una presión de funcionamiento de 324 bar se producía en un compresor alternativo. Los compresores centrífugos para el circuito de síntesis y los servicios de refrigeración proporcionaron importantes reducciones de costes.

Casi todas las plantas construidas entre 1964 y 1992 tenían diseños de gran tamaño de un solo tren con fabricación de gas de síntesis a 25-35 bar y síntesis de amoníaco a 150-200 bar. Las plantas de proceso de Braun Purifier utilizaban un reformador primario o tubular con una temperatura de salida baja y una alta fuga de metano para reducir el tamaño y el costo del reformador. Se añadía aire al reformador secundario para reducir el contenido de metano de la corriente de salida del reformador primario al 1-2%. El exceso de nitrógeno y otras impurezas se eliminaban aguas abajo del metanizador. Debido a que el gas de síntesis estaba esencialmente libre de impurezas, se utilizaron dos convertidores de amoníaco de flujo axial. A principios de 2000, Uhde desarrolló un proceso que permitió capacidades de planta de 3300 tpd y más. La innovación clave fue un circuito de síntesis de flujo único a presión media en serie con un circuito de síntesis de alta presión convencional.

Plantas in situ a pequeña escala

En abril de 2017, la empresa japonesa Tsubame BHB implementó un método de síntesis de amoníaco que podría permitir una producción económica a escalas 1-2 órdenes de magnitud inferiores a las de las plantas convencionales que utilizan un catalizador electroquímico.

Amoníaco verde

En 2024, la BBC anunció que numerosas empresas estaban intentando reducir el 2 % de las emisiones globales de carbono causadas por el uso y la producción de amoníaco mediante la producción del producto en laboratorios. La industria se ha dado a conocer como "amoníaco verde"

Subproductos y escasez debido a cierres

Uno de los principales subproductos industriales de la producción de amoniaco es el CO2. En 2018, los altos precios del petróleo provocaron un cierre prolongado durante el verano de las fábricas de amoniaco europeas, lo que provocó una escasez comercial de CO2, lo que limitó la producción de productos basados en CO2, como la cerveza y los refrescos. Esta situación se repitió en septiembre de 2021 debido a un aumento del 250-400% en el precio al por mayor del gas natural a lo largo del año.

Véase también

Amoníaco
Gas de amina
Proceso de Haber
Economía hidrogeno
Pirolisis de metano

Referencias

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Obras citadas

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Enlaces externos

Industria de producción de hidrógeno de hoy
Energy Use and Energy Intensity of the U.S. Chemical Industry Archived 2018-09-30 at the Wayback Machine, Report LBNL-44314, Lawrence Berkeley National Laboratory (Scroll down to page 39 of 40 PDF pages for a list of the ammonia plants in the United States)
Amoníaco: El siguiente paso incluye un diagrama de flujo de proceso detallado.
Hoja de flujo de planta de proceso de producción de amoníaco en breve con tres controles.

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