Amoníaco

Realizado por:
Sabrina Cangemi
C.I. 26.053.886
Julio, 2020.
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
AMPLIACIÓN MARACAIBO
QUÍMICA INDUSTRIAL
SAIA 2020-I.

Amoníaco.
El amoníaco,
amoníaco anhidro o gas
de amonio es un
compuesto de
nitrógeno e hidrógeno,
cuya fórmula
corresponde a NH3,
muy estable a
temperatura ambiente.

Características
▪ Es un gas tóxico, corrosivo, incoloro y más ligero que el aire.
▪ Su peso molecular es de 17,031 g/mol.
▪ Su temperatura de ebullición es de -33,3ºC y de fusión -77,7ºC a 1atm.
▪ Es soluble en disolventes orgánicos y sobre todo en agua.
▪ Carácter Ácido-Base .Carácter Redox.
▪ Se envasa como gas licuado en cilindros de alta presión y también en estado líquido en tanques
adecuados para ello.
▪ Es un irritante y la exposición al mismo ocasiona ardor en los ojos, conjuntivitis, irritación en la
piel, congestión pulmonar e incluso puede ocasionar muerte por fallo respiratorio debido a un
edema pulmonar.
▪ Es muy poco reactivo debido a los tres enlaces presentes en el Nitrógeno.
▪ El amoniaco es el punto de partida para la obtención de muchos compuestos industriales.

Usos
Como precursor de compuestos de nitrógeno directa o indirectamente; tales como: la urea, ácido nítrico, sales
amónicas, sosa, polímeros. aminas y otros.
El gas amoniaco se emplea directamente como fertilizante, en tratamientos térmicos, en la fabricación de pulpa
de papel, en la manufactura del ácido nítrico y de los nitratos, en la obtención de éster del ácido nítrico y de
compuestos nitro.
Como fluido refrigerante, limpiador de superficies en forma de amoníaco casero, es decir, diluido en agua al 5 -
10%.
Se usa como disolvente y producción de pigmentos colorantes.
Como fuente de nitrógeno para microorganismos y ajuste de pH durante la fermentación.
Se usa en la producción de abonos, ya que ayuda a incrementar el rendimiento de los cultivos de maíz y el trigo.

Importancia.
▪ Debido a sus elevados usos y
aplicaciones, el amoniaco se
gana el título de el material
nitrogenado más importante. En
la naturaleza es de vital
importancia en las cadenas
alimenticias, por esto su
comportamiento biodegradable
que le permite ser muy útil en el
campo agrícola. Mientras que en
la industria, brinda la posibilidad
de elaborar sustancias que no se
obtienen en la naturaleza
directamente.

Vías más Importantes de Producción de Amoníaco.
Descomposición de la materia orgánica.
Subproducto de la coquización del carbón.
Industrialmente a partir de sus elementos.

Se obtiene por los siguientes procesos
de preparación del gas de síntesis:
Materia prima
Proceso de preparación del gas de
síntesis
Reacción de conversión de la alimentación
Gas natural Reformado con vapor
CnH(2n+2) + nH2O → nCO + (2n+1)H2
Nafta Reformado con vapor
Gasóleos Oxidación parcial CnH(2n+2) + n/2 O2 → nCO + (n+1)H2
Coque Gasificación C + ½ O2 → CO
Agua Electrólisis H2O → ½ O2 + H2

Materia Orgánica.
▪ La reducción biológica de nitrógeno por la
enzima Nitrogenasa, que se encuentra solo
en un grupo de bacterias del suelo capaces
de fijar nitrógeno a expensa de energía que
se suministra in vivo en forma de ATP.
▪ Finalmente, en esta posible ruta se estudia
la eliminación del nitrógeno para
fertilizantes. Esto se lograría con base en el
aislamiento de los genes de fijación del
nitrógeno de los organismos fijadores,
como las cianobacterias, y la consecuente
transferencia y expresión de dichos genes
en diferentes cultivos.

Reformado con vapor. La reacción de desplazamiento de vapor de agua (en inglés
water gas shift reaction); es de gran interés industrial. En ella el agua gaseosa; desplaza el
equilibrio hacia la formación de hidrógeno.
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.
Posteriormente se
realiza la
desulfuración.
Reformado: Una vez
adecuado el gas natural se le
somete a un reformado
catalítico con vapor de agua,
el cual se lleva a cabo en dos
etapas: Reformador primario
y secundario.
Purificación: El proceso de
obtención de NH3 requiere
un gas de síntesis de gran
pureza, por ello se debe
eliminar los gases CO y CO2.
Conversión: Tras enfriar la
mezcla se conduce a un
convertidor donde el CO se
transforma en CO2 por
reacción con vapor de agua.
Eliminación del CO2.
Seguidamente el CO2 se
elimina en una torre con
varios lechos mediante
absorción.
Etapa de
metanización. El CO
y CO2 se convierten
en CH4.
Síntesis de
Amoníaco. El gas de
síntesis se lleva a un
reactor con lecho
catalítico de Fe.
El amoníaco se
almacena en un
tanque criogénico a
-33ºC.

Proceso de
Producción
por vapor
de agua.
Etapa de reformado
Conversión, remoción del
CO2 y metanización.
Síntesis y purificación.
Reacción: CO + CO2 + 7 H2O
→ <CH4 + 3 H2O + calor

Uno de los principales contaminantes de
proceso del producción de Amoniaco
(NH3) es el Monóxido de Carbono (CO)
por lo que se hace necesario reducirlo a
Dióxido de Carbono (CO2) el cual puede
fácilmente eliminarse por absorción.
La reacción química que representa esta
etapa, es la siguiente:
CO(g) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g) + calor
Para esta eliminación se utiliza dos
convertidores, cuya reacción es
básicamente la misma pero se emplean
distintos catalizadores y condiciones de
operación:
Convertidor a alta temperatura (380-
450ºC).
Catalizador: óxido de hierro/óxido de
cromo.
Cantidad residual de CO: 2-3%
Convertidor a baja temperatura (200 -250
ºC).
Catalizador: óxido de cobre.
Cantidad residual de CO: Menor de 0,5%
Proceso de conversión

Posteriormente, el proceso de lavado o purificación
El proceso de Lavado consta de dos partes : una absorción y una de despojo o desorción .
La absorción se
realiza con una
solución de
aminas , como
la MEA (Mono
etanol amina)
Esta amina primaria es capaz de absorber el
CO2 presente en el gas del proceso que fluye en
contracorriente con la misma según se suceden
las siguientes reacciones:
CO2(g) + H2O(g) →
HCO3(g) + H+
RNH2(Ac) + H+ →
2RNH3
RNH2 + CO2 →
RNHCOO- + H+
3RNH2 + 2CO2 + H2O →
HCO3 + 2RNH3 + RNHCOO-

Elección del solvente adecuado para la
remoción de CO2:

Luego del proceso de lavado y
metanación, y posterior compresión,
Ocurre el proceso de síntesis:
El proceso de síntesis, en general,
comprende tres secciones: reacción,
refrigeración y recuperación.
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, según la reacción
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 14-
15%. 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 .

Oxidación Parcial
Diagrama de bloques para la producción de amoniaco
por oxidación parcial.
En esta ruta se utilizan
principalmente como
materias primas
hidrocarburos pesados.
Inicialmente las materias
primas se oxidan
parcialmente en un
gasificador, a 80 bar y
1250ºC.
El gas saliente para
rapidamente a un
enfriamiento con agua.
Después de la gasificación
el gas se lleva a reaccionar
sobre un catalizador de
óxido de hierro a alta
temperatura.
Posteriormente pasa a una
segunda etapa de purificación
para remover gases ácidos,
sulfuro de hidrógeno y dióxido
de carbono. (Proceso Rectisol)
El siguiente paso es purificar nuevamente
el gas mediante un lavado con nitrógeno
líquido a muy baja temperatura para
remover ´CO, CH3, Ar, CO2..Además con
este lavado se controla que quede la
cantidad estequiómetrica para que se
procesa a una compresión a la síntesis de
amoniaco.

Dentro de los procesos industriales existen 2 principales para producir en gas de síntesis para el amoniaco,
que son el reformado de vapor de gas natural o hidrocarburos ligeros y la oxidación parcial de fuel oil pesado.
Sin embargo, la síntesis del amoníaco es independiente del proceso empleado para el gas de síntesis, aunque la
calidad de este afecta al diseño del bucle de síntesis y a las condiciones de operación.
Hay tres secciones fundamentales en el proceso de fabricación, y la gasificación forma parte de una de ellas:
▪ Gasificación Reformado. Gasificación del carbón.
▪ Conversión-depuración :Conversión de CO a H2 y CO2
▪ Bucle de síntesis: Compresión y reacción a alta presión y temperatura. (Es necesario realizar una purga de inertes).
Gasificación (carbón)

Electrólisis
▪ Dicha tecnología lleva a la producción de hidrógeno puro, por electrólisis, a
partir de agua, con electrolito alcalino, para materia prima.
▪ La invención se relaciona con el campo de la tecnología química más
específicamente con la electrólisis del agua, y propone un método de obtención
de una corriente de gases a través del paso de una corriente de aire sobre una
superficie iónica, útil para su aplicación en la generación de energía
▪ Un procedimiento para la obtención de una corriente gaseosa caracterizado
porque se pone en contacto una corriente de aire húmedo sobre la superficie de
una capa sólida catalítica y una superficie acuosa iónica provocada por
electrodos metálicos energizados con corriente eléctrica; luego del paso por
una barrera semipermeable en donde reacciona con ilmenita contenida es su
superficie, a una temperatura entre 12-80 °C y presión ambiental o vacío, dando
lugar a una corriente gaseosa.
▪ Una alternativa lógica es pensar en usar la corriente eléctrica para, evitando el
paso intermedio del metano, producir la electrolisis del nitrógeno del aire y el
vapor de agua para producir el amoniaco. Su único inconveniente es que sólo el
1% equivalente de la electricidad consumida se convierte en amoniaco. El
proceso de Licht et al. aumenta esta cifra hasta un 35% de eficiencia empleando
un catalizador consistente en hidróxido fundido en el que están suspendidas
nanopartículas de óxido de hierro.

Síntesis de amoníaco a partir de N2 y H2O usando
una estrategia de electrificación de ciclos de litio a
presión atmosférica.
Esta es una nueva
estrategia de producción de
amoníaco, ejemplificada en
un proceso electroquímico
de ciclo de litio, que
proporciona una vía para la
síntesis de amoníaco
sostenible gracias a la
capacidad de acoplarla
directamente a fuentes
renovables de electricidad,
pudiendo facilitar la
producción localizada

Síntesis de amoniaco. Proceso Haber-Bosch.
Es un proceso catalítico que corresponde a la siguiente reacción química.
Es uno de los
procesos catalíticos
más antiguos e
importantes de
producción: Fritz-
Haber, patente de
1910.
Es un proceso
exotérmico,
favorecido
termodinámicamente
a altas presiones y
bajas temperaturas.
Cumple el principio de
Le Châtelier.
Condiciones de
operación:
• Temperatura media
(~450 ºC)
• Altas presiones
(100-300 bar)
Utiliza
catalizador de
BASF.
3 H2(g) + N2(g) 2NH3
= - 92.4 KJ·mol-1 (298 K)

Esquema del
proceso.
• Fritz Haber utilizó el concepto de rendimiento espacio – tiempo en sustitución del rendimiento de reacción y basado en
este concepto, desarrollo una tecnología de flujo cerrado para la producción de amoniaco, siendo el primer proceso
catalítico presurizado de la historia industrial.

Termodinámica y Cinética del Proceso.
Siendo la
reacción: Esto indica que es una reacción reversible, exotérmica, y sus
reactantes son elementos puros en sus estados estándar a 298,15K como
a temperaturas elevadas.
Sin embargo, esta reacción sin un
catalizador presente y a temperatura
y presión normales, ocurre a una
velocidad muy lenta, que no es
factible para un proceso industrial.

Equilibrio químico
▪ En dicho proceso o
reacción reversible existe
una situación de
equilibrio. Este equilibrio
es dinámico, es decir, las
dos reacciones del
proceso reversible se
siguen realizando, pero
permanecen invariables
en el tiempo las
concentraciones de todas
las sustancias que
intervienen en el proceso.

Principio de Le Châtelier.
▪ El principio de Le Châtelier establece que si se aplica un cambio de
condiciones a un sistema químico en equilibrio, éste responderá en la
forma que mejor se oponga a dicho cambio, evolucionando el
sistema hasta un nuevo estado de equilibrio. Los valores a considerar
son la concentración , la presión y temperatura.
Concentración
• Si aumentan las concentraciones de los
reactivos el equilibrio se desplazará en
el sentido de disminuir dichas
concentraciones, redireccionando en el
sentido de la reacción hacia los
productos; y respectivamente del lado
opuesto.
Presión y volumen
• En un equilibrio en fase gaseosa, al
variar la presión o volumen del mismo,
el equilibrio evolucionará
contrarrestando dicha variación hasta
alcanzar un nuevo estado de equilibrio.
Temperatura
• Todos los procesos químicos se
producen con un intercambio de
energía, por lo que en todo equilibrio
químico, si se aumenta la temperatura,
dicho equilibrio evoluciona en el
sentido de absorber calor, y si se
disminuye, el equilibrio evoluciona en
el sentido de desprender calor.

En el caso del amoniaco:
Es una reacción
exotérmica
ΔHº < 0
El aumento de
presión favorece la
reacción de
formación de
amoniaco.
Una disminución de
temperatura
favorece el proceso
exotérmico. Pero al
mismo tiempo
favorece a la
reversión.
Si aumenta la
temperatura la K
equilibrio aumenta.
Esto se interpreta
en un aumento de
la velocidad de
reacción.
La ecuación para expresar la cinética
química de NH3 es la de Temkim y Pyzhev.
Expresa la velocidad de reacción en
función de las presiones parciales de
productos y reactivos.

Al observar la reacción química, se deduce que, un exceso de reactivo, la retirada continua de producto y un
aumento de la presión conduce a una mayor producción de amoniaco. Sin embargo, se trata de una reacción
exotérmica, por lo que las temperaturas altas favorecen el proceso inverso, de disociación del amoniaco. Aunque
las temperaturas elevadas no favorecen la obtención de amoniaco, su uso se justifica por el considerable
aumento de la velocidad que provocan (junto con el uso de catalizadores adecuados). Se enfrentan los factores
termodinámicos a los cinéticos, y éstos últimos son los que determinan la viabilidad del proceso.

Una reacción química consiste en un número
de etapas individuales llamadas mecanismo de
reacción.
En cada una de las
reacciones de
recombinación otras
especies que no están
implicadas en la
reacción pueden
facilitar la transferencia
de energía.
1. Proceso de adsorción disociativa
2. Reacción de los átomos adsorbidos
3. Proceso de desorción del producto
N2, (g) N2* 2 N*
H2, (g) 2 H*
N* + H* NH* NH2*H* H* NH3*
NH3* NH3, G

Catálisis heterogénea
▪ Pese a que el proceso global es
ligeramente exotérmico, la etapa inicial,
que es la disociación de N2 (g) e H2 (g),
es altamente endotérmica. El
calentamiento de una mezcla de N2(g) e
H2 (g) a temperaturas suficientemente
elevadas como para disociar una
fracción importante del N2 (g) requeriría
una temperatura más alta que todo el
NH3 (g) formado se disociara de los
reactantes. En conclusión, la fase gas
entre N2 y H2 no es una ruta practica
para la síntesis del amoniaco.
▪ Sin embargo, la vía para soslayar esta
dificultad es encontrar otra secuencia
de reacción para la que los cambios de
entalpia en las etapas individuales no
sean prohibitivamente grandes.
Para la reacción de síntesis del
amoniaco, tal ruta es una reacción
catalítica heterogénea usando hierro.

Catalizadores
Para mantener pequeño el tamaño del equipo, la velocidad de la reacción se debe aumentar en forma
sustancial, ya que el H2 y N2 solo reaccionan muy lentamente. La síntesis comercial requiere un catalizador
eficiente para aumentar la velocidad de reacción hasta un valor aceptable. Aquellos metales que adsorban N2 ,
en un proceso de quimisorción disociativa, presentarán actividad catalítica,
Los catalizadores usados son: óxidos de hierro, platino, osmio, manganeso, tungsteno, uranio, rodio y otros
metales que tengan incompleta la segunda capa atómica exterior; siendo los de hierro, osmio, renio y uranio los
más activos.

“La síntesis de amoniaco se efectúa a
temperaturas de 400-500ºC y en presencia de
catalizadores sólidos.”
Hierro – configuración electrónica.
El sólido mixto conformado por Fe3O4-Cr2O3 fue patentado en 1911 por la empresa BASF. Se
ha modificado desde entonces.
El catalizador más utilizado en la industria es el de hierro con tres promotores, y tiene una alta
actividad y resistencia a los sobrecalentamientos y las impurezas
• Al2O3, es un promotor textural, aumenta el área superficial de las partículas sin cambiar su actividad
catalítica.
• K2O, es un promotor estructural, cambia la isobara de la quimisorción de H2 y el orden de reacción.
• CaO, Imparte resistencia a la sintetización a temperaturas elevadas durante la reacción.
• Otros como SiO2, MgO, etc., mejoran la estabilidad e incrementan la actividad y la resistencia al
envenenamiento.
La forma de hierro utilizada es la magnetita (Fe3O4), porque es más fácil de reducir que el
Fe203, y la actividad óptima del catalizador final proviene de una relación Fe+2/Fe+3
aproximadamente igual a la de la magnetita (Fe+2[Fe2+3O4]).
Estos catalizadores son preparados por fusión a 1500ºC, así se unen la magnetita y los
promotores, seguido por enfriamiento, moldeo, trituración y tamizado.
Posteriormente, el hierro finamente dividido (de 2 a 21mm) es pirofórico (se inflama
espontáneamente en contacto con el aire) por lo que se reduce a la forma metálica en el
reactor, o si es prereducido, se estabiliza para el transporte mediante la formación de una capa
superficial de óxido, que se reduce en el reactor.
Magnetita

Características Los tamaños más pequeños permiten un mayor
factor de efectividad, pero causan una mayor caída
de presión por unidad de longitud y por lo tanto
mayor consumo de potencia.
El área superficial de los catalizadores reducidos es
típicamente de 10 a 20 m2/g.
La vida del catalizador en la industria es de 5 a 8
años.
• Los catalizadores pueden ser suministrados
a los usuarios de la siguiente forma:
a) En su forma oxida inicial, la cual se reduce en la
unidad mediante la mezcla de H2 + 3N2: esto lleva a
un periodo de acondicionamiento de 4 a 10 días.
b) En una forma prereducida no pirofórica, la cual se
utiliza inmediatamente, pero es más cara.

Aspectos técnicos
Los catalizadores estándares son solamente activos por encima de 400 °C, y son
estables bajo las siguientes condiciones:
a) La temperatura en el lecho no debe ser mayor de 550 °C.
La máxima temperatura del catalizador está limitada a aproximadamente 500 °C
para evitar una disminución significante de la actividad con el tiempo.
b) El gas de reposición debe estar libre de compuestos de azufre, arsénico y
fósforo, como también de cloro y, en general, de compuestos halogenados que son
venenos permanentes.
c) El contenido de compuestos de oxigeno, los cuales son venenos temporales,
debe satisfacer ciertos límites, tales O2,CO2 < 1 ppm; CO, H2O, CO + CO2 < 2 ppm.
Este requisito de pureza se alcanza repitiendo la absorción en nitrógeno líquido o
metanación, tantas como se requiere. La humedad luego se remueve por secado o
procedimientos criogénicos.
Por lo general, la actividad
del catalizador se caracteriza
con la ayuda de una
constante de velocidad k,
que es proporcional a k1.
La constante de velocidad k
depende de varios factores:
temperatura, actividad del
catalizador, tamaño de las
partículas de catalizador.
Etapas

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