Proceso Científico de la obtención del Amoniaco

El Amoniaco se caracteriza por ser un gas incoloro, intensamente picante y tóxico en altos niveles de exposición. Se produce a nivel mundial para su uso como fertilizante y como fuente primaria de nitrógeno en la producción de muchas sustancias químicas.

Breve Historia

El amoniaco debe su nombre a los romanos, que lo encontraron cerca del templo de Amón, en la actual población de Luxor, Egipto. Aquel cristal blanco-grisáceo que los romanos llamaron “sal de Amón” era lo que hoy conocemos como cloruro amónico.

En el año 1918, el químico alemán Fritz Haber (1868-1934) obtuvo el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la termodinámica de las reacciones gaseosas; estas investigaciones derivaron, en 1913, en el proceso de producción de amoniaco a escala industrial, que aún hoy se utiliza, y que lleva su nombre: proceso Haber. Aunque existen modificaciones posteriores de este método, lo cierto es que todos están basados en el proceso Haber.

Métodos de Obtención

Método de Cianamida

Cuando el carburo cálcico se calienta a 1100ºC en presencia de nitrógeno, se forma cianamida cálcica, CaCN2, que, tratada al vapor, desprende amoniaco. No obstante, la cianamida es un compuesto altamente tóxico, y desprende poco amoniaco, por lo que el procedimiento cayó en desuso.

Proceso Haber

Se obtiene nitrógeno gaseoso, N2, por licuefacción parcial del aire o haciéndolo pasar a través de coque al rojo. El nitrógeno así obtenido se mezcla con hidrógeno puro, conduciendo la mezcla a lo largo de unos tubos convertidores rellenos de una masa catalítica porosa, que generalmente está compuesta por óxidos de hierro y pequeñas cantidades de óxidos de potasio y aluminio.La reacción química del proceso a partir del hidrógeno y el nitrógeno gaseosos es exotérmica y reversible:

N2(g) + 3H2(g) <–> 2NH3(g)                            

Su Kc a 25ºC vale 3,6·10^8, este alto valor de la constante de equilibrio indica que, en el equilibrio, prácticamente todo el N2 y H2 se han convertido en NH3. Sin embargo, la reacción es tan lenta a 25ºC que no se producen cantidades detectables de NH3 en tiempos razonables. Por ello se suele operar a presiones entre 200 y 700 atmósferas y alrededor de 500ºC.

* Efecto de la temperatura

Puesto que la reacción es exotérmica, la formación de amoniaco se verá favorecida por una disminución de la temperatura. Sin embargo, la velocidad de una reacción química aumenta con la temperatura.

Por tanto, aquí se presenta un dilema: si se aumenta la temperatura, se aumenta la velocidad de la reacción, pero entonces dentro del reactor hay mucho N2 y H2 y poco NH3. Si se disminuye la temperatura, la reacción es lentísima. En la práctica, para resolver esta dificultad, se trabaja a una temperatura de 500-600ºC y se añade un catalizador (de platino, tungsteno u óxidos de hierro), para aumentar así la velocidad de la reacción química.

*Efecto de la presión

Al aumentar la presión se favorece la formación de NH3, que es lo deseado. Ésa es la causa de que en el proceso de Haber se empleen presiones tan elevadas. En concreto se emplean presiones que van desde las 200 atmósferas a las 1000 atmósferas. La utilización de presiones superiores está limitada por el coste que representa utilizar recipientes que resistan presiones tan elevadas.

* Rendimiento de la temperatura y presión

A 500-600ºC y unas 900 atm, la conversión de N2 y H2 en amoniaco llega prácticamente a un 40%; pero sin catalizador se requerirían meses para conseguir el estado de equilibrio. Al añadir el catalizador, se consigue el mismo equilibrio en una fracción de segundo. A las presiones empleadas, el amoniaco se separa como líquido de la mezcla gaseosa por enfriamiento, mientras el nitrógeno y el hidrógeno, no condensables, que no han reaccionado, vuelven nuevamente a los convertidores.

En la tabla siguiente se muestra el rendimiento de obtención de amoniaco en función de la temperatura y la presión:

En esta tabla se observa que al aumentar la temperatura a 758ºC, la constante de equilibrio disminuye del orden de 10^10 veces. Si bajásemos mucho la temperatura, el proceso seria lento, que no es rentable industrialmente ni siquiera en presencia de catalizador. Por todo lo anterior se observa que el proceso debe efectuarse alrededor de 500ºC y a la mayor presión posible.