Producción de amoniaco
Panorama histórico y métodos de producción de NH3

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 [1] de amoníaco (2021) anualmente. [2] [3] 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 ) e intermedios para tintes y productos farmacéuticos. La industria contribuye entre el 1% y el 2% del CO global
2[4] Entre 18 y 20 Mt de gas se transportan a nivel mundial cada año. [5]

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 generalmente utilizada el cloruro ( sal-amoniaco ).

Diagrama de flujo en bloques del proceso de síntesis de amoniaco

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.

CaO + 3 do ↽ − − ⇀ CaC 2 + CO {\displaystyle {\ce {CaO + 3C <=> CaC2 + CO}}}
CaC 2 + norte 2 ↽ − − ⇀ CaCN 2 + do {\displaystyle {\ce {CaC2 + N2 <=> CaCN2 + C}}}
CaCN 2 + 3 yo 2 Oh ↽ − − ⇀ CaCO 3 + 2 NUEVA HAMPSHIRE 3 {\displaystyle {\ce {CaCN2 + 3H2O <=> CaCO3 + 2NH3}}} [6]

Proceso Birkeland-Eyde

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.

Nitruros

Calentar metales como el magnesio en una atmósfera de nitrógeno puro produce nitruro , que cuando se combina con agua produce hidróxido metálico y amoníaco.

Proceso Haber-Bosch

Fritz Haber , 1918

El proceso Haber , [7] también llamado proceso Haber-Bosch, es el principal procedimiento industrial para la producción de amoniaco. [8] [9] Convierte el nitrógeno atmosférico (N 2 ) en amoniaco (NH 3 ) mediante una reacción con hidrógeno (H 2 ) utilizando hierro metálico finamente dividido como catalizador:

norte 2 + 3 yo 2 ↽ − − ⇀ 2 NUEVA HAMPSHIRE 3 Δ yo ∘ = − 92.28 kJ   ( Δ yo 298 K ∘ = − 46.14 a Yo / metro o yo ) {\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 <=> 2NH3}}\qquad {\Delta H^{\circ }=-92.28\;{\ce {kJ}}}\ ({\Delta H_{298\mathrm) {K} }^{\circ }=-46,14\;\mathrm {kJ/mol} })}

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

Los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron el proceso en la primera década del siglo XX, y su eficiencia mejorada sobre los métodos existentes como los procesos Birkeland-Eyde y Frank-Caro fue un avance importante en la producción industrial de amoníaco. [10] [11] [12] El proceso Haber se puede combinar con el reformado con vapor para producir amoníaco con solo tres insumos químicos: agua, gas natural y nitrógeno atmosférico. Tanto Haber como Bosch finalmente recibieron el Premio Nobel de Química : Haber en 1918 por la síntesis de amoníaco específicamente, y Bosch en 1931 por contribuciones relacionadas con la química de alta presión .

Impactos ambientales

Debido a que la producción de amoníaco depende de un suministro confiable de energía , a menudo se utilizan combustibles fósiles, que contribuyen al cambio climático cuando se queman y crean gases de efecto invernadero . [13] La producción de amoníaco también introduce nitrógeno en el ciclo del nitrógeno de la Tierra, lo que causa desequilibrios que contribuyen a problemas ambientales como la proliferación de algas. [14] [15] [16] Ciertos métodos de producción demuestran tener un menor impacto ambiental, como los que funcionan con energía renovable o nuclear. [16]

Producción sostenible

Ilustrando las entradas y salidas de la pirólisis de metano , un proceso para producir hidrógeno.

La producción sostenible es posible mediante el uso de pirólisis de metano no contaminante o la generación de hidrógeno mediante electrólisis de agua con fuentes de energía renovables . [17] Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers amplió su capacidad de producción anual de electrólisis de agua alcalina a 1 gigavatio de capacidad de electrolizador para este propósito. [18]

Ilustrando las entradas y salidas de la electrólisis simple del agua, para la producción de hidrógeno.

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. [19] La planta hidroeléctrica de Vemork en Noruega utilizó su excedente de producción de electricidad para generar ácido nítrico renovable entre 1911 y 1971, [20] requiriendo 15 mWh/tonelada de ácido nítrico. La misma reacción se lleva a cabo mediante rayos, lo que proporciona una fuente natural de nitratos solubles. [21] El gas natural sigue siendo el método de menor costo.

Las aguas residuales suelen tener un alto contenido de amoniaco. Debido a que el vertido de agua cargada de amoniaco al medio ambiente daña la vida marina, a menudo es necesaria la nitrificación para eliminar el amoniaco. [22] Esta puede convertirse en una fuente potencialmente sostenible de amoniaco dada su abundancia. [23] 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. [24] La electrólisis de amoniaco puede requerir mucha menos energía termodinámica que la electrólisis del agua (solo 0,06 V en medios alcalinos). [25]

Otra opción para recuperar amoniaco de las aguas residuales es utilizar la mecánica del ciclo de absorción térmica amoniaco-agua. [26] [27] 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

El proceso para fabricar amoniaco a partir de carbón

La producción de amoníaco a partir de carbón se practica principalmente en China, donde es la principal fuente. [6] El oxígeno del módulo de separación de aire se alimenta al gasificador para convertir el carbón en gas de síntesis ( H 2 , CO, CO 2 ) y CH 4 . 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 MW Kellogg con una capacidad de 544 tm/día. Utilizaba un diseño de tren único que recibió el “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 reducciones de costes significativas.

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 agregó 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 eliminaron 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 bucle de síntesis de flujo único a presión media en serie con un bucle de síntesis de alta presión convencional. [28]

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 ordinarias que utilizan un catalizador electroquímico. [29] [30]

Amoniaco verde

En 2024, la BBC anunció que numerosas empresas estaban intentando reducir en un 2% las emisiones globales de dióxido de carbono causadas por el uso/producción de amoníaco mediante la producción del producto en laboratorios. La industria se ha hecho conocida como " amoníaco verde ". [31]

Subproductos y escasez debido a los 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. [32] 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. [33] [34]

Véase también

Referencias

  1. ^ Servicio de Investigación del Congreso. (7 de diciembre de 2022). "El papel potencial del amoniaco en una economía baja en carbono". Sitio web del CRP. Consultado el 24 de septiembre de 2023.
  2. ^ "Capacidad de producción anual mundial de amoniaco".
  3. ^ "Mitsubishi Heavy Industries BrandVoice: Aumentar la producción de amoníaco para el suministro mundial de alimentos". Forbes .
  4. ^ Koop, Fermin (13 de enero de 2023). "El amoníaco (y los fertilizantes) verdes podrían finalmente estar a la vista, y sería algo enorme". ZME Science . Consultado el 21 de marzo de 2023 .
  5. ^ Servicio de Investigación del Congreso. (7 de diciembre de 2022). "El papel potencial del amoniaco en una economía baja en carbono". Sitio web del CRP. Consultado el 24 de septiembre de 2023.
  6. ^ ab "Introducción a la producción de amoniaco". www.aiche.org . 2016-09-08 . Consultado el 2021-08-19 .
  7. ^ Proceso químico de Habers . India: Publicaciones Arihant. 2018. Pág. 264. ISBN 978-93-131-6303-9.
  8. ^ Appl, M. (1982). "El proceso Haber-Bosch y el desarrollo de la ingeniería química". Un siglo de ingeniería química . Nueva York: Plenum Press. pp. 29–54. ISBN 978-0-306-40895-3.
  9. ^ Appl, Max (2006). "Amoníaco". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a02_143.pub2. ISBN 978-3527306732.
  10. ^ Smil, Vaclav (2004). Enriqueciendo la Tierra: Fritz Haber, Carl Bosch y la transformación de la producción mundial de alimentos (1.ª ed.). Cambridge, MA: MIT. ISBN 978-0-262-69313-4.
  11. ^ Hager, Thomas (2008). La alquimia del aire: un genio judío, un magnate condenado y el descubrimiento científico que alimentó al mundo pero impulsó el ascenso de Hitler (1.ª ed.). Nueva York, Nueva York: Harmony Books. ISBN 978-0-307-35178-4.
  12. ^ Sittig, Marshall (1979). Industria de fertilizantes: procesos, control de la contaminación y conservación de la energía . Park Ridge, Nueva Jersey: Noyes Data Corp. ISBN 978-0-8155-0734-5.
  13. ^ Mayer, Patricia; Ramirez, Adrian; Pezzella, Giuseppe; Winter, Benedikt; Sarathy, S. Mani; Gascon, Jorge; Bardow, André (18 de agosto de 2023). "Producción de amoniaco azul y verde: una perspectiva tecnoeconómica y de evaluación del ciclo de vida". iScience . 26 (8): 107389. Bibcode :2023iSci...26j7389M. doi :10.1016/j.isci.2023.107389. PMC 10404734 . PMID  37554439. 
  14. ^ Gilbert, Patricia M; Maranger, Roxane; Sobota, Daniel J; Bouwman, Lex (1 de octubre de 2014). "El vínculo entre Haber Bosch y la floración de algas nocivas (HB–HAB)". Environmental Research Letters . 9 (10): 105001. Bibcode :2014ERL.....9j5001G. doi :10.1088/1748-9326/9/10/105001. ISSN  1748-9326.
  15. ^ Erisman, Jan Willem; Galloway, James N.; Seitzinger, Sybil; Bleeker, Albert; Dise, Nancy B.; Petrescu, AM Roxana; Leach, Allison M.; de Vries, Wim (5 de julio de 2013). "Consecuencias de la modificación humana del ciclo global del nitrógeno". Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 368 (1621): 20130116. doi :10.1098/rstb.2013.0116. ISSN  0962-8436. PMC 3682738 . PMID  23713116. 
  16. ^ ab Li, Yifei; Zhang, Zongyue; Wang, Qingrui; Long, Xiangtao; Cao, Yuwei; Yang, Haiping; Yang, Qing (1 de noviembre de 2023). "Huellas de nitrógeno y carbono de la síntesis de amoníaco en China basadas en la evaluación del ciclo de vida". Revista de gestión medioambiental . 345 : 118848. doi :10.1016/j.jenvman.2023.118848. ISSN  0301-4797. PMID  37660421.
  17. ^ Lumbers, Brock (2022). "Modelado matemático y simulación de la descomposición termocatalítica del metano para una producción de hidrógeno económicamente mejorada". Revista internacional de energía del hidrógeno . 47 (7): 4265–4283. doi :10.1016/j.ijhydene.2021.11.057. S2CID  244814932 . Consultado el 16 de marzo de 2022 .
  18. ^ "Electrólisis del agua > Productos > Inicio". Uhde Chlorine Engineers . Archivado desde el original el 2021-10-19 . Consultado el 2021-12-08 .
  19. ^ "Islandia lanza una revolución energética". BBC News. 24 de diciembre de 2001. Archivado desde el original el 7 de abril de 2008. Consultado el 23 de marzo de 2008 .
  20. ^ Bradley, David (6 de febrero de 2004). "Un gran potencial: los Grandes Lagos como fuente regional de energía renovable" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 29 de octubre de 2008. Consultado el 4 de octubre de 2008 .
  21. ^ Karl Fisher; William E. Newton (2002). GJ Leigh (ed.). Fijación de nitrógeno en el milenio . Elsevier. págs. 2-3. ISBN 978-0-444-50965-9.
  22. ^ "StackPath". www.waterworld.com . Marzo de 2010.
  23. ^ Huang, Jianyin; Kankanamge, Nadeeka Rathnayake; Chow, Christopher; Welsh, David T.; Li, Tianling; Teasdale, Peter R. (enero de 2018). "Eliminación de amonio del agua y las aguas residuales mediante adsorbentes rentables: una revisión". Revista de Ciencias Ambientales . 63 : 174–197. doi :10.1016/j.jes.2017.09.009. PMID  29406102.
  24. ^ Muthuvel, Madhivanan; Botte, Gerardine G (2009). "Tendencias en la electrólisis de amoniaco". Aspectos modernos de la electroquímica, núm. 45 . vol. 45, págs. 207–245. doi :10.1007/978-1-4419-0655-7_4. ISBN 978-1-4419-0654-0.
  25. ^ Gwak, Jieun; Choun, Myounghoon; Lee, Jaeyoung (febrero de 2016). "Electrólisis alcalina de amoníaco en platino electrodepositado para la producción controlable de hidrógeno". ChemSusChem . 9 (4): 403–408. Bibcode :2016ChSCh...9..403G. doi :10.1002/cssc.201501046. PMID  26530809.
  26. ^ Lin, P.; Wang, RZ; Xia, ZZ; Ma, Q. (junio de 2011). "Ciclo de absorción de amoniaco-agua: una forma prospectiva de transportar energía térmica de bajo grado a larga distancia". Revista internacional de tecnologías bajas en carbono . 6 (2): 125–133. doi : 10.1093/ijlct/ctq053 .
  27. ^ Shokati, Naser; Khanahmadzadeh, Salah (agosto de 2018). "El efecto de diferentes combinaciones de ciclos de refrigeración por absorción y Rankine con amoniaco-agua en el rendimiento exergoeconómico del ciclo de cogeneración". Ingeniería térmica aplicada . 141 : 1141–1160. Código Bibliográfico :2018AppTE.141.1141S. doi :10.1016/j.applthermaleng.2018.06.052. S2CID  115749773.
  28. ^ "Das Zweidruckverfahren von Uhde - Düngemittelanlagen". Soluciones Industriales (en alemán) . Consultado el 8 de diciembre de 2021 .
  29. ^ "Ajinomoto Co., Inc., UMI y profesores del Instituto Tecnológico de Tokio crean una nueva empresa para implementar la primera producción in situ de amoníaco del mundo". Ajinomoto . 27 de abril de 2017 . Consultado el 22 de noviembre de 2021 .
  30. ^ "Introducción a la tecnología y los negocios". Tsubame BHB . 27 de abril de 2017 . Consultado el 22 de noviembre de 2021 .
  31. ^ Baraniuk, Chris (27 de febrero de 2024). "Por qué las empresas compiten para producir amoníaco verde". BBC News .
  32. ^ "Esta es exactamente la razón por la que nos estamos quedando sin CO2 para la producción de cerveza y carne". iNews . 2018-06-28.
  33. ^ "¿Por qué hay escasez de CO2 y cómo afectará a los suministros de alimentos?". BBC News . 20 de septiembre de 2021 . Consultado el 21 de septiembre de 2021 .
  34. ^ "Crisis del gas: no hay posibilidad de que se apaguen las luces, dice el gobierno". BBC News . 2021-09-20 . Consultado el 2021-09-21 .

Obras citadas

  • Clark, Jim (abril de 2013) [2002]. "El proceso Haber" . Consultado el 15 de diciembre de 2018 .
  • La industria de producción de hidrógeno en la actualidad
  • Uso de energía e intensidad energética de la industria química de EE. UU. Archivado el 30 de septiembre de 2018 en Wayback Machine , Informe LBNL-44314, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Desplácese hacia abajo hasta la página 39 de 40 páginas PDF para obtener una lista de las plantas de amoníaco en los Estados Unidos)
  • Amoniaco: el siguiente paso incluye un diagrama de flujo del proceso detallado .
  • Diagrama de flujo de una planta de proceso de producción de amoniaco en resumen con tres controles.
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