Amoníaco

Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Química Industrial
Prof. Miriam Rodríguez
AMONÍACO
Maracaibo, febrero de 2019
Luis Eduardo Hernández Ramírez
22.449.743

ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
1. Amoníaco
a) Características del Amoníaco
b) Usos del Amoníaco
c) Importancia del Amoníaco
2. Vías importantes de producción de amoníaco
a) Reformado con vapor de agua
o Secuencia de etapas
b) Oxidación parcial
c) Síntesis a partir de hidrógeno como subproducto
d) Síntesis biológica
3. Termodinámica y cinética en la producción de amoníaco
a) Mecanismo de reacción
b) Catalizadores en la síntesis de amoníaco
c) Influencia de la temperatura
4. Etapa de conversión en el proceso de obtención de amoníaco
5. Etapa de remoción de CO2 en el proceso de obtención de amoníaco
a) Elección del solvente adecuado para la remoción de CO2
6. Proceso de síntesis de amoníaco
CONCLUSIÓN
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El amoníaco se encuentra en pequeñas cantidades en la atmósfera, siendo
producido por la putrefacción de la materia nitrogenada proveniente de
plantas y animales. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada
año es casi igual a la producida por la naturaleza. Actualmente, en torno a un
80 % del amoniaco que se produce en todo el mundo se utiliza como fuente
de nitrógeno para fabricar fertilizantes, mientras que el 20 % restante se
emplea en distintas aplicaciones industriales, como la producción de
plásticos, fibras, explosivos, hidracina, aminas, amidas, nitrilos y otros
compuestos orgánicos de nitrógeno que sirven de productos intermedios en
la fabricación de tintes y productos farmacéuticos. Por lo tanto, su costo
energético influye de manera importante en los sectores de la industria
química.
INTRODUCCIÓN

CARACTERÍSTICAS
DEL AMONÍACO
Gas incoloro
en
condiciones
normales
Olor
penetrante y
desagradable
característico
que irrita los
ojos
Fórmula
química:
NH3
Solubilidad
en agua con
liberación
de vapor
Estable a
temperatura
ambiente, se
descompone
por el calor
Densidad: 0,73 Kg/m3
Masa molar: 17,03 g/mol
Punto de fusión: -78 ºC
Punto de ebullición: -33 ºC
Punto de descomposición: 500 ºC
Punto de inflamabilidad: 11 ºC

Usos principales
• Fertilizantes.
• Precursor de compuestos de nitrógeno.
• Limpiador.
• Fermentación.
• Agente antimicrobiano para alimentos.
• Fertilizante agrícola.
Usos menores y
emergentes
• Refrigeración.
• Remediación de emisión de gases.
• Combustible.
• Industria textil.
• Gas de levantamiento.
• Tratamiento de la madera.

• Es una materia prima importante. La
mayor parte (más del 80 %) del
amoníaco producido en plantas
químicas es usado para fabricar
abonos y para su aplicación directa
como abono.
• El resto es usado en textiles, plásticos,
explosivos, en la producción de pulpa
y papel, alimentos y bebidas,
productos de limpieza domésticos,
refrigerantes y otros productos.
También se usa en sales aromáticas.
IMPORTANCIA

• El amoníaco es una
importante fuente de
nitrógeno para sistemas
vivos. Aunque el nitrógeno
atmosférico abunda (más
del 75 %), algunas criaturas
vivas son capaces de usar el
nitrógeno atmosférico en su
forma diatómica, N2 gas.
• De esta manera, la fijación
de nitrógeno es requerida
para la síntesis de
aminoácidos, los cuales son
la base de la proteína.
Algunas plantas usan el
amoníaco del nitrógeno
atmosférico.
IMPORTANCIA

VÍAS MÁS
IMPORTANTES
DE PRODUCCIÓN
DE AMONÍACO

REFORMADO
CON VAPOR
DE AGUA
Debido a que la ruta química
más utilizada es el reformado
con vapor, las plantas de
producción se basan en esta
reacción y en los tratamientos
de las materias primas para
llevarla a cabo.

REFORMADO CON VAPOR DE AGUA
La materia prima
utilizada es gas
natural, el cual
traerá cierta
cantidad de azufre
orgánico consigo y
que es retirada en
la etapa de
desulfuración.
Esto se logra
convirtiendo el
azufre en sulfuro de
hidrógeno utilizando
un reactor de
hidrogenación que
utiliza un catalizador
de cobalto-
molibdeno.
Siguiente a
esto, se utiliza
un lecho de
óxido de Zinc
para absorber
el sulfuro
producido
Este mecanismo es útil
sólo cuando la
concentración de azufre es
baja, caso contrario se
utiliza la absorción en
algún ácido. Cuando hay
presencia de compuestos
clorados, se utiliza un
lecho de alúmina para
absorberlos.
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El segundo proceso es la
reformación de los
hidrocarburos utilizando
vapor de proceso. Esto es
llevado a cabo en dos
etapas para maximizar la
conversión, y utilizando
reactores catalíticos que
siguen las siguientes
reacciones:
CH4 + 2H2O ←→ CO + 3H2
CH3CH3 + 2H2O ←→ 2CO + 5H2
CH3CH2CH3 + 3H2O ←→ 3CO + 7H2
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En esta etapa se forma
el hidrógeno necesario
en la síntesis de
amoniaco. El catalizador
utilizado es óxido de
níquel en un soporte de
alúmina. Debido a que
son reacciones
endotérmicas, se
requiere adicionar calor
al sistema.
En la primera etapa se
utiliza un sistema de
calentamiento indirecto,
quemando algún
combustible, mientras que
en la segunda etapa se
suele quemar parte de la
mezcla de alimentación
para reducir el contenido de
hidrocarburos lo más
posible.
Al realizar esta combustión
de la mezcla de
alimentación, se generan
cantidades apreciables de
monóxido y dióxido de
carbono, que requieren ser
eliminadas para evitar
envenenamiento del
catalizador en la síntesis
del amoniaco.
3

El monóxido de carbono es
la especie que se trata
primero. Se utiliza un
reactor catalizador en el
que se transforma el
monóxido en dióxido
utilizando vapor de agua:
CO + H2O ←→ CO2 + H2
La corriente de
salida de esta
etapa es enfriada
por medio de un
enfriador de agua o
por salida libre del
calor en exceso a la
atmósfera.
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Esta corriente tiene
concentraciones altas de
dióxido de carbono, el cual
debe ser retirado antes de
la reacción principal. Se
utiliza un sistema de
absorbedor- despojador
utilizando solventes afines
(metilaminas) para tal fin.

Después de la etapa de
remoción de los
compuestos oxigenados,
se realiza un
tratamiento de los
residuos de éstos
compuestos. Se utiliza la metanación, la
cual se basa en las
reacciones inversas del
proceso de reformación y
del proceso de
transformación del
monóxido:
CO2 + H2 ←→ CO + H2O
CO + 3H2 ←→ CH4 + H2O
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OXIDACIÓN
PARCIAL
En esta ruta se utilizan
principalmente como
materias primas
hidrocarburos pesados que
no son adecuados para el
reformado con vapor, donde
se incluyen nafta, petróleo
crudo, fuel-oil pesado, asfalto
y alquitrán.

SÍNTESIS A
PARTIR DE
HIDRÓGENO
COMO
SUBPRODUCTO
• En esta vía de producción, se toma el
hidrógeno generado en equipos cuyo
propósito principal no es la producción
del mismo.
• Por ejemplo, en varias operaciones en la
refinación del petróleo como lo son el
cracking catalítico o la coquización.
• Otras fuentes de hidrógeno como
subproducto son los crackers de etileno o
el gas de salida de procesos industriales
de electrólisis.
• Se realiza un tratamiento del hidrógeno
dependiendo de su procedencia y se hace
reaccionar con nitrógeno en las
condiciones mencionadas anteriormente.

SÍNTESIS
BIOLÓGICA
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.

TERMODINÁMICA Y CINÉTICA EN LA
PRODUCCIÓN DE AMONÍACO
El conocimiento de la ecuación cinética de la síntesis de amoniaco es de gran
utilidad para el diseño de reactores industriales para este proceso, determinación
de condiciones óptimas de reacción y elaboración de sistemas de control
computarizado para plantas de amoniaco.
Las ecuaciones desarrolladas para describir el proceso de síntesis de amoniaco
debe contemplar la dependencia de la velocidad de formación de amoniaco
respecto a condiciones de operación como presión, temperatura, composición del
gas, composición de equilibrio, concentración de venenos y limitaciones de
transferencia de masa y calor, los cuales son factores determinantes en un proceso
industrial.

De forma general, la síntesis de
amoniaco procede a través de pasos
elementales donde tanto el nitrógeno
como el hidrógeno se adsorben y se
disocian sobre la superficie,
considerando la adición paso a paso de
hidrógeno atómico a nitrógeno atómico
y la desorción de amoniaco desde la
superficie del catalizador.
MECANISMO
DE REACCIÓN

En la figura, se describe la síntesis de
amoniaco mediante un esquema de
etapas individuales, y se muestra,
mediante el perfil energético de la
reacción, el efecto de la presencia del
catalizador de hierro sobre la energía de
activación para cada etapa del
mecanismo, evidenciando que la
presencia del catalizador posibilita la
ocurrencia de la reacción a condiciones
industrialmente viables.
MECANISMO
DE REACCIÓN

Diversos estudios han determinado que
bajo las condiciones típicas de
operación, la etapa limitante de la
velocidad de reacción comprende la
adsorción y disociación de nitrógeno; en
otros estudios se observó una gran
similitud entre la velocidad de
adsorción de nitrógeno sobre
catalizadores de hierro y la velocidad de
reacción de síntesis de amoniaco,
fortaleciendo la hipótesis de que los
pasos 2 y 3 comprenden las etapas
limitantes en el mecanismo de
reacción planteado.
MECANISMO
DE REACCIÓN

Los factores que aumentan el rendimiento, al desplazar el equilibrio de la reacción hacia los
productos (Principio de Le Châtelier), son las condiciones de alta presión (150-300 atmósferas)
y altas temperaturas (400-500 °C), resultando en un rendimiento del 10-20%.
N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) ΔHº = -92,4 KJ
ΔH representa la variación de energía , también llamado entalpía, y equivale a -92,4 kJ/mol. Al
ser negativa, libera calor, por lo que la reacción es exotérmica.

Equilibrio de la reacción reversible:

CATALIZADORES
EN LA SÍNTESIS
DE AMONÍACO
• La síntesis de Haber-Bosch es una reacción
lenta, puesto que tiene una energía de
activación muy alta. Por esa razón, no conviene
trabajar a temperaturas demasiado bajas,
porque entonces la reacción es excesivamente
lenta.
• Para conseguir que el equilibrio se alcance en
un tiempo razonable, la temperatura de trabajo
es media, del orden de 450 ºC, y se utiliza un
catalizador para disminuir la barrera de
energía.

Como la reacción de nitrógeno e
hidrógeno gaseosos para producir
amoníaco, es muy lenta, se acelera
con un catalizador de hierro (Fe3+) y
óxidos de aluminio (Al2O3) y potasio
(K2O) permitiendo que el equilibrio
se alcance con mayor rapidez.
CATALIZADORES
EN LA SÍNTESIS
DE AMONÍACO

INFLUENCIA DE
LA TEMPERATURA
• Puesto que la reacción es exotérmica, según el Principio de Le Chatelier, 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, en cualquiera de los dos sentidos; es
decir, el factor cinético se favorece a elevadas temperaturas.
• A medida que la temperatura disminuye, la velocidad de la reacción se hace cada vez
menor y, en consecuencia, la obtención del amoníaco no tendría interés en la práctica, ya que
se tardaría mucho tiempo para conseguir una pequeña concentración de NH3.

INFLUENCIA DE
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.

ETAPA DE CONVERSIÓN
EN EL PROCESO DE
OBTENCIÓN DE AMONÍACO
El gas de proceso del reformador secundario contiene entre un 12 % y un 15 %
de CO (gas seco).
La mayor parte de este CO se convierte en CO2 y H2 en la sección catalítica a
través de esta reacción:
CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔHº = -41 KJ/mol
La reacción se produce en dos etapas, con una eliminación de calor
intermedia. En la primera etapa, el gas de proceso atraviesa un lecho de
catalizador de óxido de hierro/óxido de cromo a 350 – 380 °C, seguido de un
catalizador de óxido de cobre/óxido de zinc a 200 – 220 °C aproximadamente.

EN EL PROCESO DE
El contenido ﬁnal de CO residual en el gas oscila entre 0,2 % y 0,4 %. Si se
continúa investigando en esta dirección, se podría conseguir una conversión
catalítica isotérmica en una sola etapa con refrigeración interna del gas de
proceso mediante tuberías de refrigeración que atraviesen las capas de
catalizador.
• Condensados del proceso. El gas que sale del reactor catalítico de baja
temperatura se enfría y, después de condensar y eliminar la mayor parte
del exceso de vapor, se envía a un sistema de eliminación de CO2. Este paso
es necesario para prevenir la dilución del disolvente de eliminación de CO2 y
mantener un correcto balance de equilibrio.

EN EL PROCESO DE
• Condensados del proceso. Los condensados con
un contenido aproximado de entre 1500 y 2000
ppm de amoniaco y de 800 a 1200 ppm de
metanol se pueden reciclar en el proceso de
distintas maneras. El calor que se desprende
durante la refrigeración y condensación se puede
aprovechar para varios procesos, por ejemplo,
para regenerar la solución de depuración del CO2,
para hacer funcionar una unidad de refrigeración
por absorción o para precalentar el agua de
alimentación de la caldera.

• Esta etapa del proceso elimina
el CO2 del gas de reacción,
cuya cantidad equivale a casi
todo el carbono introducido
como gas de alimentación en
el proceso.
• El contenido de CO2 residual
suele variar entre 50 y 3000
ppmv.
• El CO2 se elimina mediante
un proceso de absorción
química o física.
ETAPA DE
REMOCIÓN DE
CO2 EN EL
PROCESO DE
OBTENCIÓN DE
AMONÍACO

ETAPA DE REMOCIÓN
DE CO2 EN EL
PROCESO DE
OBTENCIÓN DE
AMONÍACO
Elección del solvente
adecuado para la
remoción de CO2
• Los disolventes que se utilizan en los
procesos de absorción química suelen
ser soluciones aminas acuosas.
• Por ejemplo, monoetanolamina (MEA),
metil-dietanolamina activada
(aMDEA) o soluciones de carbonato
potásico caliente.
• Para los procesos de absorción física se
suelen utilizar dos disolventes distintos:
glicol-dimetiléter (selexol) y
carbonato de propileno. El proceso
MEA requiere una elevada energía de
regeneración.

• Otro proceso emergente en este ámbito
es la adsorción con modulación de
presión (PSA), que permite combinar
en una sola etapa el proceso clásico de
eliminación de CO2 y la metanización
(siguiente etapa del proceso).
• Este método resulta adecuado cuando
la pureza del CO2 es poco relevante.
• Sin embargo, cuando se desee obtener
CO2 puro como producto, se puede
optar por una depuración clásica con
disolvente del eﬂuente gaseoso de baja
presión del PSA para recuperar el CO2.
ETAPA DE
REMOCIÓN DE
CO2 EN EL
PROCESO DE
OBTENCIÓN DE
AMONÍACO

PROCESO DE SÍNTESIS DE AMONÍACO
El NH3 se obtiene por el
método denominado
proceso Haber-Bosch (por
su puesta en marcha Fritz
Haber y Carl Bosch
recibieron el Premio Nobel
de Química en los años
1918 y 1931), que consiste en
la reacción directa entre el
nitrógeno y el hidrógeno
gaseosos.

Las condiciones en las que se produce esta síntesis se describen a continuación:
• Altas presiones, superiores a 300 atmósferas.
• Elevadas temperaturas, entre 400 y 500 ºC.
• Uso de catalizadores férricos u óxidos de aluminio.

El nitrógeno se suministra
en grandes cantidades, y se
obtiene por destilación
fraccionada del aire
licuado. El hidrógeno se
obtiene haciendo
reaccionar vapor de agua
con metano. En estas
condiciones,
alrededor del 30 %
de los reactivos se
transforman en
amoniaco.
Los gases calientes de la
cámara de reacción se
enfrían para licuar y
retirar el amoniaco. De
esta manera, se separan el
nitrógeno y el hidrógeno
que no han reaccionado y
se reciclan.

• Si observamos la reacción química, deducimos que, efectivamente, 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.

El proceso Haber para la obtención de amoníaco es de gran importancia
puesto que produce más de 100 millones de toneladas de fertilizante de
nitrógeno al año. El 8,27% del consumo total de energía mundial en un año se
destina a este proceso. Los fertilizantes que se obtienen son responsables
tanto del sustento de más de un tercio de la población mundial debido a que
la extracción de nutrientes del suelo por parte de la agricultura y ganadería es
cuantiosa y por ende deben ser repuestos de manera artificial, aunque el mal
uso de los fertilizantes producen numerosos problemas ambientales por la
erosión y el escurrimiento de nutrientes a napas y cuerpos de agua siendo el
más emblemático la eutrofización.
CONCLUSIÓN

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