El amoníaco es uno de los productos químicos inorgánicos más producidos. Existen numerosas plantas de producción de amoníaco a gran escala en todo el mundo, que produjeron un total de 144 millones de toneladas de nitrógeno (equivalente a 175 millones de toneladas de amoníaco) en 2016. [1] China produjo el 31,9% de la producción mundial, seguida de Rusia con el 8,7%. , India con 7,5% y Estados Unidos con 7,1%. El 80% o más del amoníaco producido se utiliza para fertilizar cultivos agrícolas. El amoníaco también se utiliza para la producción de plásticos, fibras, explosivos, ácido nítrico (mediante el proceso de Ostwald ) e intermedios para tintes y productos farmacéuticos.
Historia
Antes del comienzo de la Primera Guerra Mundial , la mayor parte del amoníaco se obtenía por destilación en seco de productos vegetales y animales nitrogenados; por la 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-amoniacal ).
Hoy en día, la mayor parte del amoníaco se produce a gran escala mediante el proceso Haber con capacidades de hasta 3.300 toneladas por día. En este proceso, se permite que los gases N 2 y H 2 reaccionen a presiones de 200 bar.
Plantas modernas de producción de amoniaco
Una planta típica moderna de producción de amoníaco primero convierte gas natural , gas licuado de petróleo o nafta de petróleo en hidrógeno gaseoso . El método para producir hidrógeno a partir de hidrocarburos se conoce como reformado con vapor . [2] Luego, el hidrógeno se combina con nitrógeno para producir amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch .
Comenzando con un gas natural ( CH
4) materia prima, los diferentes pasos utilizados en el proceso de producción de hidrógeno son los siguientes:
- El primer paso del proceso es eliminar los compuestos de azufre de la materia prima porque el azufre desactiva los catalizadores utilizados en los pasos posteriores. La eliminación de azufre requiere hidrogenación catalítica para convertir los compuestos de azufre en las materias primas en sulfuro de hidrógeno gaseoso :
- H 2 + RSH → RH + H 2 S (gas)
- Luego, el sulfuro de hidrógeno gaseoso se adsorbe y se elimina pasándolo a través de lechos de óxido de zinc donde se convierte en sulfuro de zinc sólido :
- H 2 S + ZnO → ZnS + H 2 O
- El reformado catalítico con vapor de la materia prima libre de azufre se usa luego para formar hidrógeno más monóxido de carbono :
- CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
- El siguiente paso luego usa la conversión de cambio catalítico para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono y más hidrógeno:
- CO + H 2 O → CO 2 + H 2
- Luego, el dióxido de carbono se elimina por absorción en soluciones acuosas de etanolamina o por adsorción en adsorbedores de cambio de presión (PSA) utilizando medios de adsorción sólidos patentados.
- El paso final para producir el hidrógeno es usar metanización catalítica para eliminar cualquier pequeña cantidad residual de monóxido de carbono o dióxido de carbono del hidrógeno:
- CO + 3 H 2 → CH 4 + H 2 O
- CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
Para producir el amoníaco del producto final deseado, el hidrógeno se hace reaccionar catalíticamente con nitrógeno (derivado del aire de proceso) para formar amoníaco líquido anhidro . Este paso se conoce como ciclo de síntesis de amoníaco (también conocido como el proceso de Haber-Bosch ):
- 3 H 2 + N 2 → 2 NH 3
Debido a la naturaleza del catalizador (típicamente magnetita multi-promovida ) usado en la reacción de síntesis de amoníaco, solo se pueden tolerar niveles muy bajos de compuestos que contienen oxígeno (especialmente CO, CO 2 y H 2 O) en la síntesis (hidrógeno y mezcla de nitrógeno) gas. Se puede obtener nitrógeno relativamente puro mediante la separación del aire , pero es posible que se requiera una eliminación adicional de oxígeno .
Debido a las tasas de conversión de una sola pasada relativamente bajas (típicamente menos del 20%), se requiere una gran corriente de reciclaje. Esto puede conducir a la acumulación de inertes en el gas del circuito.
Los pasos de reformado con vapor, conversión por turnos, eliminación de dióxido de carbono y metanización operan cada uno a presiones absolutas de aproximadamente 25 a 35 bar, y el circuito de síntesis de amoníaco opera a presiones absolutas que varían de 60 a 180 bar, dependiendo del diseño patentado que se utilice. Hay muchas empresas de ingeniería y construcción que ofrecen diseños patentados para plantas de síntesis de amoníaco. Haldor Topsoe de Dinamarca, Thyssenkrupp Industrial Solutions GmbH de Alemania, Casale SA de Suiza y Kellogg Brown & Root de los Estados Unidos se encuentran entre las empresas con más experiencia en ese campo.
Producción sostenible de amoniaco
La producción de amoníaco depende de abundantes suministros de energía , predominantemente gas natural . Debido al papel fundamental del amoníaco en la agricultura intensiva y otros procesos, es deseable una producción sostenible. Esto es posible mediante el uso de pirólisis de metano no contaminante o la generación de hidrógeno por electrólisis de agua (o vapor) utilizando electricidad sin carbono de fuentes de energía renovable o energía nuclear .
Esto sería sencillo en una economía de hidrógeno al desviar parte de la producción de hidrógeno del combustible al uso como materia prima. Por ejemplo, en 2002, Islandia produjo 2.000 toneladas de gas hidrógeno por electrólisis , utilizando el exceso de producción de electricidad de sus plantas hidroeléctricas , principalmente para la producción de amoníaco como fertilizante. [3] La central hidroeléctrica de Vemork en Noruega utilizó su producción de electricidad excedente para generar ácido nítrico renovable de 1911 a 1971, [4] requiriendo 15 MWh / tonelada de ácido nítrico. La misma reacción se lleva a cabo mediante un rayo, que proporciona una fuente natural para convertir el nitrógeno atmosférico en nitratos solubles. [5] En la práctica, el gas natural seguirá siendo la principal fuente de hidrógeno para la producción de amoníaco siempre que sea el más barato .
Las aguas residuales suelen tener un alto contenido de amoníaco. Debido a que la descarga de agua cargada de amoníaco en el medio ambiente, incluso en plantas de tratamiento de aguas residuales, puede causar problemas, la nitrificación a menudo es necesaria para eliminar el amoníaco. [6] Esta puede ser una fuente potencialmente sostenible de amoníaco en el futuro debido a su abundancia y la necesidad de eliminarlo del agua de todos modos . [7] Alternativamente, el amoníaco de las aguas residuales se envía a un electrolizador de amoníaco (electrólisis de amoníaco) que funciona con fuentes de energía renovables (energía solar fotovoltaica y turbina eólica) para producir hidrógeno y agua tratada limpia. [8] La electrólisis de amoníaco puede requerir mucha menos energía termodinámica que la electrólisis del agua (solo 0.06 V en medios alcalinos). [9]
Otra opción para recuperar el amoniaco de las aguas residuales es utilizar la mecánica del ciclo de absorción térmica amoniaco-agua. [10] [11] Con esta opción, el amoníaco se puede recuperar como líquido o como hidróxido de amonio. La ventaja del primero es que es mucho más fácil de manipular y transportar, mientras que el segundo también tiene valor comercial cuando se produce una concentración del 30 por ciento de hidróxido de amonio en solución.
Subproductos
Uno de los principales subproductos industriales de la producción de amoníaco es el CO 2 . En 2018, los altos precios del petróleo provocaron un cierre prolongado en verano de las fábricas de amoníaco europeas, lo que provocó una escasez comercial de CO 2 , lo que limitó la producción de bebidas carbonatadas como la cerveza y los refrescos con gas. [12]
Ver también
- Tratamiento de gas amina
- Proceso Haber
- Economía de hidrógeno
- Pirólisis de metano
Referencias
- ^ Publicación del Servicio Geológico de Estados Unidos
- ^ Twygg, Martyn V. (1989). Manual del catalizador (2ª ed.). Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-1-874545-36-1.
- ^ "Islandia lanza la revolución energética" . Noticias de la BBC. 2001-12-24. Archivado desde el original el 7 de abril de 2008 . Consultado el 23 de marzo de 2008 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ http://www.waterworld.com/articles/print/volume-26/issue-3/editorial-features/addressing-the-challenge.html
- ^ Huang, Jianyin; Kankanamge, Nadeeka Rathnayake; Chow, Christopher; Galés, 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 .
- ^ Muthuvel, Madhivanan; Botte, Gerardine G (2009). "Tendencias en electrólisis de amoniaco". Aspectos modernos de la electroquímica, n . ° 45 . Aspectos modernos de la electroquímica. 45 . págs. 207–245. doi : 10.1007 / 978-1-4419-0655-7_4 . ISBN 978-1-4419-0654-0.
- ^ Gwak, Jieun; Choun, Myounghoon; Lee, Jaeyoung (febrero de 2016). "Electrólisis de amoníaco alcalino sobre platino electrodepositado para producción controlable de hidrógeno". ChemSusChem . 9 (4): 403–408. doi : 10.1002 / cssc.201501046 . PMID 26530809 .
- ^ Lin, P .; Wang, RZ; Xia, ZZ; Ma, Q. (junio de 2011). "Ciclo de absorción de amoníaco-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 .
- ^ Shokati, Naser; Khanahmadzadeh, Salah (agosto de 2018). "El efecto de diferentes combinaciones de Rankine amoniaco-agua y ciclos de refrigeración por absorción sobre el desempeño exergoeconómico del ciclo de cogeneración". Ingeniería Térmica Aplicada . 141 : 1141-1160. doi : 10.1016 / j.applthermaleng.2018.06.052 .
- ^ "Es exactamente por eso que nos estamos quedando sin CO2 para la producción de cerveza y carne" . iNews . 2018-06-28.
enlaces externos
- La industria de producción de hidrógeno actual
- Uso de energía e intensidad energética de la industria química de EE. UU. , Informe LBNL-44314, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Desplácese hacia abajo hasta la página 39 de 40 páginas en PDF para obtener una lista de las plantas de amoníaco en los Estados Unidos)
- Amoníaco: El siguiente paso incluye un diagrama de flujo de proceso detallado .
- Resumen del diagrama de flujo de la planta del proceso de producción de amoniaco con tres controles.