Procesos Petroquimicos Para Transformar Metano En Urea Y Fertilizantes

El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula está compuesta por un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) y cuya fórmula química es NH3.

Propiedades físico químicas del amoníaco.

1. Gas incoloro en condiciones normales

2. Temperatura de solidificación – 77,7 °C

3. Temperatura normal de ebullición - 33,4 °C

4. Calor latente de vaporización a 0°C 302 kcal/kg

5. Presión de vapor a 0°C 4,1 atm

6. Temperatura crítica 132,4 °C

7. Presión crítica 113 atm

8. Densidad del gas (0 °C y 1 atm) 0,7714 g/l

El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber – Bosch. El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos

N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) ΔH° = - 46,2 kj/mol

ΔS° < 0

Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco.

Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador (óxido de hierro que se reduce a hierro en la atmósfera de H2) y aumentar la presión, ya que esto favorece la formación del producto.

En la práctica las plantas operan a una presión de 100 – 1000 atm. y a una temperatura de 400 – 600 °C. En el reactor de síntesis se utiliza α – Fe como catalizador (Fe2O3 sobre AlO3 Catálisis heterogénea). A pesar de todo, la formación de NH3 es baja con un rendimiento alrededor del 15%. Los gases de salida del reactor pasan por un condensador donde se puede licuar el NH3 separando así de los reactivos, los cuales pueden ser nuevamente utilizados.

Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoníaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber – Bosch original. Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente de gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoníaco. La producción de una planta de NH3 ronda las 1500 Tn/día. La fabricación de amoníaco constituye uno de los ejemplos de la industria química pesada.

El 77% de la producción mundial de amoníaco emplea gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoníaco emplea procesos de reformado con vapor.

Proceso de producción de amoníaco

Método de reformado con vapor

Este método es el más empleado a nivel mundial para la producción de amoníaco. 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

Desulfuración

Antes del reformado tenemos que eliminar el S que contiene el gas natural, dado que la empresa distribuidora le añade compuestos orgánicos de S para olorizarlo.

R – SH + H2 Catalizador Co – Mo RH + H2S hidrogenación

H2S + ZnO H2O + ZnS adsorción

Reformado

Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua (craqueo – rupturas de las moléculas de CH4). El gas natural se mezcla con vapor en la proporción (1 : 3,3) – (gas : vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas.

Reformador primario

El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes:

CH4 + H2O CO + 3H2 ΔH = 206 kj/mol

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 ΔH = 166 kj/mol

Reacciones fuertemente endotérmicas

Estas reacciones se llevan a cabo a 800 °C y están catalizadas por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de H2.

Reformador secundario

El gas de salida del reformador anterior se mezcla con una corriente de aire en este 2° equipo, de esta manera aportamos el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000 °C.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O ΔH << 0

En resumen, después de estas etapas la composición del gas resultante es aprox. N2 (12,7 %), H2 (31,5 %), CO (6,5 %), CO2 (8,5 %), CH4 (0,2 %), H2O (40,5 %), Ar (0,1 %) conversión 99% de hidrocarburo.

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.

Etapa de conversión

Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO2 por reacción con vapor de agua, esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reacción se lleva a cabo en dos pasos:

CO + H2O CO2 + H2 ΔH = - 41 kJ/mol

a) Aproximadamente a 400 °C con Fe3O4, Cr2O3 con catalizador 75% de la conversión.

b) Aproximadamente a 225 °C con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu – ZnO prácticamente la conversión completa.

Etapa de eliminación del CO2

Seguidamente el CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con K2CO3 a contracorriente, formándose KHCO3 según

KCO3 + CO2 + H2O 2KHCO3

Este se hace pasar por dos torres a baja presión para desorber el CO2, el bicarbonato pasa a carbón liberando CO2 (subproducto – para fabricación de bebidas refrescantes).

Etapa de metanación

Las trazas de CO (0,2 %) y CO2 (0,09 %), que son peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en CH4:

CO + 2H2 CH4 + H2O

CO2 + H2 CH4 + 2H2O

Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300 °C)

Síntesis de amoníaco

Así se obtiene un gas de síntesis con restos de CH4 y Ar que actúan como inertes. 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.

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.

El amoníaco se almacena en un tanque criogénico a – 33°C, el amoníaco que se evapora (necesario para mantener la temperatura) se vuelve

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