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Producción de amoníaco

La producción de amoníaco se lleva a cabo en todo el mundo, principalmente en plantas de fabricación a gran escala que producen 240 millones de toneladas métricas de amoníaco (2...

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La producción de amoníaco se lleva a cabo en todo el mundo, principalmente en plantas de fabricación a gran escala que producen 240 millones de toneladas métricas de amoníaco (2023) anualmente. [ 1 ] Con base en la producción anual de 2023, la mayor parte (~70%) de las instalaciones de producción se encuentran en China (29%), India (9,5%), EE. UU. (9,5%), Rusia (9,5%), Indonesia (4%), Irán (2,9%), Egipto (2,7%) y Arabia Saudita central (2,7%). 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 con entre el 1% y el 2% de las emisiones globales de CO₂.2. [ 2 ] Entre 18 y 20 Mt de gas se transportan globalmente cada año . [ 3 ]

Historia

destilación seca

Antes del inicio de la Primera Guerra Mundial , la mayor parte del amoníaco se obtenía mediante la destilación seca de productos vegetales y animales nitrogenados; mediante la reducción del ácido nitroso y los nitritos con hidrógeno ; y también mediante la descomposición de sales de amonio con hidróxidos alcalinos o con cal viva , siendo la sal más utilizada el cloruro ( sal amoniacal ).

Diagrama de flujo de bloques del proceso de síntesis de amoníaco

Proceso de Frank-Caro

Adolph Frank y Nikodem Caro descubrieron que el nitrógeno podía fijarse utilizando el mismo carburo de calcio producido para fabricar acetileno , para así formar cianamida de calcio, que luego podía disolver en agua para formar amoníaco. El método se desarrolló entre 1895 y 1899.

CaO+3do↽−−⇀CaC2+CO{\displaystyle {\ce {CaO + 3C <=> CaC2 + CO}}}
CaC2+norte2↽−−⇀CaCN2+do{\displaystyle {\ce {CaC2 + N2 <=> CaCN2 + C}}}
CaCN2+3H2O↽−−⇀CaCO3+2NUEVA HAMPSHIRE3{\displaystyle {\ce {CaCN2 + 3H2O <=> CaCO3 + 2NH3}}}[ 4 ]

Proceso Birkeland-Eyde

Si bien no se trata estrictamente de un método para producir amoníaco, el nitrógeno se puede fijar haciéndolo pasar (junto con oxígeno) a través de una chispa eléctrica .

nitruros

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

Proceso Haber-Bosch

Fritz Haber , 1918

El proceso Haber , [ 5 ] también llamado proceso Haber-Bosch, es el principal procedimiento industrial para la producción de amoníaco. [ 6 ] [ 7 ] Convierte el nitrógeno atmosférico (N 2 ) en amoníaco (NH 3 ) mediante una reacción con hidrógeno (H 2 ) utilizando hierro metálico finamente dividido como catalizador:

norte2+3H2↽−−⇀2NUEVA HAMPSHIRE3ΔH298 K∘=−92.28 kJ por mol de norte2{\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 <=> 2NH3}}\qquad {\Delta H_{\mathrm {298~K} }^{\circ }=-92,28~{\text{kJ por mol de }}{\ce {N2}}}}

Esta reacción es exotérmica , pero energéticamente desfavorable, ya que cuatro equivalentes de gases reactivos se convierten en dos equivalentes de gas producto. Sin embargo, debido a las elevadas barreras cinéticas para la ruptura de enlaces, se requieren altas presiones y temperaturas para impulsar la reacción . El proceso Haber fue creado inicialmente por el químico alemán Fritz Haber y, años después, desarrollado por Carl Bosch.

Los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron el proceso en la primera década del siglo XX, y su mayor eficiencia con respecto a los métodos existentes, como los procesos Birkeland-Eyde y Frank-Caro, representó un avance importante en la producción industrial de amoníaco. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

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 fueron galardonados con el Premio Nobel de Química : Haber en 1918 por la síntesis de amoníaco específicamente, y Bosch en 1931 por sus contribuciones relacionadas con la química a alta presión .

Impactos ambientales

Debido a que la producción de amoníaco depende de un suministro confiable de energía , a menudo se utilizan combustibles fósiles, lo que contribuye al cambio climático cuando se queman y generan gases de efecto invernadero . [ 11 ] La producción de amoníaco también introduce nitrógeno en el ciclo del nitrógeno de la Tierra , causando desequilibrios que contribuyen a problemas ambientales como la proliferación de algas. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Ciertos métodos de producción demuestran tener un menor impacto ambiental, como aquellos alimentados por energía renovable o nuclear. [ 14 ]

Producción sostenible

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

La producción sostenible es posible mediante la pirólisis de metano no contaminante o la generación de hidrógeno por electrólisis del agua con fuentes de energía renovables . Sin embargo, la disponibilidad limitada de estos recursos renovables restringe el uso de la electrólisis del agua. [ 15 ] ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers amplió su capacidad de producción anual para la electrólisis alcalina del agua a 1 gigavatio de capacidad de electrolizador para este fin. [ 16 ]

Ilustración de las entradas y salidas de una electrólisis simple del agua para la producción de hidrógeno.

En una economía del hidrógeno, parte de la producción de hidrógeno podría desviarse al uso de materia prima. Por ejemplo, en 2002, Islandia produjo 2000 toneladas de hidrógeno gaseoso mediante electrólisis , utilizando el excedente de energía de sus centrales hidroeléctricas , principalmente para fertilizantes. [ 17 ] La central hidroeléctrica de Vemork en Noruega utilizó su excedente de producción de electricidad para generar ácido nítrico renovable desde 1911 hasta 1971, [ 18 ] requiriendo 15 MWh/tonelada de ácido nítrico. La misma reacción se lleva a cabo mediante rayos, proporcionando una fuente natural de nitratos solubles. [ 19 ] El gas natural sigue siendo el método de menor coste.

Las aguas residuales suelen tener un alto contenido de amoníaco. Dado que la descarga de agua con alto contenido de amoníaco en el medio ambiente daña la vida marina, la nitrificación suele ser necesaria para eliminar el amoníaco. [ 20 ] Esto podría convertirse en una fuente potencialmente sostenible de amoníaco dada su abundancia. [ 21 ] Alternativamente, el amoníaco de las aguas residuales puede enviarse a un electrolizador de amoníaco ( electrólisis de amoníaco ) que funciona con fuentes de energía renovables para producir hidrógeno y agua limpia. [ 22 ] La electrólisis de amoníaco puede requerir mucha menos energía termodinámica que la electrólisis del agua (solo 0,06 V en medios alcalinos). [ 23 ]

Otra opción para recuperar amoníaco de las aguas residuales es utilizar el ciclo de absorción térmica de amoníaco-agua. [ 24 ] [ 25 ] De esta forma, el amoníaco puede recuperarse tanto en estado líquido como en forma de hidróxido de amonio. La ventaja del primero radica en su mayor facilidad de manipulación y transporte, mientras que el segundo tiene valor comercial a concentraciones del 30 % en solución.

Otra opción para eliminar el amoníaco de las aguas residuales es utilizar la recompresión mecánica de vapor combinada con la destilación para extraer el amoníaco. [ 26 ] Sedron Technologies produce amoníaco extraído de esta manera. [ 27 ]

Carbón

El proceso para fabricar amoníaco a partir del carbón.

La producción de amoníaco a partir de carbón se practica principalmente en China, donde es la principal fuente. [ 4 ] 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 operan por encima de la presión atmosférica y tienen la capacidad de utilizar diferentes tipos de carbón.

Plantas de producción

A mediados de la década de 1960, American Oil Co. instaló en Texas City, Texas, una planta de amoníaco de un solo convertidor, diseñada por MW Kellogg , con una capacidad de 544 toneladas métricas por día. Utilizaba un diseño de una sola línea que recibió el premio Kirkpatrick a la excelencia en ingeniería química en 1967. La planta empleaba un compresor centrífugo de cuatro cámaras para comprimir el gas de síntesis a una presión de 152 bares. La compresión final, hasta una presión de operación de 324 bares, se realizaba en un compresor alternativo. Los compresores centrífugos para el circuito de síntesis y los servicios de refrigeración permitieron una reducción significativa de costos.

Casi todas las plantas construidas entre 1964 y 1992 tenían diseños de una sola línea de producción 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 baja temperatura de salida y una alta fuga de metano para reducir el tamaño y el costo del reformador. Se añadía aire al reformador secundario para reducir el contenido de metano de la corriente de salida del reformador primario a 1–2 %. El exceso de nitrógeno y otras impurezas se eliminaban después del metanador. Dado que el gas de síntesis estaba prácticamente libre de impurezas, se utilizaban dos convertidores de amoníaco de flujo axial. A principios del año 2000, Uhde desarrolló un proceso que permitió capacidades de planta de 3300 mtpd o más. La innovación clave fue un circuito de síntesis de flujo único a presión media en serie con un circuito de síntesis convencional de alta presión. [ 28 ]

Plantas de pequeña escala in situ

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 convencionales mediante el uso de un catalizador electroquímico. [ 29 ] [ 30 ]

amoníaco verde

En 2024, la BBC anunció que numerosas empresas estaban intentando reducir el 2 % de las emisiones globales de dióxido de carbono causadas por el uso/producción de amoníaco mediante la producción del producto en laboratorios. Esta industria se conoce como " amoníaco verde ". [ 31 ] Cuando se modifica un alto horno existente para utilizar biomasa como combustible, es factible la producción de acero verde e hidrógeno/amoníaco verde. [ 32 ]

Subproductos y escasez debido a los cierres

Uno de los principales subproductos industriales de la producción de amoníaco es el CO₂ . En 2018, los altos precios del petróleo provocaron un cierre prolongado durante el verano de las fábricas de amoníaco europeas, lo que causó una escasez comercial de CO₂ y , por lo tanto, limitó la producción de productos a base de CO₂, como la cerveza y los refrescos. [ 33 ] Esta situación se repitió en septiembre de 2021 debido a un aumento del 250-400% en el precio mayorista del gas natural a lo largo del año. [ 34 ] [ 35 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Capacidad de producción anual mundial de amoníaco" .
  2. ↑ Koop, Fermin (13 de enero de 2023). "El amoníaco verde (y los fertilizantes) podrían estar finalmente a la vista, y sería algo enorme" . ZME Science . Consultado el 21 de marzo de 2023 .
  3. ↑ Servicio de Investigación del Congreso. (7 de diciembre de 2022). "El papel potencial del amoníaco en una economía baja en carbono". Sitio web del CRP. Consultado el 24 de septiembre de 2023.
  4. 1 2 "Introducción a la producción de amoníaco" . www.aiche.org . 8 de septiembre de 2016. Consultado el 19 de agosto de 2021 .
  5. ↑ Química de procesos de Habers . India: Publicaciones Arihant. 2018. pág. 264. ISBN  978-93-131-6303-9.
  6. ↑ Appl, M. (1982). «El proceso Haber-Bosch y el desarrollo de la ingeniería química». Un siglo de ingeniería química . Nueva York: Plenum Press. págs. 29-54 . ISBN  978-0-306-40895-3.
  7. ↑ Appl, Max (2006). "Amoniaco". Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a02_143.pub2 . ISBN 978-3-527-30673-2.
  8. ↑ 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.
  9. ↑ 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.
  10. ↑ 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.
  11. ↑ Mayer, Patricia; Ramirez, Adrian; Pezzella, Giuseppe; Winter, Benedikt; Sarathy, S. Mani; Gascon, Jorge; Bardow, André (2023-08-18). "Producción de amoníaco 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 .  
  12. ↑ Glibert, Patricia M; Maranger, Roxane; Sobota, Daniel J; Bouwman, Lex (2014-10-01). "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 . 
  13. ↑ Erisman, Jan Willem; Galloway, James N.; Seitzinger, Sybil; Bleeker, Albert; Dise, Nancy B.; Petrescu, AM Roxana; Leach, Allison M.; de Vries, Wim (2013-07-05). "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 .   
  14. 1 2 Li, Yifei; Zhang, Zongyue; Wang, Qingrui; Long, Xiangtao; Cao, Yuwei; Yang, Haiping; Yang, Qing (2023-11-01). "Las huellas de nitrógeno y carbono de la síntesis de amoníaco en China basadas en la evaluación del ciclo de vida" . Journal of Environmental Management . 345 118848. Bibcode : 2023JEnvM.34518848L . doi : 10.1016/j.jenvman.2023.118848 . ISSN 0301-4797 . PMID 37660421 .  
  15. ↑ Lumbers, Brock (2022). "Modelado matemático y simulación de la descomposición termocatalítica del metano para una producción de hidrógeno económicamente mejorada" . International Journal of Hydrogen Energy . 47 (7): 4265– 4283. Bibcode : 2022IJHE...47.4265L . doi : 10.1016/j.ijhydene.2021.11.057 . S2CID 244814932. Consultado el 16 de marzo de 2022 . 
  16. ↑ "Electrólisis del agua > Productos > Inicio" . Ingenieros de cloro de Uhde . Archivado del original el 19/10/2021 . Consultado el 08/12/2021 .
  17. ↑ "Islandia lanza una revolución energética" . BBC News. 24 de diciembre de 2001. Archivado del original el 7 de abril de 2008. Consultado el 23 de marzo de 2008 .
  18. ↑ Bradley, David (6 de febrero de 2004). "Un gran potencial: Los Grandes Lagos como fuente regional de energía renovable" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 29 de octubre de 2008. Consultado el 4 de octubre de 2008 .
  19. ↑ 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.
  20. ↑ "StackPath" . www.waterworld.com . Marzo de 2010.
  21. ↑ Huang, Jianyin; Kankanamge, Nadeeka Rathnayake; Chow, Christopher; Welsh, David T.; Li, Tianling; Teasdale, Peter R. (enero de 2018). "Eliminación de amonio del agua y aguas residuales mediante adsorbentes rentables: una revisión". Journal of Environmental Sciences . 63 : 174–197 . Bibcode : 2018JEnvS..63..174H . doi : 10.1016/j.jes.2017.09.009 . PMID 29406102 . 
  22. ^ 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.
  23. ↑ Gwak, Jieun; Choun, Myounghoon; Lee, Jaeyoung (febrero de 2016). "Electrólisis de amoníaco alcalino sobre platino electrodepositado para la producción controlable de hidrógeno". ChemSusChem . 9 (4): 403– 408. Bibcode : 2016ChSCh...9..403G . doi : 10.1002/cssc.201501046 . PMID 26530809 . 
  24. ↑ Lin, P.; Wang, RZ; Xia, ZZ; Ma, Q. (junio de 2011). "Ciclo de absorción de amoníaco-agua: una vía prometedora para transportar energía térmica de baja calidad a larga distancia" . International Journal of Low-Carbon Technologies . 6 (2): 125– 133. doi : 10.1093/ijlct/ctq053 .
  25. ↑ Shokati, Naser; Khanahmadzadeh, Salah (agosto de 2018). "El efecto de diferentes combinaciones de ciclos de refrigeración Rankine de amoníaco - agua y de absorción en el rendimiento exergoeconómico del ciclo de cogeneración". Applied Thermal Engineering . 141 : 1141–1160 . Bibcode : 2018AppTE.141.1141S . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2018.06.052 . S2CID 115749773 . 
  26. ↑ página, archivo de Bryn Nelson. "Cómo las heces podrían ayudar a alimentar al planeta" . MIT Technology Review . Consultado el 27 de octubre de 2025 .
  27. ↑ Savage, Steven. "Un nuevo ejemplo de economía circular: cerrando el ciclo de las heces" . Forbes . Consultado el 27 de octubre de 2025 .
  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 establecen una nueva empresa para implementar la primera producción mundial de amoníaco in situ" . 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 por producir amoníaco verde" . BBC News .
  32. ↑ Nallapaneni, Sasidhar (noviembre de 2025). "Reacondicionamiento de altos hornos para la producción de acero verde y urea verde" (PDF) . Indian Journal of Environment Engineering . 5 : 19–25 . doi : 10.54105/ijee.B1871.05021125 . ISSN 2582-9289 . Consultado el 25 de noviembre de 2025 . 
  33. ↑ "Esta es precisamente la razón por la que nos estamos quedando sin CO2 para la producción de cerveza y carne" . iNews . 28 de junio de 2018.
  34. ↑ "¿Por qué hay escasez de CO2 y cómo afectará al suministro de alimentos?" . BBC News . 2021-09-20 . Consultado el 21-09-2021 .
  35. ↑ "Crisis del gas: No hay posibilidad de que se vaya la luz, dice el gobierno" . BBC News . 2021-09-20 . Consultado el 21-09-2021 .

Obras citadas

  • Clark, Jim (abril de 2013) [2002]. "El proceso Haber" . Recuperado el 15 de diciembre de 2018 .
  • La industria de producción de hidrógeno en la actualidad
  • Uso e intensidad energética de la industria química estadounidense. Archivado el 30/09/2018 en Wayback Machine , Informe LBNL-44314, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Desplácese hacia abajo hasta la página 39 de 40 páginas del PDF para ver una lista de las plantas de amoníaco en los Estados Unidos).
  • Amoníaco: El siguiente paso incluye un diagrama de flujo de proceso detallado .
  • Diagrama de flujo resumido de la planta de producción de amoníaco con tres controles.