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Proceso Haber-Bosch para la obtención de amoniaco

El proceso de Haber-Bosch frente a otros procesos de obtención de amoniaco.

Además del proceso de Haber-Bosch, se puede obtener amoniaco industrialmente por otros procedimientos que en su momento rivalizaban con el proceso de Haber-Bosch. Así podemos encontrar, entre otros, tres procedimientos: el proceso de la cianamida, como subproducto en la fabricación de cok y gas de alumbrado y el proceso del arco eléctrico.

En el proceso de la cianamida el amoniaco se prepara, como en el proceso de Haber-Bosch, a expensas del nitrógeno del aire. Fue descubierto por Frank y Caro, en Alemania, en 1895, y usado por primera vez en la industria en 1906. Consta de las siguientes fases[1]:

1ª. Se calienta cal y cok conjuntamente en un horno eléctrico, formándose carburo cálcico:

CaO   +   3 C    =    C2Ca   +   CO

 

2ª. Se pasa nitrógeno obtenido del aire líquido sobre carburo cálcico machacado que contiene un poco de cloruro o fluoruro cálcico, y calentando a unos 1000 ºC. En la reacción se forma cianamida cálcica y carbón:

C2Ca   +   N2    =    CN2Ca   +   C

 

3ª. La cianamida se agita primero con agua fría para descomponer todo el carburo cálcico no transformado, y luego se trata con vapor de agua a presión en un autoclave. En estas condiciones se produce amoniaco:

CN2Ca   +   3 H2O    =    CO3Ca   +   2 NH3

 

Este procedimiento se utilizó también en Alemania pues una primera fábrica, fundada en 1910 en Knapsack cerca de Colonia, explota el procedimiento, y después otra en Trotsberg cerca de Munich[2].

El segundo proceso competidor del proceso Haber-Bosch consiste en obtener amoniaco y sulfato amónico como subproductos en la fabricación de cok y gas de alumbrado. La hulla bituminosa o blanda contiene un 1% de nitrógeno y un 7% de hidrógeno, combinados. Cuando se calienta esta hulla en retortas en las que se ha desalojado el aire, se produce una destilación destructiva (destilación seca), y se desprende nitrógeno en forma de amoniaco. Éste sale mezclado con otras varias sustancias, y se disuelve en agua o en ácido sulfúrico. Tratando con cal la disolución resultante, se obtiene amoniaco puro, que se absorbe en ácido sulfúrico o clorhídrico para formar sulfato o cloruro amónico[3].

En cuanto al tercer proceso de obtención de amoniaco, competidor con los dos anteriores y con el proceso Haber-Bosch, se basaba en un método descubierto hacía ya mucho tiempo por Cavendish, por el que se activaban el nitrógeno y el oxígeno juntos mediante chispas eléctricas para formar óxidos de nitrógeno, a partir de los cuales se podría preparar el ácido nítrico[4]. Pero industrialmente, un proceso como éste requería temperaturas extremadamente altas (2000-3000ºC) y, por tanto, una cantidad de electricidad que no lo hacía rentable. La única forma de que resultara viable era utilizar electricidad hidrológica barata. Así pues, sólo se puso en funcionamiento en Noruega durante algunos años, después de 1903, cuando Olaf Birkeland (físico) y Sam Eyde (ingeniero) perfeccionaron un proceso para ello[5].

La mayoría de los procedimientos se encontraban en fase de desarrollo en 1922. El más satisfactorio era sin duda el alemán (de Haber-Bosch), que funcionaba en gran escala[6]. Se introdujo con gran rapidez (....) en Gran Bretaña y en Estados Unidos, y pronto reemplazó a todos sus rivales. Además, su introducción sirvió de estímulo y modelo a toda la industria del siglo XX, dándose inicio a un uso casi generalizado de la síntesis de alta presión. En palabras del hijo de Haber:

 

La construcción de enormes plantas industriales, diseñadas para manejar continuamente grandes volúmenes a altas temperaturas y presiones, impuso nuevas prácticas operativas a los ingenieros de la fábrica, contribuyó al rápido desarrollo de la ingeniería química y dio lugar a tipos de acero mejorados y a nuevos diseños de válvulas y maquinaria de compresión e gas[7].

 

El proceso de Haber-Bosch tuvo una repercusión social, económica y científica considerable. Científicamente, se trataba de un estudio brillante de la termodinámica de las reacciones gaseosas y una demostración de su importancia comercial; desde el punto de vista social y económico, ahuyentó al fantasma de Malthus y sus millones de seres hambrientos; en cuanto al medio ambiente, con su ausencia de productos de desecho y olores contaminantes, este proceso fue un modelo para una industria más limpia y más responsable ante la sociedad[7].

En la tabla siguiente, obtenida de diferentes fuentes, podemos observar como ya en 1929 el procedimiento de Haber-Bosch toma claramente la delantera respecto del resto de procedimientos industriales para obtener nitrógeno.

 

 

Variación de la producción de nitrógeno fijo y porcentaje relativo correspondientes a los tres principales procedimientos industriales empleados a principios de siglo XX.

 

1913[8]

1919[8]

1929[9]

Proceso

Producción (Toneladas)

%[10] 

Producción (Toneladas)

% [10] 

Producción (Toneladas)

%

Arco eléctrico

16.915

20’2

13.600

3’02

21.400

1

Cianamida

59.490

71’1

327.300

73’22

254.660

11’9

Haber-Bosch

7.300

8’7

105.500

23’63

920.200

43

Amoniaco de coquerías

--

--

--

--

425.860

19’9

Nitrato de Chile

--

--

--

--

509.320

23’8



[1] Babor, J. A. y Ibarz, J. (1983), p. 614.

[2] Bensaude-Vincent, B. y Stengers, I. (1997), p. 150.

[3] Babor, J. A. y Ibarz, J. (1983), pp. 614-615.

[4] Como ya hemos visto, el procedimiento pretende imitar al  proceso natural que mantiene las reservas de nitratos de la Tierra gracias a la actividad de las tormentas.

[5] Brook, W. H. (1998), p. 543.

[6] Sánchez Ron, J. M. (1992), p. 224.

[7] Brook, W. H. (1998), p. 545.  

[8]Quílez, J., Lorente, S., Sendra, F., Chorro, F. y Enciso, E. (1998), p. 312.

[9]Winnacker, K. y Weingaertner, E. (1954), p.156.

[10] Porcentaje calculado sobre la producción total de los tres primeros procesos, sin incluir los procesos cuarto y quinto.  

 

 

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©Felipe Moreno Romero

fresenius1@gmail.com