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Proceso Haber-Bosch para la obtención de amoniaco

Análisis termodinámico de la reacción de formación del amoniaco.

 

Influencia de la presión en el grado de conversión a amoniaco

  Aunque la constante de equilibrio es independiente de la presión total, P, el grado de conversión a amoniaco que alcanza la mezcla de nitrógeno e hidrógeno en el equilibrio depende de la presión, como veremos a continuación.

Consideremos la reacción de equilibrio (1) con una mezcla inicial de 3 moles de hidrógeno, 1 mol de nitrógeno y nada de amoniaco. Tal como hemos visto anteriormente, ξ mide el rendimiento de la reacción o la fracción de mezcla inicial convertida en amoniaco. Esta situación inicial ya ha sido tratada anteriormente; el número de moles de los gases en un instante determinado viene dado por (5) y el número total de moles en función de ξ será  

(26)

 Las presiones parciales de cada gas serán:  

(27)

Si sustituimos estas presiones parciales en la expresión de Kp  

(28)

y desarrollamos adecuadamente obtenemos la siguiente ecuación  

(29)

  Si ξ mide la fracción de mezcla inicial de nitrógeno e hidrógeno convertida en amoniaco, 1-ξ mide lo contrario, es decir, la fracción de amoniaco disociado que habría tenido lugar si tuviésemos amoniaco puro al principio. Se puede ver en (29) que si aumentamos la presión, 1-ξ disminuye, por tanto el grado de conversión a amoniaco de la reacción aumenta con la elevación de la presión, como era de esperar cualitativamente según el principio de Le Chatelier-Braun.

En la figura 4 se recogen las curvas de ξ para diversas series de temperaturas y de presiones.      

En su lectura de aceptación del premio Nobel, F. Haber ofreció datos de porcentaje de amoniaco en el equilibrio para diversas series de temperaturas y de presiones. En la tabla siguiente se recogen estos datos originales  

La relación entre el porcentaje de amoniaco en el equilibrio y el grado de conversión representado en la figura 4 es sencilla ya que viene establecida por la fracción molar de amoniaco en el equilibrio que ya apareció en la expresión (27). Así  

(30)

              En cualquier caso, se observa que una síntesis productiva de amoniaco a presiones ordinarias necesita de un catalizador que actúe bien a temperaturas por debajo de 200 ó 300 ºC. Las oportunidades de encontrar tal catalizador fueron consideradas muy pequeñas por Haber. Más tarde introdujo el trabajar a alta presión con corriente de gases que eran bombeadas por una cámara de reacción continua y en escala industrial, limitándose primero a 200 atm a 500 ºC y yendo más tarde a 500 atm a la misma temperatura. Él mismo descubrió que hierro finamente dividido era un catalizador efectivo. El amoniaco presente en los gases que salían de la cámara de reacción se separaba por licuefacción y la mezcla restante de nitrógeno e hidrógeno se reciclaba junto con gases nuevos, garantizando así un eventual 100 % de conversión a amoniaco. Hoy día el proceso es fundamentalmente el mismo excepto que las presiones empleadas son del orden de 1000 atm.

 

 

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©Felipe Moreno Romero

fresenius1@gmail.com