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Proceso Haber-Bosch para la obtención de amoniaco

Obtención de amoniaco en la industria por el proceso de Haber-Bosch

 En esta última parte de este ensayo se analizará de una forma somera el método industrial de obtención de amoniaco por el procedimiento de Haber-Bosch. A lo largo del siglo XX el método industrial ha evolucionado poco en lo referente a los fundamentos del mismo: la unión de nitrógeno e hidrógeno a presión y temperaturas elevadas y en presencia de un catalizador para dar amoniaco, pero ha evolucionado considerablemente en la obtención de las materias primas, fundamentalmente del hidrógeno. Bajo este punto de vista parece que el punto de inflexión está, como veremos en su momento, en principios de los años sesenta.

La exposición que viene a continuación está basada (salvo que se mencione expresamente) en los textos de K. Winnacker y E. Weingaertner[1] y fundamentalmente de F. Tegeder y L. Mayer[2]; el texto de J. Quílez Pardo y col.[3] ha sido la referencia fundamental para el estudio esquemático del procedimiento a finales del siglo XX.

 Realizar a gran escala operaciones químicas que requieren elevadas temperaturas y altas presiones era algo muy nuevo en la técnica química de principios de siglo XX. Como hemos visto, el desarrollo práctico de los resultados obtenidos por Haber en el laboratorio fue llevado a cabo por los químicos e ingenieros de la BASF. Teniendo en cuenta las posibilidades del momento (1908) en lo que se refiere a materiales de los aparatos y su construcción, C. Bosch escogió entre todas las posibles condiciones de reacción el trabajar a una presión de 200 atm y a una temperatura máxima de 550 ºC. El posterior desarrollo de esta industria demostró durante muchos años que estas condiciones eran las óptimas condiciones de trabajo. Los métodos de síntesis de amoniaco que después lograron consolidarse y que trabajan a presiones de 1000 atm y a temperaturas de 600 ºC sólo fueron posibles técnicamente cuando se hubieron descubierto nuevos aceros especiales y utilizado la experiencia industrial de los métodos Haber-Bosch.

El mérito de Bosch no se limita a la puesta en marcha a gran escala de la síntesis del amoniaco, inventando los aparatos precisos para dicha síntesis, sino también en los tratamientos industriales para la obtención y manipulación de los gases reaccionantes, hidrógeno y nitrógeno. Para la obtención del hidrógeno, C. Bosch se decantó por el proceso del gas de agua, empleando para la gasificación el coque de hulla como materia prima. El nitrógeno, en la cantidad correspondiente a la proporción estequiométrica de la reacción, lo obtuvo a partir del aire.

La dificultad principal en la obtención del hidrógeno está en la eliminación del monóxido de carbono obtenido como subproducto. Es importante su eliminación ya que los gases que van a reaccionar  deben estar lo más puros posible con objeto de no acortar la vida del catalizador. Bosch realizó la eliminación por el llamado método de conversión del gas de agua, que convierte previamente el CO en CO2. Además desarrolló un sistema de lavados con lejías cupríferas que permitían la absorción de estos óxidos del carbono.

Los trabajos de C. Bosch[4] condujeron a establecer el llamado método de Haber-Bosch para la síntesis del amoniaco y que ha sido la base fundamental de la posterior evolución de la industria del amoniaco. En un principio las mejoras han sido por variaciones o por perfeccionamiento de los aparatos utilizados. Así, por ejemplo, la construcción de los hornos de síntesis experimentó tales cambios que permitió obtener el amoniaco líquido en lugar de obtener soluciones acuosas de amoniaco, como se hacía al principio.

  El “método clásico” de Haber-Bosch que vamos a ver de forma muy esquematizada, se puede dividir en cuatro etapas: producción de gases reaccionantes; conversión del monóxido de carbono; absorción de monóxido y dióxido de carbono y, finalmente, formación de amoniaco. El objetivo fundamental del proceso en sus tres primeras etapas es la obtención del llamado gas de síntesis: una mezcla de gran pureza y con proporciones estequiométricas de nitrógeno e hidrógeno. Sólo la última etapa está dedicada realmente a la producción de amoniaco.

 
Producción de los gases reaccionantes.

El proceso en que se basa la siguiente explicación está esquematizado en la figura 5. Dos son los gases reaccionantes que se obtienen por separado: el llamado gas generador, una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno, y el llamado gas de agua, mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno. Ambos gases se obtienen en un mismo generador haciendo pasar, en primer lugar, aire sobre coque al rojo, con lo que el oxígeno del aire se consume con producción de CO: 

4N2   +   O2   +   2C      2CO   +   4N2      (gas generador)

 Cuando el coque está al rojo blanco se corta la entrada de aire y se hace pasar vapor de agua que reacciona para dar monóxido de carbono e hidrógeno: 

H2O   +   C          CO     +    H2      (gas de agua) 

Como la reacción de formación del gas generador es exotérmica, mientras que la reacción del gas de agua es endotérmica, es preciso interrumpir a los pocos minutos la inyección de vapor de agua y conectar de nuevo la entrada de aire para que se eleve la temperatura en el generador por la formación, de nuevo, de gas generador. El proceso continúa así, alternando calentamiento del coque a alta temperatura por combustión con aire, con la inyección de vapor de agua que forma el gas de agua a costa de reducir fuertemente la temperatura del coque incandescente.

Los gases producidos cuando se inyecta aire se recogen y se lavan por separado de los gases que se producen cuando pasa el vapor de agua. Finalmente, el gas generador y el gas de agua se almacenan en sus respectivos gasómetros. Finalmente, cuando el gas generador y el gas de agua son necesarios en la fase 2 del proceso, son mezclados en las proporciones adecuadas con la bomba mezcladora.


[1] Winnacker, K. y Weingaertner, E. (1954).

[2] Tegeder, F. y Mayer, L. (1967).

[3] Quílez, J., Lorente, S., Sendra, F., Chorro, F. y Enciso, E. (1998), pp. 313-314.

[4] En 1931 C. Bosch recibió el premio Nobel de Química en reconocimiento por sus contribuciones en la invención y desarrollo de los métodos químicos de alta presión.

 

 

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©Felipe Moreno Romero

fresenius1@gmail.com