Proceso Haber-Bosch

¿Qué es un amoníaco?

Tal vez hayas oído hablar del amoníaco antes o, quizá, incluso lo hayas utilizado en tu hogar o hayas percibido su particular aroma. Pero, ¿tienes claro qué es, y cuál es su estructura química?

La estructura química del amoníaco se muestra en la Fig. 1:

Fig. 1: Estructura química del amoníaco.

Fíjate en la geometría de pirámide trigonal, y el par de electrones libres sobre el átomo de nitrógeno.

Ahora que conoces la fórmula química y la estructura del amoníaco, estudiemos la utilidad que tiene en la industria.

¿Para qué sirve el amoníaco?

¿Te gusta comer ensalada?, ¿o disfrutas más una deliciosa pizza? ¿Has asistido a algún espectáculo de fuegos artificiales? Si has respondido afirmativamente a alguna de las preguntas anteriores, esto significa que has estado en contacto con algún producto de la industria del amoníaco.

El amoníaco puede utilizarse, principalmente, en la industria agroquímica —para producir fertilizantes, por ejemplo— y es el responsable de que la mayor parte de los alimentos vegetales lleguen a nuestras mesas. Sin embargo, también lo encontrarás en explosivos, telas sintéticas y equipos de refrigeración, entre otros. La Fig. 2 muestra algunos de los usos más comunes del amoníaco.

Fig. 2: Usos del amoníaco a nivel industrial.

¿Qué es el proceso Haber-Bosch?

El proceso Haber-Bosch debe seguir una serie de pasos muy controlados y que requieren de mucho cuidado, como se muestra a continuación:

1. El hidrógeno y el nitrógeno se bombean a un compresor, a través de tuberías.

2. La mezcla de hidrógeno y nitrógeno se comprime dentro del compresor, a una presión de 200 atm y una temperatura de 450 °C.

3. Los gases se bombean a un reactor que contiene un catalizador de hierro.

4. Los gases se enfrían en el tanque de enfriamiento, y el amoníaco se licua y se separa.

5. El nitrógeno y el hidrógeno que no han reaccionado se reciclan: vuelven al reactor, para que no se desperdicien.

El proceso Haber-Bosch fue, en su momento, una respuesta importantísima ante la explosión demográfica en el siglo XX (más adelante profundizaremos en este punto).

Proceso de producción del amoníaco

El proceso industrial a través del cual se produce el amoníaco (proceso de Haber-Bosch), se ilustra en la Fig. 3 (tal como se explicó anteriormente):

Fig. 3: Diagrama de las diferentes etapas del proceso Haber-Bosch.

Ecuación y equilibrio del proceso de Haber-Bosch: reacción química en la industria

Cuando el amoníaco se produce por la reacción entre el hidrógeno y el nitrógeno, se dice que la reacción es reversible. Esto significa que el amoníaco puede volver a convertirse en nitrógeno e hidrógeno.

La reacción del proceso Haber-Bosch es la siguiente:

$$Nitrogeno+Hidrogeno \rightleftharpoons Amoniaco$$

Utilizando símbolos químicos, la reacción puede escribirse como:

$$N_{2(g)}+3H_{2(g)} \rightleftharpoons 2NH_{3(g)}$$

La constante de equilibrio Kp para esta reacción puede escribirse como:$$Kp=\frac {(P_{NH_3})^2}{(P_{N_2})(P_{H_2})^3}$$

Esta reacción conduce a un equilibrio dinámico, debido a las reacciones de avance y retroceso que se producen continuamente. La posición del equilibrio se ve afectada por una serie de factores como la temperatura y la presión.

Sin embargo, las condiciones reales usadas se eligen en función de diferentes consideraciones, como el coste, la disponibilidad y el suministro de materias primas. Las empresas de esta industria tienen que tener en cuenta los costes de extracción de las materias primas y los costes de producción de energía, para asegurarse de que el proceso sea viable.

Las condiciones del proceso Haber-Bosch

Para llevar a cabo el proceso Haber-Bosch, se debe mantener un estricto control de las condiciones de reacción, como puedes ver a continuación.

Restricciones

Las condiciones ideales del proceso Haber-Bosch son:

• Un catalizador de hierro.

• Temperatura de 450°C.

• Presión de 200atm.

Todas estas condiciones están ajustadas finamente para producir un buen rendimiento a un coste y tiempo razonables.

Temperatura

La temperatura utilizada para el proceso Haber es de 450°C y la reacción de avance es exotérmica; por esto, si se reduce la temperatura, el rendimiento de amoníaco aumentará, pero la velocidad de reacción disminuirá. Esto significa que la reacción será lenta.

Por otro lado, si se emplea una temperatura más alta, el rendimiento del amoníaco disminuirá y el rendimiento de los reactivos aumentará; lo que no es el objetivo de este proceso. Esto significa que se debe usar una temperatura de 450°C como compromiso.

Presión

La presión empleada en el proceso Haber es de aproximadamente 200atm. Si se aumenta la presión, se produce un aumento del rendimiento del amoníaco, ya que hay menos moléculas en el lado derecho de la ecuación (lado del producto).

Sin embargo, si se emplea una presión más baja, el rendimiento de la reacción disminuye, puesto que hay más moléculas en el lado izquierdo de la ecuación. Pero, las altas presiones son muy caras (debido al elevado coste de la energía) y pueden ser peligrosas. Por lo tanto, una presión de 200atm es un compromiso en el que el rendimiento de amoníaco que se produce es bajo, pero se produce de forma segura.

Catalizador

El catalizador empleado en el proceso Haber es un catalizador de hierro. La posición del equilibrio no se ve afectada por el catalizador, pero sí la velocidad de reacción. Un catalizador puede utilizarse para aumentar la velocidad de reacción, ya que reduce la energía de activación al proporcionar una vía alternativa.

El uso de un catalizador también permite usar una temperatura más baja para que se produzca una cantidad razonable de rendimiento. Si no se emplease un catalizador, la reacción se llevaría a cabo a temperaturas más altas; esto conllevaría un mayor coste y a un menor rendimiento.

Catalizadores en la industria de producción del amoníaco

Aunque los catalizadores más empleados para producir amoníaco son aquellos basados en hierro, existen otros desarrollados recientemente, que también proporcionan el mismo efecto. La siguiente tabla muestra algunos de los catalizadores que pueden ser utilizados en la industria de producción del amoníaco:

La selección del catalizador más adecuado para cada situación permitirá reducir la temperatura de operación y la presión necesaria para el proceso. Asimismo, el desarrollo de nuevos catalizadores permitirá alcanzar la producción de amoníaco de forma sustentable en el futuro.