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proceso de Ostwald

Montaje de laboratorio que ilustra los pasos consecutivos del proceso de Ostwald para la fabricación de ácido nítrico . El proceso Ostwald es un proceso químico utilizado para l...

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Montaje de laboratorio que ilustra los pasos sucesivos del proceso de Ostwald para la fabricación de ácido nítrico.
Montaje de laboratorio que ilustra los pasos consecutivos del proceso de Ostwald para la fabricación de ácido nítrico .

El proceso Ostwald es un proceso químico utilizado para la producción de ácido nítrico (HNO₃ ) . [ 1 ] El proceso Ostwald es un pilar fundamental de la industria química moderna y proporciona la principal materia prima para la producción de fertilizantes más común. [ 2 ] Histórica y prácticamente, el proceso Ostwald está estrechamente relacionado con el proceso Haber , que proporciona la materia prima necesaria, el amoníaco (NH₃ ) . Este método se prefiere a otros métodos de producción de ácido nítrico porque es menos costoso y más eficiente. [ 3 ]

Reacciones

El amoníaco se convierte en ácido nítrico en dos etapas.

Oxidación inicial del amoníaco

El proceso de Ostwald comienza con la combustión de amoníaco . El amoníaco arde en oxígeno a una temperatura de aproximadamente 900 °C (1650 °F) y una presión de hasta 8 atmósferas estándar (810 kPa) [ 4 ] en presencia de un catalizador como la malla de platino , alejada con un 10 % de rodio para aumentar su resistencia y el rendimiento de óxido nítrico, platino metálico sobre lana de sílice fundida, cobre o níquel para formar óxido nítrico (óxido de nitrógeno(II)) y agua (en forma de vapor). Esta reacción es fuertemente exotérmica , lo que la convierte en una fuente de calor útil una vez iniciada: [ 5 ]   

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O ( ΔH = −905,2 kJ  /mol )

Reacciones secundarias

Varias reacciones secundarias compiten con la formación de óxido nítrico. Algunas reacciones convierten el amoníaco en N₂ , tales como:

4NH₃ + 6NO → 5N₂ + 6H₂O

Esta es una reacción secundaria que se minimiza reduciendo el tiempo que las mezclas de gases están en contacto con el catalizador. [ 6 ] Otra reacción secundaria produce óxido nitroso :

4NH₃ + 4O₂ → 2N₂O + 6H₂O ( ΔH = −1105  kJ/ mol )

Catalizador de platino-rodio

El catalizador de platino y rodio se reemplaza con frecuencia debido a su descomposición como resultado de las condiciones extremas a las que está sometido, lo que da lugar a una forma de degradación denominada " colifloración" . [ 7 ] Se desconoce el mecanismo exacto de este proceso; las principales teorías apuntan a la degradación física por átomos de hidrógeno que penetran en la red cristalina de platino-rodio, o al transporte de átomos metálicos desde el centro del metal hacia la superficie. [ 7 ]

Oxidación secundaria

El óxido nítrico (NO) formado en la reacción catalizada previa se enfría luego desde unos 900  °C hasta aproximadamente 250  °C para oxidarse aún más a dióxido de nitrógeno (NO₂ ) [ 8 ] mediante la reacción:

2NO + O 2 → 2NO 2 (Δ H = -114,2  kJ/mol) [ 9 ]

La reacción:

2NO 2 → N 2 O 4 (Δ H = -57,2  kJ/mol) [ 10 ]

También ocurre una vez que se ha formado el dióxido de nitrógeno. [ 11 ]

Conversión de óxido nítrico

La segunda etapa comprende la absorción de óxidos nitrosos en agua y se lleva a cabo en un aparato de absorción , una columna de placas que contiene agua. Este gas es absorbido fácilmente por el agua, produciendo el producto deseado (ácido nítrico en forma diluida), mientras que una parte del mismo se reduce nuevamente a óxido nítrico: [ 5 ]

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO (Δ H = −117  kJ/mol)

El NO se recicla y el ácido se concentra a la fuerza requerida mediante destilación . Esta es solo una de las más de 40 reacciones de absorción de óxidos de nitrógeno registradas. [ 11 ] Si el último paso se lleva a cabo en aire:

4NO 2 + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 3 (Δ H = −348  kJ/mol).

Reacción general

La reacción global es la primera ecuación, 3 veces la segunda ecuación y 2 veces la última ecuación; todo dividido por 2:

2NH 3 + 4O 2 + H 2 O → 3H 2 O + 2HNO 3 (Δ H = −740,6  kJ/mol)

Alternativamente, si el último paso se lleva a cabo en el aire, la reacción global es la suma de la ecuación 1, 2 veces la ecuación 2 y la ecuación 4; todo dividido por 2.

Sin tener en cuenta el estado del agua,

NH₃ + 2O₂ → H₂O + HNO₃ ( ΔH = −370,3 kJ  /mol)

Historia

El proceso de Ostwald fue desarrollado a principios del siglo XX por Wilhelm Ostwald , quien demostró que el amoníaco podía oxidarse catalíticamente a óxido nítrico utilizando catalizadores a base de platino, proporcionando una ruta práctica para el ácido nítrico sin el uso de fuentes naturales de nitrato. [ 12 ] En 1902, patentó este proceso, y las primeras implementaciones industriales revelaron la importancia de la composición del catalizador y las condiciones de operación para maximizar el rendimiento y limitar la descomposición del amoníaco (principalmente altas temperaturas y tiempos de contacto cortos). [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Las mejoras posteriores incluyeron la adopción de catalizadores de malla de platino-rodio; estos aumentaron la tensión mecánica, redujeron las pérdidas de platino y fueron más estables a largo plazo. [ 16 ] [ 17 ]

El despliegue a gran escala del proceso Ostwald se volvió económicamente viable solo después del desarrollo e implementación industrial del proceso Haber-Bosch en 1913, que proporcionó una materia prima de amoníaco sintético continuo en cantidades suficientes para mantener la producción de ácido nítrico. [ 15 ] La integración del proceso Haber-Bosch durante la Primera Guerra Mundial permitió a Alemania mantener la producción de ácido nítrico a pesar de los bloqueos aliados a las importaciones de nitrato chileno, lo que hizo que los procesos combinados fueran estratégicamente significativos en la fabricación de explosivos, así como en la producción de fertilizantes. [ 16 ] [ 18 ] Las continuas mejoras de posguerra en el diseño de catalizadores incluyeron mallas de captación secundarias que contenían paladio u oro, que se introdujeron aguas abajo del catalizador primario para recuperar el platino perdido. [ 16 ] [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Thiemann, Michael; Scheibler, Erich; Wiegand, Karl Wilhelm (2005). "Ácido nítrico, ácido nitroso y óxidos de nitrógeno". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a17_293 . ISBN 978-3-527-30673-2.
  2. ↑ Kroneck, Peter MH; Torres, Martha E. Sosa (2014). La biogeoquímica de los compuestos gaseosos en el medio ambiente impulsada por metales . Dordrecht: Springer. pág. 215. ISBN  978-94-017-9268-4.
  3. ↑ "Proceso de Ostwald" . Unacademy . Consultado el 5 de septiembre de 2024 .
  4. ↑ Considine, Douglas M., ed. (1974). Enciclopedia de tecnología química y de procesos . Nueva York: McGraw-Hill. págs. 769–72 . ISBN  978-0-07-012423-3.
  5. 1 2 Alan V. Jones ; M. Clemmet; A. Higton; E. Golding (1999). Alan V. Jones (ed.). Acceso a la química . Royal Society of Chemistry. pág. 250. ISBN  0-85404-564-3.
  6. ↑ Harry Boyer Weiser (2007). Química coloidal inorgánica: Los elementos coloidales . Read Books. pág. 254. ISBN  978-1-4067-1303-9.
  7. 1 2 Hannevold, Lenka; Nilsen, Ola; Kjekshus, Arne; Fjellvåg, Helmer (28 de abril de 2005). "Reconstrucción de catalizadores de platino-rodio durante la oxidación de amoniaco" . Catálisis Aplicada A: General . 284 (1): 163– 176. Bibcode : 2005AppCA.284..163H . doi : 10.1016/j.apcata.2005.01.033 . ISSN 0926-860X . 
  8. ↑ Afolayan Ayodele S (7 de diciembre de 2007). "Diseño de una planta para producir 20.000 litros diarios de ácido nítrico a partir de amoníaco y aire (utilizando el proceso Oswald)" (PDF) . Repositorio Futminna . Consultado el 24 de mayo de 2024 .
  9. ↑ Grande, Carlos A.; Andreassen, Kari Anne; Cavka, Jasmina H.; Waller, David; Lorentsen, Odd-Arne; Øien, Halvor; Zander, Hans-Jörg; Poulston, Stephen; García, Sonia; Modeshia, Deena (8 de agosto de 2018). "Intensificación de procesos en plantas de ácido nítrico mediante oxidación catalítica de óxido nítrico" . Investigación en química industrial y de ingeniería . 57 (31): 10180– 10186. doi : 10.1021/acs.iecr.8b01483 . ISSN 0888-5885 . 
  10. ↑ "21.1 El efecto de la temperatura en el equilibrio NO2/N2O4" . chemed.chem.purdue.edu . 24 de mayo de 2024. Consultado el 24 de mayo de 2024 .
  11. 1 2 Liu, Yunda; Bluck, David; Brana-Mulero, Francisco (2014-01-01), "Simulación estática y dinámica de una torre de absorción de NOx basada en un modelo de reacción híbrido cinético-equilibrio" , en Eden, Mario R.; Siirola, John D.; Towler, Gavin P. (eds.), Ingeniería química asistida por computadora , Actas de la 8.ª Conferencia Internacional sobre Fundamentos del Diseño de Procesos Asistido por Computadora, vol. 34, Elsevier, pp. 363–368 , doi : 10.1016/b978-0-444-63433-7.50045-6 , ISBN   978-0-444-63433-7, consultado el 24 de mayo de 2024
  12. ↑ Kent, James Albert; Riegel, Emil Raymond; Riegel, Emil Raymond (2006). Manual de química industrial y biotecnología de Kent y Riegel (11.ª ed. / editado por James A. Kent ). Nueva York: Springer. ISBN  978-0-387-27842-1.
  13. ↑ GB 190200698 , Ostwald, Wilhelm , "Mejoras en la fabricación de ácido nítrico y óxidos de nitrógeno", publicado el 9 de enero de 1902, emitido el 20 de marzo de 1902 
  14. ↑ GB 190208300 , Ostwald, Wilhelm , "Mejoras en y relacionadas con la fabricación de ácido nítrico y óxidos de nitrógeno", publicado el 18 de diciembre de 1902, emitido el 26 de febrero de 1903 
  15. 1 2 Smil, Vaclav; Haber, Fritz; Bosch, Carl (2004). Enriqueciendo la tierra: Fritz Haber, Carl Bosch y la transformación de la producción mundial de alimentos . Cambridge, Mass. Londres: MIT. ISBN 978-0-262-69313-4.
  16. 1 2 3 Weissermel, Klaus; Arpe, Hans-Jürgen, eds. (2003). Química orgánica industrial (4ª ed.). Weinheim: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-30578-0.
  17. ↑ Housecroft, Catherine E. (2018). Química inorgánica (5.ª ed.). Harlow, Inglaterra; Nueva York: Pearson. ISBN  978-1-292-13414-7.
  18. ↑ Travis, AS “La industria del nitrógeno sintético en la Primera Guerra Mundial”. Chemical Heritage , 6 , 2, 1988, pp. 1–11.
  19. ↑ Bartholomew, Calvin H.; Farrauto, Robert J. (2006). Fundamentos de los procesos catalíticos industriales (2.ª ed.). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN  978-0-471-73007-1.
  • Nitrógeno y fósforo (curso de química general), Universidad de Purdue
  • Drake, G; "Procesos para la fabricación de ácido nítrico" (1963), Sociedad Internacional de Fertilizantes (sitio de pago/contraseña)
  • Fabricación de nitratos: el proceso Ostwald. Escuela Secundaria Integral Carlton; Prince Albert; Saskatchewan, Canadá.
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