19 Sintesi dell\'Ammoniaca PDF

Preview

Summary

Riassunti tratti dal libro e dagli appunti presi a lezione...

Description

Sintesi dell’Ammoniaca Azoto in Natura L’azoto è un costituente fondamentale delle molecole organiche più importanti dal punto di vista biochimico e di alcuni composti inorganico molto diffusi come l’ammoniaca e l’acido nitrico. L’azoto è anche il maggior componente dell’atmosfera terrestre, e si trova in natura sotto forma biatomica N2, che allo stato puro risulta essere un gas incolore, inodore e insapore. Nonostante la sua larga disponibilità, la maggior parte degli esseri viventi non è in grado di assimilare l’azoto direttamente per formare le proteine, solo alcuni batteri che vivono in simbiosi con le radici delle leguminose sono in grado di svolgere questa funzione. La maggior parte delle piante assorbe azoto solo se presente come ione nitrato o meglio ancora come ione ammonio. E’ questo uno dei motivi per cui la sintesi dell’ammoniaca risulta ancora oggi uno dei metodi più convenienti ed efficaci per produrre ammoniaca a livello industriale, anche grazie alla grande abbondanza di azoto in natura e alla facilità di ottenere idrogeno tramite vari processi chimici.

Sintesi dell’Ammoniaca Il metodo per ottenere artificialmente l’ammoniaca fu sperimentato negli anni della Prima Guerra Mondiale ed ebbe principalmente impulso nel campo bellico. L’ammoniaca infatti, è una materia prima fondamentale per ottenere l’acido nitrico, dal quale si ottengono gli esplosivi. Venuti meno molti degli approvvigionamenti naturali di questo tipo di composti, che rappresentavano l’unico modo per produrre su larga scala l’acido nitrico, si sviluppò immediatamente un metodo industriale di sintesi a partire dall’azoto e dall’idrogeno. Ancora oggi tale tecnica, viene utilizzata per la creazione di molti materiali di grande utilità, come l’urea, fertilizzanti agricoli, fibre tessili… Fu proprio nel 1909 che il chimico tedesco Fritz Haber sviluppò un processo per trasformare l’azoto in ammoniaca. Ma fu solo nel 1913 che Carl Bosch trasforma la sintesi dell’ammoniaca in un processo industriale.

Il Processo Haber-Bosch Il metodo per ottenere artificialmente l’ammoniaca si deve agli scienziati Haber e Bosch, che dopo diversi tentativi riuscirono a combinare artificialmente l’idrogeno ottenuto per elettrolisi di una soluzione salina e l’azoto ottenuto facendo passare aria sul carbone rovente, per sintetizzare l’ammoniaca. La reazione è la seguente N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)+28,02 kcal. Questa è una reazione esotermica, che quindi libera calore nell’ambiente. Nonostante ciò non avvenga alle condizioni standard di 25°C e 1 atm, in quanto la velocità di reazione sarebbe praticamente nulla, perché l’azoto atmosferico è poco reattivo e presenta una elevata stabilità e quindi è difficile fissarlo ad altre molecole. Per aumentare la velocità di reazione sarebbe opportuno aumentare la velocità, ma essendo la reazione esoterma, essa andrebbe a quel punto verso i reagenti, decomponendo l’eventuale ammoniaca prodotta. Riguardo alla resa della sintesi bisogna tener conto che essa aumenta all’aumentare della pressione, ma ciò farebbe lievitare i costi, allo stesso modo avverrebbe con una diminuzione del volume, in quanto esso causerebbe un innalzamento di pressione. Nonostante ciò la resa aumenta anche ad una bassa temperatura, però data la poca reattività dell’azoto avremmo una reazione molto lenta che farebbe aumentare di molto i tempi. La bravura di Haber fu quella di trovare il giusto compromesso tra temperatura e pressione. Il processo, denominato Haber-Bosch, avviene ad una temperatura compresa fra i 300 e i 550°C e ad una pressione compresa fra le 150 e le 300 atm. Viene utilizzato un catalizzatore opportuno, come una miscela di ferro, ossido di potassio e ossido di alluminio in grado di velocizzare la reazione. Dopodiché l’ammoniaca viene raccolta in una camera di raffreddamento a -33°C, che corrisponde alla sua temperatura di condensazione. Le molecole di azoto ed idrogeno che non hanno reagito restano in fase gassosa e vengono riutilizzate nel ciclo successivo. Creando un grafico con in ascissa il tempo di reazione e in ordinata la concentrazione delle specie è possibile notare come la concentrazione di azoto e idrogeno diminuiscano e proporzionalmente aumenti la concentrazione dell’ammoniaca , tuto ciò fino al raggiungimento di un equilibrio stabile, oltre il quale la 1

Sintesi dell’Ammoniaca concentrazione delle tre specie rimane invariata, per questo si determina l’eccesso di reagenti e la reazione non è così produttiva. Ma se tale equilibrio viene sconvolto con l’aggiunta di un reagente e quindi il suo aumento di concentrazione, si può notare un piccolo innalzamento della concentrazione di ammoniaca, fino a ristabilire un nuovo equilibrio.

Il Processo Nella Sua Totalità Il processo si divide in 8 stadi, partendo dal ricavare i vari componenti della reazione fino alla loro sintesi. 1-Desulfurazione. Questo processo consiste nell’eliminare ogni traccia di zolfo per preservare l’utilità del catalizzatore, infatti i composti solforati avvelenano il catalizzatore, cioè lo rendono inutilizzabile o ne inibiscono notevolmente l’attività; 2-Reforming Primario. Il gas naturale inserito all’inizio del processo, ormai privo di zolfo, reagisce con vapor acqueo su un catalizzatore a base di Nichel, che è in grado di resistere alle alte temperature che sono necessarie a far avvenire la reazione e a riscaldare i gas alla temperatura di operazione, facendo avvenire la reazione CnHm+nH2O↔nCO+(n+m/2)H2 a 800°C e 30 atm. Nonostante la reazione si catalizzata, una trasformazione completa del metano in ossido di carbonio richiederebbe temperature troppo elevate, perciò si procede, oltre al reforming primario ad un secondo reforming. Nel reforming primario avvengono solo reazioni endotermiche catalizzate che richiedono una gran quantità di energia termica riducendo la percentuale di metano in uscita al 10%. 3-Reforming Secondario. A questo punto, il residuo di metano, il biossido di carbonio, il monossido di carbonio, l’idrogeno e il vapore in eccesso vengono addizionati ad una quantità calcolata di aria e introdotti in un secondo reattore dove avviene il reforming secondario. L’endotermicità della reazione precedente viene compensata dall’esotermicità della reazione che viene a formarsi tra il metano che reagisce con aria CH4+2O2→CO2+2H2O, e poi abbiamo la reazione dell’idrogeno che reagisce con l’aria formando acqua. Il materiale più utilizzato nel reforming è il gas naturale, contenente metano e piccole quantità di idrocarburi superiori. I gas ottenuti alla fine del reforming contengono idrogeno molecolare e azoto molecolare in rapporto 3:1, e monossido di carbonio, biossido di carbonio ed acqua. L’acqua viene riciclata e poi verrà reinserita sotto forma di vapore ne reforming primario. 4-Ossidazione. In questa fase tutto l’ossido di carbonio rimanente viene fatto reagire con acqua per formare biossido di carbonio e idrogeno. 5-Rimozione CO2. Il biossido di carbonio presente nel processo viene eliminato per assorbimento su soluzioni alcaline sfruttando l’alta solubilità del biossido di carbonio e la bassa solubilità dell’azoto e dell’idrogeno. 6-Metanazione. Il gas ormai è quasi del tutto puro di azoto e idrogeno, ma vi sono dei piccoli residui di ossido e biossido di carbonio. Questi residui devono essere eliminati nella colonna di metanazione usando un catalizzatore a base di nichel, in quanto sono molto velenosi per il catalizzatore che poi verrà impiegato nella sintesi. Perciò si fanno avvenire le seguenti reazioni CO+3H2↔CH4+H2O e CO2+4H2↔CH4+2H2O. Entrambe sono reazioni esotermiche che riducono la resa della sintesi, in quanto viene consumato dell’idrogeno. Alla fine si recupera il calore ottenuto e si manda il miscuglio ottenuto alla turbocompressione. 7-Compressione. In questa fase i gas rimanenti quali idrogeno ed azoto subiscono una forte compressione da 25 a 250 atm, causando una diminuzione della temperatura, ed un conseguente raffreddamento dei gas. 8-Sintesi. A questo punto avviene la sintesi vera e propria nel reattore di sintesi ad una temperatura tra i 380°C e i 450°C e ad una pressione di 250 atm con l’utilizzo di un catalizzatore a base di ferro ed altri ossidi che permettono all’idrogeno e all’azoto di legarsi insieme e formare l’ammoniaca. Il gas in uscita dal reattore contiene un 18% di ammoniaca che viene raffreddata e stoccata. Tutti i gas che non hanno reagito vengono

2

Sintesi dell’Ammoniaca rimessi in circolo all’inizio del ciclo. Nonostante tutto troviamo un forte eccesso di idrogeno, che però va in parte eliminato, perché la sua forte presenza nel ciclo renderebbe impossibile il processo continuo.

3...