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Proceso de Ostwald

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

Reacciones

El amoniaco se convierte en ácido nítrico en dos etapas.

Oxidación inicial del amoniaco

El proceso de Ostwald comienza con la combustión del amoniaco . El amoniaco se quema 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 una gasa de platino , aleado 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 (como vapor). Esta reacción es fuertemente exotérmica , lo que la convierte en una fuente de calor útil una vez iniciada: [5]

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (Δ H = −905,2 kJ/mol)

Reacciones secundarias

Varias reacciones secundarias compiten con la formación de óxido nítrico. Algunas reacciones convierten el amoníaco en N 2 , como:

4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O

Esta es una reacción secundaria que se minimiza al reducir 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 frecuentemente debido a la descomposición como resultado de las condiciones extremas en las que opera, lo que lleva a una forma de degradación llamada colifloración. [7] El mecanismo exacto de este proceso es desconocido, las principales teorías son la degradación física por átomos de hidrógeno que penetran la red de platino-rodio, o por el transporte de átomos de metal desde el centro del metal a la superficie. [7]

Oxidación secundaria

El óxido nítrico (NO) formado en la reacción catalizada anterior se enfría luego desde alrededor de 900 ˚C a aproximadamente 250 ˚C para oxidarse aún más a dióxido de nitrógeno (NO 2 ) [8] mediante la reacción:

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

La reacción:

2NO2 → N2O4 (ΔH = -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. [ cita requerida ] Este gas es luego 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 hasta la concentración requerida mediante destilación .

Esta es solo una de las más de 40 reacciones de absorción de óxidos nitrosos registradas, [11] con otras reacciones comunes que incluyen:

3N2O4 + 2H2O → 4HNO3 + 2NO​​

Y, si el último paso se realiza en el aire:

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

Reacción general

La reacción global es la suma de 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 general es la suma de la ecuación 1, 2 por 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

Wilhelm Ostwald desarrolló el proceso y lo patentó en 1902. [12] [13]

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). Biogeoquímica de 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. pp. 769–72. ISBN 978-0-07-012423-3.
  5. ^ ab 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 . Leer libros. p. 254. ISBN 978-1-4067-1303-9.
  7. ^ ab Hannevold, Lenka; Nilsen, Ola; Kjekshus, Arne; Fjellvåg, Helmer (28 de abril de 2005). "Reconstrucción de catalizadores de platino-rodio durante la oxidación del amoníaco". Catálisis Aplicada A: General . 284 (1): 163–176. 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 por día de ácido nítrico a partir de amoníaco y aire (utilizando el proceso de 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 e 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. ^ ab Liu, Yunda; Bluck, David; Brana-Mulero, Francisco (2014-01-01), Eden, Mario R.; Siirola, John D.; Towler, Gavin P. (eds.), "Simulación estática y dinámica de una torre de absorción de NOx basada en un modelo híbrido de reacción cinética-equilibrio", Computer Aided Chemical Engineering , Actas de la 8.ª Conferencia internacional sobre fundamentos del diseño de procesos asistido por ordenador, vol. 34, Elsevier, págs. 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. ^ 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 
  13. ^ 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 

Enlaces externos