El proceso Haber: usos comerciales y química

Obtener nitrógeno del aire

El nitrógeno es un elemento popular en lo que respecta a los humanos. Usamos nitrógeno en explosivos, fertilizantes y limpiadores. Es parte de la fabricación de plásticos, además de usarse como refrigerante y en pozos de petróleo.

Afortunadamente para los humanos, hay mucho nitrógeno. De hecho, aproximadamente el 78% del aire que te rodea está compuesto de nitrógeno. Sin embargo, el problema es cómo convertir el nitrógeno del aire en nitrógeno que podamos utilizar.

¡Buenas noticias! Durante la Primera Guerra Mundial, el químico alemán Fritz Haber desarrolló una forma de convertir el nitrógeno del aire en amoníaco (que es nitrógeno unido a algunos átomos de hidrógeno). Más tarde, Carl Bosch, otro químico alemán, mejoró la técnica para realizar la tarea a mayor escala.

El proceso Haber lleva el nombre de Fritz Haber

Este proceso se llama Proceso Haber o, a veces, Proceso Haber-Bosch en honor a los dos científicos. Este descubrimiento fue muy importante y ambos hombres recibieron el Premio Noble en 1918.

Explicación del proceso de Haber

Antes de analizar el proceso de Haber, veamos la reacción que tiene lugar.

Aquí, el nitrógeno y el hidrógeno reaccionan entre sí a alta presión y temperatura para formar amoníaco. La flecha doble muestra que esta es una reacción reversible, lo que significa que el amoníaco se separará nuevamente en gas hidrógeno y gas nitrógeno.

Y ahora, los pasos del proceso Haber:

1. El nitrógeno del aire se combina con hidrógeno. El hidrógeno se obtiene a menudo mediante una reacción con gas natural y vapor. A veces se obtiene a partir del craqueo o cuando una molécula más grande se descompone en moléculas más pequeñas.
2. Los gases de hidrógeno y nitrógeno se envían al compresor donde se someten a 200 atmósferas (o 200 veces la presión a la que está acostumbrado en este momento)
3. Los gases presurizados se envían luego al convertidor, que calienta los gases a unos 450 grados C. El convertidor contiene hierro, que es un catalizador , lo que significa que ayuda en la reacción, pero no se agota en la reacción. Más específicamente, el nitrógeno y el hidrógeno reaccionan en la superficie del hierro. Aproximadamente el 15% del hidrógeno y el nitrógeno se convierten en amoníaco en este punto.
4. La siguiente parada es el tanque de enfriamiento donde se enfrían el amoníaco, el hidrógeno y el nitrógeno, lo que hace que el amoníaco se convierta en líquido. Este amoniaco se recoge.
5. Luego, el hidrógeno y el nitrógeno vuelven al convertidor donde se produce más amoníaco. Se enfría de nuevo y se recoge el amoniaco. Esto se repite varias veces hasta que la mayor parte del hidrógeno y el nitrógeno se hayan transformado en amoníaco.

Los pasos del proceso Haber

Equilibrio dinámico

¿Recuerda cuando parte del amoníaco se convirtió nuevamente en nitrógeno e hidrógeno? Profundicemos un poco más en eso con el equilibrio dinámico , o cuando una reacción reversible alcanza un punto en el que la relación de reactivos (o nitrógeno e hidrógeno gaseoso) a productos (o amoniaco) no cambia. Esto significa que la proporción de reactivos a productos sigue siendo la misma.

¿Porque es esto importante? Bueno, si está produciendo amoníaco, pero parte de él vuelve a convertirse en hidrógeno y nitrógeno, no es rentable.

Hay un principio en química conocido como Principio de Le Chatelier, que dice que se puede cambiar el equilibrio. En otras palabras, al cambiar cosas como la presión o la temperatura, los fabricantes de amoníaco pueden cambiar el equilibrio hacia la derecha, de modo que cuando se alcance el equilibrio dinámico, se produzca más amoníaco que si no se hicieran esos cambios.

¿Tener sentido? Bueno, aunque parece una buena solución, a veces lo que parece fácil en química no se traduce bien en el mundo industrial.

Compensaciones de presión y temperatura

Empecemos por la presión. Si aumentamos la presión, el equilibrio se desplazará hacia la derecha, lo que significa que obtenemos más amoníaco. ¿El problema? Construir una instalación que pueda crear y soportar altas presiones es costoso. Tienes que tener tuberías y tanques especiales, sin mencionar toda la energía necesaria para generar la inmensa presión.

Una compensación es utilizar 200 atmósferas. Si bien una mayor presión cambiaría el equilibrio aún más, 200 atmósferas es más factible desde el punto de vista del costo. Las 200 atmósferas producen la cantidad óptima de amoníaco cuando se considera el costo de construcción y mantenimiento de la instalación.

La siguiente compensación es la temperatura. Cuanto menor sea la temperatura, más amoníaco obtenemos por la cantidad de nitrógeno e hidrógeno que ponemos (en otras palabras, muy poco desperdicio). El problema es que, cuando la temperatura es baja, todo el proceso para alcanzar el equilibrio dinámico tomaría una eternidad.

Al usar 450 grados C, la reacción es mucho más rápida. Entonces, una compensación es obtener menos amoníaco en un período de tiempo más corto en comparación con una gran cantidad de amoníaco durante años. Y debido a que los reactivos (hidrógeno y nitrógeno) se reciclan de regreso al convertidor, eventualmente el 98% del producto termina siendo amoníaco.

¿Por qué no aumentar la temperatura? La reacción sería muy rápida y probablemente podría obtener más amoníaco en menos tiempo. Bueno, es una compensación. El costo de aumentar la temperatura es alto, por lo que 450 grados C es la temperatura óptima para la cantidad de amoníaco producido.

Resumen de la lección

El proceso Haber toma nitrógeno del aire, lo hace reaccionar con hidrógeno y produce amoníaco. El proceso lleva el nombre del químico alemán que inventó la técnica, Fritz Haber. Carl Bosch, otro químico alemán, lo modificó más tarde para uso industrial. El amoníaco es un ingrediente importante en fertilizantes, explosivos y limpiadores, solo por nombrar algunos.

El proceso de Haber:

• El nitrógeno y el hidrógeno se exponen a 200 atmósferas y luego se calientan a 450 grados C.
• El nitrógeno y el hidrógeno reaccionan en los catalizadores de hierro , o sustancias que hacen que las reacciones sean más rápidas y se convierten en amoníaco. Solo alrededor del 15% de lo que se produce es amoníaco, que se enfría y se recolecta.
• El hidrógeno y el nitrógeno restantes se reciclan a través del proceso nuevamente.

Finalmente, hay formas de cambiar el equilibrio dinámico , que es el punto donde la proporción de productos y reactivos permanece igual. Aquí, los fabricantes quieren cambiar el equilibrio dinámico para favorecer la producción de amoniaco. La elección de utilizar una presión de 200 atmósferas y 450 C es el mejor equilibrio de compensaciones por costo y tiempo.

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