Produzione Ammoniaca, Processi chimici

L'ammoniaca

L'ammoniaca ha importanti usi come fertilizzante.

Materie prime

• N₂
• H₂ da fonte fossile: gas naturale in Europa e USA, carbone o residui pesanti in Cina e India

Gas naturale

1. Reforming primario è condotto a T=850°C. Esce 50% H₂ e 50% di CO, CO₂ e CH₄.

2. Reforming secondario autotermico che lavora a T=1000°C in modo da spingere di più la conversione del metano. È importante avere poco metano in uscita, serve avere un rapporto 3:1 di H₂ e N₂. Il reforming è fatto con aria al posto di O₂. Introduco direttamente N₂ necessario per la sintesi di NH₃.

3. Shift a T alta e a T bassa in modo da convertire quanto più CO possibile in CO₂.

4. Rimozione di CO₂.

5. Metanazione deve essere fatta quando rimane poco CO perché va a consumare H₂. Inoltre, il CH₄ che si forma è un inerte e abbassa la pressione parziale dei gas per la reazione di sintesi dell'ammoniaca.

6. Compressione.

7. Sintesi NH₃.

Cariche pesanti

È necessaria una air separation unit che produce O₂ per la gassificazione e N₂ per il processo di NH₃.

• Gassificazione composti pesanti con O₂.
• Rimozione particolato che si forma dalla combustione a T alta.
• Desolforazione a valle del processo.
• WGS catalizzata con catalizzatori sensibili allo S.
• Rimozione CO₂.
• Lavaggio con N₂ che rimuove le impurità ed è necessario alla sintesi.
• Compressione.
• Sintesi. La reazione di sintesi è esotermica. L'energia di attivazione però è molto alta perché i reagenti sono stabili e quindi difficili da attivare. Serve necessariamente un catalizzatore che abbassi l'energia di attivazione.

ΔG=0 per T=200°C circa. La reazione non ha sottoprodotti. La T alta aumenta la velocità di reazione. La P alta favorisce la reazione (ho riduzione del numero di moli). La conversione dei reagenti a P alta richiede però elevati costi energetici. La reazione è limitata dall'equilibrio. Per aumentare la conversione serve un loop ad alta P. Inizialmente si lavorava a P=10-30 bar e T=400-500°C ma le rese erano solo del 20-30% (zona grigia a destra). Attualmente si lavora a T=700K, se non si operasse ad almeno P=300 bar le rese sarebbero bassissime.

Il catalizzatore

Catalizzatore ternario a base Fe (spugne di ferro), molto denso (10-12 m²/g). Si produce da magnetite + promotori che sono:

• Allumina (strutturale)
• Ossido di K (elettronico)
• Ossido di Mg
• Ossido di Ca

Si porta tutto a fusione a T=1400°C, si fa raffreddare e si frantuma, poi si riduce (la fase attiva è il ferrometallico e non l'ossido). I promotori sono di tipo strutturale (migliorano le caratteristiche meccaniche del catalizzatore) o elettronico (migliorano l'attività). Allumina: promotore strutturale, migliora la resistenza a T alta in quanto il ferro sarebbe soggetto a creep e rammollirebbe alle temperature di processo. CaO e MgO: usati come fondenti per permettere la fusione assieme di allumina e ferro. K₂O: promotore strutturale, è un composto basico che neutralizza l'acidità dell'ambiente.