Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

-PRODUZIONE AMMONIACA-

L'ammoniaca, alla quale è attribuita la formula chimica NH3 è un importante prodotto della chimica di base. La produzione mondiale dell'ammoniaca è di diversi milioni di tonnellate, ed è usata, in massima parte, nella produzione dei fertilizzanti azotati.

L'ammoniaca è un gas alla pressione e alla temperatura ambiente, è facilmente solubile nell'acqua e può essere anche liquefatto con una modesta pressione. E' un gas facilmente riconoscibile dato che ha un odore pungente e caratteristico.

Industrialmente, l'ammoniaca viene prodotta attraverso la seguente reazione di sintesi

Si tratta dunque di una reazione esotermica, più precisamente è debolmente esotermica dato che il calore di reazione è piccolo ed è di sole 11 kcal/mole di NH3.

La reazione, alla temperatura e alla pressione ambiente, ha una costante di equilibrio assai bassa e dunque è fortemente spostata verso sinistra ma può essere aumentata variando le condizioni operative.

In base al principio di Le Chatelier, essendo la reazione esotermica e con una riduzione di molecole gassose, l'equilibrio può essere spostato verso destra, e quindi verso i prodotti, aumentando la pressione e diminuendo la temperatura.

D'altro canto, però, la velocità della reazione che conviene sia la maggiore possibile, diminuisce al diminuire della temperatura e quindi il valore numerico della temperatura dovrà necessariamente essere scelto con un calcolo d'ottimizzazione che massimalizzi l'ammoniaca prodotta. In quanto alla pressione, verificandosi una diminuzione di molecole gassose, è conveniente che sia la più alta possibile.

Nei moderni impianti si opera a pressioni veramente alte, che sfiorano addirittura i mille bar, con temperature di circa 400 °C ed in presenza di un catalizzatore a base di ferro per favorire e velocizzare il più possibile la reazione.

il grado di trasformazione dei reagenti, malgrado tutti questi accorgimenti, rimane assai basso, e quindi occorre riciclarsi. La separazione dell'ammoniaca prodotta, stante l'alto valore della pressione, può essere fatta per semplice condensazione raffreddando la miscela fino quasi alla temperatura ambiente e poi riciclando, previo un nuovo riscaldamento recuperando calore dalla corrente che si raffredda, nel reattore per un nuovo passaggio.

Stante l'altissima pressione dei gas, il reattore di un impianto di produzione dell'ammoniaca, ha una forma diversa dagli altri reattori chimici. E' costituito da una serie di piccoli tubi di notevole spessore posti in parallelo tra loro.

La compressione dei gas di sintesi modernamente è fatta inizialmente, fino ad un centinaio d'atmosfere con compressore centrifugo a più stadi e con raffreddamento, e poi è completata, fino al valore finale con un compressore di tipo a pistone, il solo in grado di operare con una certa economicità a simili pressioni.

L'azoto, modernamente, si ottiene ormai con costi modesti, attraverso la liquefazione dell'aria e la successiva distillazione. L'operazione è tutt'altro che semplice dato che l'aria diventa liquida a ben 200 °C sotto zero. Una simile temperatura si ottiene attraverso ripetute espansioni adiabatiche dell'aria.

L'idrogeno invece è ancora un gas piuttosto costoso e può essere prodotto con molti metodi alcuni dei quali, come l'elettrolisi dell'acqua, molto usati in passato, sono ormai fuori mercato. Attualmente il metodo più in voga è quello che parte dal metano e che, sinteticamente, si articola sulle seguenti reazioni:

La prima reazione serve a fornire il calore necessario alla seconda reazione. Ovviamente l'impianto deve prevedere uscite ed entrate separate per i reagenti ed i prodotti delle due reazioni che devono avvenire in sequenza, con temperatura variabile da 700 a 1000 °C e senza l'ausilio d'alcun catalizzatore dato che sono entrambe molto veloci..

La terza reazione, detta reazione di conversione, è invece lenta e deve essere aiutata con un catalizzatore costituito da una miscela di ossidi. La temperatura è abbassata fino a 400 °C, giusto compromesso tra il basso valore richiesto dal principio di Le Chatelier e l'alto valore richiesto dalla cinetica.

L'anidride carbonica, viene separata dall'idrogeno, facendola assorbire da una soluzione di etanolammina. L'operazione viene condotta alla temperatura di 40 °C. L'anidride carbonica sarà poi sarà poi recuperata per semplice riscaldamento a 80 °C e l'etanolammina può essere riutilizzata per un successivo ciclo di assorbimento desorbimento.

Sergio Troiano