L’ammoniaca è un importante prodotto chimico di base poiché costituisce la materia prima utilizzata nella produzione di svariati composti azotati; vediamo come avviene il processo di sintesi dell’ammoniaca.
L’ammoniaca è impiegata in molti processi: basti pensare che oltre l’80% della produzione di ammoniaca è destinato alla fabbricazione di fertilizzanti, prevalentemente in oltre il 50% dei casi sotto forma di urea.
Tra gli altri usi dell’ammoniaca si possono evidenziare le seguenti applicazioni:
- propellenti ed esplosivi: nitrato di ammonio NH4NO3, nitroglicerina, trinitrotoluene TNT, nitrocellulosa
- acido nitrico HNO3 utilizzato come reattivo di nitrazione per ottenere i precedenti prodotti
- fibre e polimeri: poliammidi , poliuretani, resine fenoliche, ureiche e melamminiche
- NH3 liquida come fluido frigorifero
Gli elementi alla base della produzione di ammoniaca
Nel processo industriale di produzione dell’ammoniaca, la materia prima effettivamente utilizzata per la produzione è il gas di sintesi, cioè una miscela dosata in una certa percentuale, 3:1 di idrogeno e azoto (dove possono essere eventualmente presenti piccole quantità di impurezze). Chimicamente la reazione da produrre è la seguente:
N2+ 3 H2 → 2 NH3
Il problema principale è come reperire e successivamente fare reagire questi componenti. L’azoto è un elemento molto diffuso, anche nell’atmosfera; perché allora non si impiega nella fabbricazione dell’ammoniaca? Da un punto di vista chimico perché si produca ammoniaca è necessario che avvenga la reazione, cioè che i vari componenti possano reagire fra loro: l’atmosfera non è reattiva e l’azoto, in generale, difficilmente si combina con altri elementi.
Ciò è dovuto al fatto che alla temperatura ambiente la velocità della reazione è talmente bassa che, in pratica, la reazione non parte neppure.
La strategia di base per la fabbricazione di NH3 è pertanto quella di combinare idrogeno gassoso, H2, con gas di azoto, N2, ad una temperatura elevata e ad alta pressione, favorendo così la reazione.Chimicamente è una reazione difficile, quindi si richiede un agente esterno per accelerare il processo, ovvero un “catalizzatore”: si tratta di un composto che permette a una reazione di procedere più rapidamente.
Nella sintesi dell’ammoniaca il catalizzatore utilizzato è generalmente un ossido di ferro o un composto derivato. Ci sono tuttavia altre sostanze chimiche che possono essere utilizzati come catalizzatori, ma il ferro è il più comune (magnetite, FeO o Fe2O3).
Il catalizzatore modifica quindi il meccanismo di reazione: i reagenti non si urteranno più tra loro in fase gassosa, ma reagiranno sulla superficie del catalizzatore, formando composti instabili che successivamente si idrogenano trasformandosi in NH3.
In realtà anziché considerare la reazione iniziale, che risulta statisticamente improbabile dal punto di vista chimico, si considerano le due reazioni separate, che costituiscono due step intermedi:
H2+N2 →2NH
NH+ H2 → NH3
La fase lenta è la prima reazione, in quanto si deve rompere il triplo legame della molecola di N2, molto stabile, con una energia di legame molto elevata, ma in opportune condizioni è possibile ottenerla.
La fonte naturale più ovvia per l’azoto è quindi l’aria, che ne contiene il 79%, dopo una fase di distillazione dell’azoto liquido; per l’idrogeno, invece, le potenziali fonti sono ancor più numerose, ma la principale è attualmente costituita dai processi di “reforming” dell’industria petrolchimica che interessano ad esempio il gas metano.
I processi industriali per l’ottenimento dell’ammoniaca avvengono a valori di temperatura compresi tra 300 e 500 gradi, pressioni che vanno dalle 200 fino alle 1000 atm di alcuni impianti più moderni: è per questo che è importante effettuare una regolazione continua, tramite una serie di sensori di temperatura e pressione.
Il processo di produzione dell’ammoniaca
L’NH3 si ottiene industrialmente dalla sintesi con N2 e H2 secondo lo schema produttivo seguente:
Una volta ottenuti gli “ingredienti” del processo, ovvero l’azoto liquido e l’idrogeno gassoso (vedi figura), si possono utilizzare diversi cicli per la produzione dell’ammoniaca.
La sintesi vera e propria è condotta in un processo con riciclo che contiene sempre i seguenti elementi:
• un sistema di reazione comprendente uno o più reattori di sintesi catalitica muniti di sensori per il controllo della temperatura e il recupero del calore. E’ nel reattore che, dopo il dosaggio dei reagenti, avviene il processo di sintesi chimica
• una o più unità di raffreddamento
• una o più unità di separazione dell’ammoniaca dal gas non convertito (in questa fase è importante il
controllo della pressione e della temperatura
• apparecchiature per la compressione e per la rimozione del gas di spurgo dal gas di riciclo
• apparecchiature per il riciclo del gas non convertito
Uno schema del processo adottato è rappresentato nella figura seguente.
Fig 1: Schema semplificato di un impianto di sintesi di ammoniaca
L’impianto di produzione dell’ammoniaca
Per meglio comprendere le fasi del processo di un generico impianto conviene analizzare uno schema più dettagliato in cui si mettono in evidenza i singoli componenti e la loro funzione.
Come si può vedere dalla figura seguente, il gas di sintesi (N2 + H2) viene compresso mediante il compressore (1) ad alcune decine di atmosfere, quindi raffreddato nel refrigerante ad acqua (2) per eliminare il calore di compressione ed in seguito disidratato nella colonna a riempimento (3) contenente gel di silice.
Fig 2:Schema dettagliato di un impianto per la produzione di ammoniaca
Il gas di sintesi compressore (4) viene poi portato alla pressione di esercizio del processo, quindi viene preriscaldato mediante uno scambiatore di calore (5) a spese dei gas caldi che hanno già reagito e successivamente entra nel reattore (6). All’uscita, i gas molto caldi vanno in un sistema di recupero termico dove producono vapor d’acqua che alimenta un gruppo turbina-alternatore, che produce energia elettrica utilizzata nell’impianto.
In seguito i gas processati, formati da NH3, N2 e H2 vengono raffreddati in due scambiatori alimentati ad acqua (7) e ad ammoniaca liquida (8).
Dato che sono a pressione elevata, l’NH3 liquefa e viene separata nel separatore ad alta pressione (9) da N2 e H2 che vengono riciclati dopo il secondo compressore, dopo un opportuno spurgo degli inerti (aria). L’ammoniaca liquida viene espansa a 4-5 atmosfere: la maggior parte rimane liquida e va allo stoccaggio mentre i vapori di NH3 prodotti nella decompressione nel secondo separatore a bassa pressione (10) vanno al recupero.
In conclusione il processo di sintesi dell’ammoniaca gioca un ruolo centrale in molte attività industriali, proprio perché la sua produzione ha una serie di applicazioni in svariati settori. Esso costituisce anche un modo intelligente di sfruttare una risorsa pressoché illimitata (l’azoto dell’aria) per riuscire ad aumentare, attraverso l’uso di fertilizzanti azotati, la produttività dei terreni agricoli e soddisfare così i bisogni alimentari.
Conservazione e imbottigliamento dell’ammoniaca
L’ammoniaca può essere conservata e trasportata in due forme: o come liquido puro in serbatoi criogenici a pressione, che la tengono al di sotto della sua temperatura di ebollizione, oppure in soluzione acquosa (35% ammoniaca/65% acqua, in peso), imbottigliata in comuni contenitori a temperatura ambiente.
Il processo di produzione industriale si conclude grazie all’impiego di macchine dosatrici (lineari o rotative) per il dosaggio, l’imbottigliamento e successivamente il confezionamento finale.
Al fine di automatizzare la linea si impiegano macchine dosatrici automatiche o semiautomatiche e valvole speciali in grado di resistere al contatto con agenti chimici: ad esempio le valvole a membrana sono adatte per intercettare liquidi aggressivi (acidi o basi) o con impurità, oltre che per applicazioni particolarmente compatte.
In questa fase è spesso conveniente valutare l’implementazione nella linea di macchinari d’avanguardia, in grado di snellire notevolmente l’intero processo, consentendo di ottimizzare tempi e costi (basti pensare alla possibilità di installare macchine dosatrici con facili cambi formato, misuratori di flusso, ecc…).
In conclusione il processo di sintesi dell’ammoniaca gioca un ruolo centrale in molte attività industriali, proprio perché la sua produzione ha una serie di applicazioni in svariati settori. Esso costituisce anche un modo intelligente di sfruttare una risorsa pressoché illimitata (l’azoto dell’aria) per riuscire ad aumentare, attraverso l’uso di fertilizzanti azotati, la produttività dei terreni agricoli e soddisfare così i bisogni alimentari.
FONTI:
https://www.chimitutor.org
www.zanichelli.it
Dispense di “Processi industriali”, ITIS Vercelli, Dipartimento di Chimica
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