Processos Industriais Inorgânicos: A Indústria do Nitrogênio

PROCESSOS INDUSTRIAIS INORGÂNICOS ENG 23220 FAMÍLIA DO NITRÔGENIO INTRODUÇÃO Amônia Sulfato de Amônio Nitrato de amônio Indústria do NITROGÊNIO AMÔNIA O Ar é considerado uma fonte inesgotável de N2 79 Enquanto a Inglaterra estava interessada no nitrogênio para fertilizantes a Alemanha estava interessada no nitrogênio para explosivos O exército alemão financiou a indústria daquele país e em 1911 a primeira planta industrial de produção de amônia a partir do nitrogênio do ar estava em operação N2 3H2 2NH3 O maior consumo de nitrogênio é na manufatura de amônia Indústria do NITROGÊNIO ÁCIDO NITRICO Fluxograma Aplicações do nitrogênio em produtos inorgânicos Amônia NH3 Ácido nítrico HNO3 Uréia CONH22 Nitratos fertilizantes e explosivos NH4NO3 NaNO3 CaNO32 As indústrias químicas do nitrogênio incluem não somente o nitrogênio fixo artificialmente mas também a amônia formada como subproduto das coquerias e os depósitos naturais que são ambos sujeitos a processos de tratamento químico Indústria do NITROGÊNIO AMÔNIA O amoníaco gás amoníaco ou amônia é um composto químico cuja molécula é constituida por um átomo de nitrogênio N e três átomos de hidrogênio H de fórmula molecular NH3 cuja fórmula estrutural é O produto é manuseado e transportado de duas formas solução aquosa amônia e na forma anidra amoníaco A solução comercial contém usualmente 28 de amônia Aplicações refrigeração e na indústria de papel na fabricação de ácido nítrico para compostos nitrados autoexplosivos na produção de fertilizantes e propelentes que é capaz de propulsionar um corpo sólido Também utilizada direta ou indiretamente na produção de diversos produtos da indústria química como barrilha Na2CO3 ácido nítrico nylon plásticos vernizes corantes borracha e outros AMÔNIA As pesquisas de Haber Nernst e seus colaboradores no início do século XX lançaram os fundamentos para a indústria moderna de amônia sintética Esses pesquisadores estabeleceram os dados de equilíbrio do sistema amônianitrogêniohidrogênio O desenvolvimento de um processo prático para obtenção de amônia sintética foi realizado graças às pesquisas de Haber Bosch e colaboradores Esse processo valeu a Haber o Prêmio Nobel de Química de 1919 PROCESSO HABER O proceso de Haber é uma reação entre o nitrogênio e o hidrogênio para produzir amoníaco Esta reação é catalisada com ferro sob as condições de 200 atmosferas de pressão e uma temperatura de 450ºC 12 N2 g 32 H2 g NH3 g AMÔNIA 1ºEtapa Fabricação do gás de síntese bruto com a razão entre nitrogênio e hidrogênio de 1 3 de N2 H2 1 Fase Purificação do hidrocarboneto dos compostos de enxofre pela passagem através de um leito de adsorção para remover os venenos de catalise 2 Fase Reforma dos hidrocarbonetos na maioria das vezes do gás natural no reformador primário mediante o vapor de água e num reformador secundário a ar para se ter o nitrogênio 2º Etapa Conversão de deslocamento do monóxido CO a dióxido de carbono CO2 utilizando o vapor de água e os catalisadores óxido de Ferro FeO e Cromo Cr2O3 CO g H2Og FeOCr2O3 CO2 g H2 g 400C Metano ou hidrocarboneto gasosa CH4 Nitrogênio N2 AAÁgua de alimentação VPA Vapor a pressão alta AACAgua de alimentação da caldeira R Refrigeração do amoníaco CondCondensado trocadores de calor Produção de Amônia por etapas AAÁgua de alimentação VPA Vapor a pressão alta AACAgua de alimentação da caldeira R Refrigeração do amoníaco CondCondensado trocadores de calor 3º Etapa Purificação pela remoção do dióxido de carbono CO2 com monoetanolamina MEA ou carbonato de potássio K2CO3 a quente ou Sulfinol em dois estágios 1 Estágio 2 Estágio Produção de Amônia por etapas 4º Etapa Remoção de monóxido CO e dióxido de carbono CO2 residuais a menos de 10ppm totais por metanação utilizando como catalisador o níquel Ni 5º Etapa Síntese do amoníaco Produção de Amônia por etapas AAÁgua de alimentação VPA Vapor a pressão alta AACAgua de alimentação da caldeira R Refrigeração do amoníaco CondCondensado trocadores de calor Conversor da síntese do amoníaco O conversor é constituído por um casco de alta pressão que encerra uma seção de catálise e um trocador de calor A seção de catálise tem a forma de um casco cilindro ajustando no interior do vaso de pressão ficando um espaço anular entre ambos As seção de catálise contém diversos leitos suportados em grades Para que o catalisador seja mantido na temperatura ótima injetase antes de cada leito o gás de carga frio para arrefecelo O leito do topo é o que contém a menor quantidade de catalisador Uma vez que o gradiente de temperatura diminui nos leitos sucessivos as dimensões dos leitos são graduadas com o maior deles no fundo Abaixo de seção do catálise está o trocador de calor Neste o gás afluente virgem é aquecido pelos gases que saem do último leito de catalisador A entrada de arrefecimento no topo permite que o gás de carga entre sem aquecimento e controla a temperatura do primeiro leito de catálise O gás de carga entra no topo do conversor e flui para baixo entre o vaso de pressão e a seção de catálise O gás resfria o caso e é aquecido Depois entra no trocador de calor no fundo do conversor e é ainda mais aquecido pelos gases quentes efluentes ao circular em torno dos tubos de trocador Parte do gás entre diretamente no topo do primeiro leito onde encontra a alimentação pré aquecida A corrente gasosa combinada a uma temperatura entre 370420C entra no leito de catalisador do topo Os gases fluem para baixo através do catalisador com um rápido aumento de temperatura à medida que á reação de formação de amoníaco avança e passam então pela grade que suporta o leito de catálise para um espaço entre o primeiro e o segundo leito Nesta câmara a temperatura é reduzida e o teor de amoníaco é abaixado graças à injeção do gás de carga frio Assim conseguese controlar a temperatura em todos os leitos de catálise de forma a se manter a temperatura ótima que propicia os rendimentos máximos Da mesma forma o gás continua a fluir para baixo através dos leitos inferiores Produção de Amônia por etapas AAÁgua de alimentação VPA Vapor a pressão alta AACAgua de alimentação da caldeira R Refrigeração do amoníaco CondCondensado trocadores de calor 6º Etapa Refrigeração condensação e separação do amoníaco formado 7º Etapa Recirculação com repressurização do nitrogênio e do hidrogênio residual depois da adição de nitrogênio e hidrogênio virgens 8º Etapa Purga do reformador primário para reduzir os inertes Recuperação do gás de purga Produção de Amônia por etapas SULFATO DE AMÔNIO Foi durante muito tempo um portador importante do nitrogênio nos fertilizantes embora sua produção esteja em declínio De uma produção correspondente a 25 milhões de toneladas anuais 24 provem da lavagem do gás de coqueria pelo ácido sulfúrico para retirada da amônia Em Sindri India está em operação um processo em que as matériasprimas principais para o sulfato de amônia são o gesso e o coque NH42 CO3 aq CaSO4 2H2O s CaCO3 s 2H2O NH42SO4 aq NITRATO DE AMÔNIO É o mais importante entre os fertilizantes nitrogenados em virtude de elevado teor de nitrato 33 da simplicidade e do baixo custo da sua fabricação e também graças ao seu nitrogênio de ação rápida do nitrato e ao nitrogênio de ação lenta do amônio É o ingrediente fundamental dos explosivos de segurança sendo misturado ao TNT para formar o amatol Uma importante utilização é a fabricação do óxido nitroso anestésico de amplo uso Este gás é formado com segurança pelo aquecimento de nitrato de amônio muito puro a 995 em condições controladas de temperatura entre 200 a 260C obtendose assim o produto comercial NH4 NO3 N2O 2H2O Quando o nitrato de amônio é detonado nos explosivos em que está presente ocorre a seguinte reação com grande velocidade e violência NH4 NO3 2N2 4H2OO2 Esta reação ocorre apenas pela iniciação provocada por um explosivo detonador poderoso ou pelo aquecimento confinado na presença de matéria orgânica oxidável O nitrato de amônio é feito pela simples neutralização do ácido nítrico obtido da oxidação da amônia pelo amoníaco NH3g HNO3aq NH4 NO3aq H206kcal NITRATO DE AMÔNIO Fluxograma simplificado do processo Stengel de fabricação do nitrato de amônio Nitrato de amônia NITRATO DE AMÔNIO O processo da Comercial Solvents Stengel economiza calor e abaixa o custo do equipamento pela reação do ácido nítrico préaquecido e do amoníaco num reator contínuo em que o vapor é separado do nitrato de amônia fundido que cai numa pequena torre de pelotização ou então e solidificado em escamas O teor de umidade no nitrato de amônia da ordem de 02 É possível recobrir os grânulos por substâncias antihigroscópias NITRATO DE AMÔNIO ÁCIDO NÍTRICO O ácido nítrico é um ácido forte pois seu grau de ionização α é de 92 É uma solução aquosa incolor com 70 em massa de nitrato de hidrogênio É fumegante em contato com o ar seus vapores são extremamente tóxicos e é também corrosivo podendo causar queimaduras e manchas amareladas na pele ÁCIDO NÍTRICO Depois do ácido sulfúrico o ácido nítrico é o mais produzido e usado pela indústria A sua formação pode se dar naturalmente ou industrialmente Ele pode ser formado em ambientes não poluídos durante chuvas acompanhadas de relâmpagos e pode ser liberado por veículos com motor à explosão e que ocasionam um tipo de chuva ácida Incompatibilidade Química Ácido Nítrico pode reagir violentamente com combustíveis orgânicos a bases fortes oxidar materiais como madeira e metais particulados É corrosivo para papéis e roupas reage com água liberando calor e fumos tóxicos O processo de Ostwald é um método utilizado para a produção industrial de ácido nítrico patenteado por químico alemão Willhelm Ostwald em 1902 e implementado pela primeira vez em 1908 Neste processo o ácido nítrico é sintetizado pela oxidação de amoníaco Antes da introdução do processo de Ostwald todo o ácido nítrico era produzido por destilação salitre nitrato de sódio NaNO3 ou nitrato de potássio KNO3 com ácido sulfúrico concentrado O processo Ostwald agora é responsável por toda a produção industrial de ácido nítrico um suprimento químico fundamental para as indústrias de fertilizantes e explosivos ÁCIDO NÍTRICO PROCESSO DE OSTWALD NA INDÚSTRIA QUÍMICA O processo de Ostwald produz ácido nítrico como uma solução aquosa de cerca de 60 de concentração Por destilação a concentração é aumentada para 685 dando ao ácido nítrico o grau reagente que é usado para a maioria das finalidades Este ácido é um azeótropo de ácido nítrico e água o que significa que ferve dois compostos à mesma temperatura 122C e por isso não pode ser adicionalmente concentrado por destilação simples Se as concentrações mais elevadas são necessárias eles podem ser obtidos por meio de destilação com ácido sulfúrico concentrado que absorve a água ou diretamente pela combinação de água dióxido de azoto e oxigênio ÁCIDO NÍTRICO PROCESSO DE OSTWALD NA INDÚSTRIA QUÍMICA CARACTERÍSTICAS O ácido nítrico puro anidro é um líquido incolor viscoso de odor sufocante característico O produto de grau reagente é uma solução em água contendo cerca de 69 71 de ácido O ácido nítrico fumegante contém pelo menos 90 de ácido e dióxido de nitrogênio dissolvido gás vermelho que pode ser liberado ao se abrir o recipiente com o produto Entre os ácidos é o segundo mais fabricado e consumidos pelas indústrias perdendo somente para o ácido sulfúrico H2SO4 ÁCIDO NÍTRICO O ácido nítrico é um ácido forte pois seu grau de ionização α é de 92 É fumegante em contato com o ar seus vapores são extremamente tóxicos e é também corrosivo podendo causar queimaduras e manchas amareladas na pele Ele entra em ebulição a 83ºC a 1 atm isto é ao nível do mar Esse ácido também tem ação oxidante é solúvel em água e com o tempo ele se decompõe pela ação da luz CARACTERÍSTICAS ÁCIDO NÍTRICO Diagrama de Hommel CARACTERÍSTICAS ÁCIDO NÍTRICO A produção massiva do ácido nítrico é via o processo Ostwald Neste processo amônia anidra NH3 é oxidada a óxido nítrico pelo oxigênio O2 a 850C citase também 900C e 5 atmosferas de pressão com a ajuda de catalisadores de platina e ródio para resultar no gás NO Por usar amônia derivada do processo Haber o produto final pode ser produzido do nitrogênio hidrogênio e oxigênio os quais são derivados do ar e gás natural como únicas matérias primas ÁCIDO NÍTRICO Produção ÁCIDO NÍTRICO Obtenção Na indústria normalmente a sua fabricação se dá a partir do NH3 conforme as reações abaixo ÁCIDO NÍTRICO Antes da descoberta do Ostwald o ácido nítrico era obtido através de um processo denominado arco voltaico onde o próprio ar era submetido a uma corrente elétrica e reagia a 3000 graus formando o óxido nítrico NO Tal fato nos remete a dificuldade de obter um ácido de suma importância nos principais processos industriais dos dias de hoje ÁCIDO NÍTRICO Obtenção Curiosidade Durante muitos anos o ácido nítrico foi obtido do salitre do Chile mediante a reação NaNO3 H2SO4 NaHSO4 HNO3 Este procedimento é utilizado até os dias de hoje não tão comumente em laboratórios como processo de obtenção ÁCIDO NÍTRICO O ácido nítrico é muito utilizado pela indústria química principalmente em processos de nitrificação de composto orgânicos na fabricação de explosivos fertilizantes agrícolas vernizes celuloses salitre nitrato de potássio pólvora negra Trinitolueno TNT Nitroglicerina dinamite seda artificial ácido benzoico fibras sintéticas galvanoplastia nylon entre outros Em baixas concentrações aproximadamente a 10 ácido nítrico é frequentemente usado para artificialmente envelhecer pinho e bordo A cor produzida é um cinzadourado muito semelhante ao de madeira com acabamento encerado ou acabado ao óleo muito velha ÁCIDO NÍTRICO Limpeza e como removedor de obstruções Soluções aquosas comercialmente disponíveis com 530 de ácido nítrico e 1540 de ácido fosfórico são comumente usadas para limpeza de equipamento de alimentos e laticínios principalmente para remover precipitados de compostos de cálcio e magnésio depositados pelas correntes de processo ou resultado do uso de água dura com concentrações de metais alcalinoterrosos durante a produção e limpeza Ácido nítrico em um meio de alta concentração é usado como um removedor de obstruções de baixo custo ÁCIDO NÍTRICO UNIVERSIDADE UNIGRANRIO Afya EDUCAÇÃO TECNOLOGIA SAÚDE