Processo de Haber Bosch – Produção Industrial da Amônia

O processo de Haber (também conhecido como Processo Haber-Bosch) é uma reação entre nitrogênio e hidrogênio para produzir amoníaco. Esta reação é catalisada com o ferro, sob as condições de 200 atmosferas de pressão e uma temperatura de 450 °C.:

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) + energia ∆ H = -92,22 Kj

O processo foi desenvolvido por Fritz Haber e Carl Bosch em 1909 e patenteado em 1910. Foi usado pela primeira vez, à escala industrial, na Alemanha durante a Primeira Guerra Mundial. Para a produção de munição os alemães dependiam do nitrato de sódio importado do Chile, que era insuficiente e incerto. Por isso passaram a utilizar prontamente o processo de Haber para a produção de amoníaco. Atualmente, a amônia é muito utilizada na indústria. Ela serve como material de partida de compostos importantes, tais como pesticidas e fertilizantes, também está presente nas formulações de tintas de cabelo que são muito vendidas atualmente.

Se fôssemos simplesmente sintetizar amônia a partir do nitrogênio e do oxigênio obteríamos muito pouco produto, pois esta reação tem um rendimento muito baixo. Além disso, esta reação é muito lenta e como as indústrias querem produtividade, não se pode esperar muito tempo para a reação se processar.Para sintetizar a amônia industrialmente, a partir do nitrogênio e do hidrogênio, uma maneira conveniente é aumentar a velocidade da reação, utilizando um catalisador, por exemplo.

Para a produção da amônia, o nitrogênio é obtido do ar atmosférico, e o hidrogênio como resultado da reação entre a água e o gás natural:

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)  

Condições de equilíbrio do processo

A reação entre nitrogênio e hidrogênio é reversível, portanto, o rendimento na produção do amoníaco depende de algumas condições:

TemperaturaA formação da amônia, apesar de muito lenta, é exotérmica. Assim, poderíamos

imaginar que se aumentarmos a temperatura do sistema, a reação se deslocaria na formação de nitrogênio e hidrogênio. Assim como, se diminuirmos a temperatura, a reação se deslocaria na formação de mais amônia. No entanto, quando aquecemos o sistema reacional, podemos aumentar a velocidade da reação, pois a baixas temperaturas a reação é tão lenta que perderíamos muito tempo com esta reação. Sendo assim, baixas temperaturas favorecem a produção do NH3 e o incremento da temperatura tende a deslocar o equilíbrio da reação no sentido inverso, de acordo com o Princípio de Le Chatelier. Por outro lado, a redução da temperatura diminui a velocidade da reação, portanto, uma temperatura intermédia é a ideal para favorecer o processo. Experiências demonstraram que a temperatura ideal é de 450 °C.

PressãoSe aumentarmos a temperatura, o equilíbrio se deslocará na formação de nitrogênio e

oxigênio, o que é desfavorável, assim podemos aumentar a pressão, o que faz com que a produção de amônia também aumente, pois a alta pressão faz com que o equilíbrio se desloque no sentido de menor volume de gás. Uma forma de aumentar o rendimento é remover a amônia e isto é feito em muitas indústrias do mundo. Logo, o incremento da pressão aumenta o rendimento de formação do produto, mas por outro lado este incremento deve ser economicamente viável, ou seja, não deve tornar os custos de produção demasiado elevados. A pressão considerada tecnicamente e economicamente viável é de 200 atmosferas.

Fritz Haber ganhou o prêmio Nobel por viabilizar a síntese da amônia.

Catalisador: O catalisador não afeta o equilíbrio, porém, acelera a velocidade da reação para atingir o equilíbrio. A adição de um catalisador permite que o processo se desenvolva favoravelmente em temperaturas mais baixas. No início, para a reação Haber-Bosch, usava-se o ósmio e urânio como catalisadores. Atualmente, utiliza-se de maneira extensiva o ferro.

Na indústria, o ferro catalítico é preparado pela exposição da magnetita, um óxido de ferro, ao hidrogênio aquecido. A magnetita é reduzida a ferro metálico com a eliminação do oxigênio no processo.

A amônia formada é um gás, porém, refrigerando e sob alta pressão obtém-se num estado liquefeito. Nestas condições, sob a forma líquida, não ocorre à reversibilidade, ou seja, a reação de decomposição em nitrogênio e hidrogênio não acontece.

Repare que esta equação é de formação da amônia no estado gasoso, veja agora alguns procedimentos da produção artificial de amônia líquida:

1. Uma mistura gasosa de N2 e H2 é colocada em um reator;2. Ao reagir e atingir o equilíbrio, a mistura de N2 e H2 é transferida para um condensador;3. Nesta etapa a amônia formada se encontra no estado gasoso: NH3(g), mas quando passa pelo condensador se converte em líquida;4. Estando a amônia liquefeita é então retirada e pode ser usada.