Proceso Birkeland-Eyde - Birkeland–Eyde process

Reactor utilizado en Rjukan de 1916 a 1940 con una capacidad de 3000 kW (fuera del Museo Noruego de Ciencia y Tecnología ).

El proceso Birkeland-Eyde fue uno de los procesos industriales en competencia en el comienzo de la producción de fertilizantes nitrogenados . Es una reacción de fijación de nitrógeno de varios pasos que utiliza arcos eléctricos para reaccionar el nitrógeno atmosférico (N 2 ) con oxígeno (O 2 ), produciendo finalmente ácido nítrico (HNO 3 ) con agua. El ácido nítrico resultante se utilizó luego como fuente de nitrato (NO 3 - ) en la reacción que puede tener lugar en presencia de agua u otro aceptor de protones .

Fue desarrollado por el industrial y científico noruego Kristian Birkeland junto con su socio comercial Sam Eyde en 1903, según un método utilizado por Henry Cavendish en 1784. Se construyó una fábrica basada en el proceso en Rjukan y Notodden en Noruega, combinada con el edificio de grandes instalaciones hidroeléctricas .

El proceso Birkeland-Eyde es relativamente ineficiente en términos de consumo de energía. Por lo tanto, en las décadas de 1910 y 1920, fue reemplazado gradualmente en Noruega por una combinación del proceso Haber y el proceso Ostwald . El proceso de Haber produce amoníaco (NH 3 ) a partir de nitrógeno molecular (N 2 ) e hidrógeno (H 2 ), este último generalmente, pero no necesariamente, se produce mediante el reformado con vapor de gas metano (CH 4 ) en la práctica actual. El amoníaco del proceso Haber se convierte luego en ácido nítrico (HNO 3 ) en el proceso Ostwald .

El proceso

Diagrama de la producción de un disco de plasma utilizando electrodos refrigerados por agua y un electroimán.
Un tipo de reactor utilizado en Rjukan desde 1912 hasta 1940 ahora se encuentra en un parque en Rjukan.
Edificio del reactor II detrás de la central hidroeléctrica de Såheim en el que se instalaron 35 reactores Birkeland-Eyde que requieren 3000 kW cada uno

Se formó un arco eléctrico entre dos electrodos de tubo de cobre coaxiales refrigerados por agua alimentados por una corriente alterna de alto voltaje de 5 kV a 50 Hz. Un fuerte campo magnético estático generado por un electroimán cercano extiende el arco en un disco delgado por la fuerza de Lorentz . Esta configuración se basa en un experimento de Julius Plücker, quien en 1861 mostró cómo crear un disco de chispas colocando los extremos de un electroimán en forma de U alrededor de un espacio de chispas para que el espacio entre ellos fuera perpendicular al espacio entre los electrodos. y que luego fue replicado de manera similar por Walther Nernst y otros. La temperatura del plasma en el disco excedía los 3000 ° C. Se insufló aire a través de este arco, lo que provocó que parte del nitrógeno reaccionara con el oxígeno formando óxido nítrico . Controlando cuidadosamente la energía del arco y la velocidad de la corriente de aire, se obtuvieron rendimientos de hasta aproximadamente 4-5% de óxido nítrico a 3000 ° C y menos a temperaturas más bajas. El proceso consume mucha energía. Birkeland utilizó una central hidroeléctrica cercana para la electricidad ya que este proceso demandó alrededor de 15 MWh por tonelada de ácido nítrico, produciendo aproximadamente 60 g por kWh. La misma reacción se lleva a cabo mediante un rayo, que proporciona una fuente natural para convertir el nitrógeno atmosférico en nitratos solubles.

El óxido nítrico caliente se enfría y se combina con el oxígeno atmosférico para producir dióxido de nitrógeno . El tiempo que tarda este proceso depende de la concentración de NO en el aire. Al 1%, se necesitan aproximadamente 180 segundos y al 6% aproximadamente 40 segundos para lograr el 90% de conversión.

Este dióxido de nitrógeno se disuelve luego en agua para dar lugar al ácido nítrico, que luego se purifica y concentra por destilación fraccionada .

El diseño del proceso de absorción fue fundamental para la eficiencia de todo el sistema. El dióxido de nitrógeno se absorbió en agua en una serie de torres de absorción de columna empaquetada o columna de placa , cada una de cuatro pisos de altura, para producir aproximadamente 40-50% de ácido nítrico. Las primeras torres hicieron burbujear el dióxido de nitrógeno a través de agua y fragmentos de cuarzo no reactivos. Una vez que la primera torre alcanzó la concentración final, el ácido nítrico se trasladó a un contenedor de almacenamiento de granito y el líquido de la siguiente torre de agua lo reemplazó. Ese proceso de movimiento continuó hasta la última torre de agua que se reponía con agua dulce. Aproximadamente el 20% de los óxidos de nitrógeno producidos permanecieron sin reaccionar, por lo que las torres finales contenían una solución alcalina de cal para convertir el resto en nitrato de calcio (también conocido como salitre noruego) excepto aproximadamente el 2% que se liberaron al aire.

Referencias