CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO NA PRODUÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO ATRAVÉS DA OXIDAÇÃO DE AMÔNIA ANIDRA (NH₃) UTILIZANDO O PROCESSO DE OSTWALD

Guilherme Caruso, Jean Salun, Jesiane Nunes, Cintia Garcia, Luana Falcão

Orientador: Profa. Rebeca Piumbato Chaparro

FACULDADES OSWALDO CRUZ

Bacharelado e Licenciatura em Química

RESUMO: O ácido nítrico, muito utilizado em indústrias farmacêuticas e metalúrgicas, é produzido através do processo criado pelo alemão Wilhelm Ostwald. Este trabalho tem como objetivo demonstrar que o Processo de Ostwald é capaz de maximizar a produção do ácido nítrico com menor perda de materiais e consequentemente maior rendimento. Para demonstrar que isso é possível, buscamos teorias sobre os produtos envolvidos e encontramos uma empresa que utiliza esse processo, onde tivemos acesso a um teste que mostrou o rendimento inicial da fabricação do ácido nítrico, e o que pode ser feito para melhorar este rendimento. Este estudo explica de maneira simples a importância deste processo e mostra que a estequiometria pode ser aplicada nas indústrias como uma boa ferramenta de auxílio em diversos setores, como na produção, para adequar o uso dos materiais e financeiramente atingir melhores resultados.

Palavras-chave: Ácido nítrico; Amônia anidra; Cálculo estequiométrico

1 INTRODUÇÃO

            Atuando nos campos da química farmacêutica e principalmente metalúrgica, o ácido nítrico possui um espaço de destaque, já que sua produção quase sempre rentável, faz com que o produto gerado através do processo de oxidação da amônia anidra, seja muito utilizado em sua forma gasosa. Alguns processos desenvolvidos ao longo dos anos para a produção e utilização da amônia gasosa, dentre eles o Processo de Ostwald, contribuíram para o aumento da rentabilidade uma vez que possibilitam a utilização dos resíduos iniciais para obtenção de mais produto final.

            O trabalho visa apresentar através de cálculos estequiométricos a produção de ácido nítrico seguindo o método de Wilhelm Ostwald.

2 O ÁCIDO NÍTRICO NA INDÚSTRIA

            O ácido nítrico, hoje, em sua maior parte é obtido através do processo de Ostwald. Sua produção era feita por um processo chamado “arco voltaico”, no qual o ar era submetido à corrente elétrica e reagia a 3000ºC. Outro método muito utilizado para a obtenção do ácido nítrico, consistia na reação de nitrato de sódio com ácido sulfúrico.

            Atualmente, na produção do ácido nítrico, se priorizam alguns cuidados envolvendo o processo e o transporte, auxiliando no aumento do rendimento final da produção e ajudando a reduzir perdas durante o processo.

            Todos os processos visam a aplicação do ácido nítrico em industrias metalúrgicas, farmacêuticas e processos orgânicos, em sua grande maioria utilizando-o no estado gasoso.

3 PROCESSO DE OSTWALD

            Para a produção massiva de ácido nítrico é usado o Processo de Ostwald. Neste segmento a amônia anidra (NH₃) é oxidada a óxido nítrico pelo oxigênio (O₂) a 850ºC com o uso do catalisador de platina ródio e 5 atmosferas de pressão, resultando assim no gás NO.

           Como a amônia utilizada é derivada do Processo Haber Bosch, o produto final a ser produzido pode ser o nitrogênio, hidrogênio e o oxigênio, os quais são derivados do ar e gás natural como únicas matérias primas.

            Inicialmente uma reação catalítica muito rápida ocorre, onde cerca de 10% em volume de amônia é misturado com ar pré-aquecido em um meio catalisador de camadas de platina e ródio, aquecida a uma temperatura de 920ºC (Equação 1):

          

4 NH_3(g) + 5 O_2(g) à 4 NO_(g) + 6 H₂O         ∆H_298ºC = -216,6 kcal  ou -903 kJ   (Equação 1)

           

Segundo  Taylor et al., (1931, p. 857-860), o rendimento do processo chega a ser de 95% dependendo da variação de temperatuda do meio.

O NO produzido passa por um segundo processo, no qual ocorre novamente a adição de oxigênio pré-aquecido no meio, a fim de formar dióxido de nitrogênio (Equação 2):

                                   

4 NO_(g) + O_2(g) à 2NO_2(g)                  ∆H_298ºC = -27,1 kcal  ou -116,3 kJ   (Equação 2)

            O dióxido de nitrogenio produzido logo é encaminhado para a reação junto à água, na qual é absorvido e convertido em ácido nítrico e óxido nítrico (Equação 3):

3 NO­_2(g) + H₂O_(l) à 2 HNO_3(g)­ + NO_(g)             ∆H_298ºC = -32,2 kcal  ou -134,7 kJ  (Equação 3)

            Em alguns casos junto ao dióxido de nitrogênio e a água, adiciona-se oxigênio afim de obter apenas o produto final, o ácido nitrico (Equação 4):

4 NO­_2(g) + 2 H₂O_(l)  +  O_2(g) à 4 HNO_3(g)­         ∆H_298ºC = -32,2 kcal  ou -134,7 kJ   (Equação 4)

            Alguns fatores naturais podem “quebrar” a funcionalidade ou eficiência do projeto, entretanto, a maneira como o mesmo é aplicado e seus produtos armazenados auxilia na redução de tais erros.

            Ainda segundo Taylor et al., (1931, p. 857-860), o processo final consegue obter cerca de 65% de solução de ácido nítrico funcional para a indústria, já que os outros 35% ainda possuim certas impurezas que, através de processos de reaproveitamento irão produzir futuramente uma quantidade ainda maior de produto final.

4 Aplicação da estequiometria no Processo de Ostwald em procEsso industrial real

A indústria NITOGENIUS - PRODUTOS QUÍMICOS aplicou o processo caracterizado “Análise comportamental de Ostwald” com o objetivo de observar a viabilidade do processo em escala industrial. Após realizar o teste, obteve uma massa de 163,67g de HNO₃ para 104,0g de NH₃ que reagiram, o que representa um rendimento aproximado de 64% conforme mostrado nos cálculos que seguem.

A massa de 104,0g de amônia utilizada no processo foi escolhida aleatoriamente, e os resultados obtidos são apresentados no cálculo estequiométrico efetuado com base nas Equações 5, 6, 7 e 8.

4 NH_3(g) + 5 O_2(g) " 4 NO_(g) + 6 H₂O_(l) (3x)               (Equação 5)

4 NO_(g) + 2 O_2(g) " 2 NO_2(g) (3x)                               (Equação 6)

3 NO_2(g) + H₂O_(l) " 2 HNO₃ + NO_(g) (4x)                  (Equação 7)

12 NH_3(g) + 21 O_2(g) " 8 HNO_3(g)  + 4 NO_(g)  + 14 H₂O_(l)                                 (Equação 8)

           

Com os valores da equação global balanceada (Equação 8), a empresa utilizou a massa de 104,0g de amônia anteriormente empregada para averiguar a massa de ácido nítrico que seria obtido, utilizando para isso o cálculo estequiométrico que se segue:

12 mol de NH₃ x (17 g/mol) --------- 8 mol de HNO₃x (63 g/mol) (teórico)

     104,0g NH₃                                ---------  X    ( real)

X = 256,94 g de HNO₃

           

            A massa de ácido nítrico obtida neste cálculo é teórica, é a massa que deveria ser obtida caso não houvessem perdas no processo.

          Com os dados reais informados pela empresa (163,67g de HNO₃) e com os dados teóricos da estequiometria (256,94g de HNO₃), chegou-se ao valor do rendimento informado:

Sendo assim : 256,94 g de HNO₃    --------- 100%

                       163,67 g de HNO₃    ---------    X

X = 63,7% de rendimento na reação

O laboratório NITROGENIUS – PRODUTOS QUÍMICOS com sua análise laboratorial conseguiu a confirmação da teoria do processo de Ostwald. Neste teste, a empresa informou que não reutilizou o material residual, mas afirmou que sua reciclagem será aplicada em escala industrial para a ampliação da viabilidade do processo.

5 CONCLUSÃO

            Independente do processo utilizado para a obtenção de ácido nítrico, sempre haverá  perda de material em relação ao produto inicial. Essa perda se dá por existirem impurezas no produto, onde parte dele é rejeitado, mas não eliminado completamente. Através de processos de  reaproveitamento, este material rejeitado retorna ao processo principal gerando uma quantidade ainda maior de ácido nitrico, algo que para a indústria se torna muito atrativo, já que o lucro investido no processo é quase todo revertido em material utilizavel.

6 REFERÊNCIAS

CARDOSO, M.; Ácido nítrico. Disponível em: <http://www.infoescola.com/quimica/acido-nitrico/> Acesso em: 23/09/2015.

FERNANDES, C.: Só Biografias: Wilhelm Ostwald. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Ostwald> Acesso em: 07/10/2015.

LUZ, L. Molina; Estequiometria. Disponível em: <http://www.infoescola.com/quimica/estequiometria/> Acesso em: 26/09/2015.

PROCESSO HABER BOSCH, Disponível em: <http://quimicoestudante.blogspot.com.br/2012/09/sintese-de-amonia-processo-haber-bosch.html> Acesso em: 07/10/2015.

Taylor, G.B., Chilton, T.H., Handforth, S.L.; Produção de ácido nítrico, Disponível em: <https://sites.google.com/site/scientiaestpotentiaplus/acido-nitrico/acido-nitrico---producao> Acesso em: 23/09/2015.

Taylor, G.B., Chilton, T.H., Handforth, S.L.; Manufacture of Nitric Acid by the Oxidation of Ammonia – England: Ind. Eng. Chem., 1931 – Pgs 857-860