Procesos industriales

Los procesos que convierten la química en industria

Haber-Bosch, electrólisis cloro-álcali, fisión nuclear, fotovoltaica: los procesos clave que transforman los elementos de la tabla periódica en bienes, energía y materias primas mundiales.

Un proceso es más que una reacción aislada. Es una cadena de transformaciones físicas y químicas diseñada para producir a gran escala, de forma reproducible y rentable. Cada proceso de abajo tiene su historia, sus inventores, una ecuación clave y unas condiciones de operación específicas.

10 procesos

Síntesis química175 Mt/año

Proceso Haber-Bosch

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ (ΔH = −92 kJ/mol)

Síntesis industrial de amoníaco (NH₃) a partir del nitrógeno atmosférico y del hidrógeno, a alta presión y con un catalizador de hierro. Sin él, solo se podría alimentar a unos 4 000 millones de personas.

Energía nuclear

Reactor de agua a presión (PWR)

²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 n + ~200 MeV (reacción en cadena de fisión)

El diseño de reactor nuclear más extendido del mundo (~70 % de la flota). El agua del circuito primario, presurizada a 155 bar para mantenerse líquida a 320 °C, lleva el calor de la fisión del combustible de UO₂ a un generador de vapor que alimenta la turbina.

Metalurgia140 Mt/año

Proceso Bayer

Al(OH)₃ + NaOH → NaAl(OH)₄ (digestión) 2 Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O (calcinación)

Refinado de alúmina pura (Al₂O₃) a partir de la bauxita por disolución selectiva en sosa cáustica concentrada y caliente. Etapa obligatoria previa a la electrólisis Hall-Héroult: sin Bayer, no hay aluminio metálico.

Electrólisis70 Mt/año

Proceso Hall-Héroult

2 Al₂O₃ + 3 C → 4 Al + 3 CO₂ (ánodo consumible, ~13 kWh/kg)

Electrólisis a 950-980 °C de alúmina disuelta en criolita fundida (Na₃AlF₆) para producir aluminio metálico. Universal desde 1886: por sí solo consume ~3 % de la electricidad mundial.

Síntesis química62 Mt/año

Proceso Solvay

2 NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂ (NH₃ reciclado en bucle)

Producción de carbonato de sodio (Na₂CO₃, «sosa Solvay») a partir de salmuera (NaCl) y caliza (CaCO₃), con amoníaco como intermedio reciclado. Domina la producción de carbonato de sodio desde 1865.

Síntesis química270 Mt/año

Proceso de contacto

S + O₂ → SO₂ ; 2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃ ; SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Producción de ácido sulfúrico (H₂SO₄) por oxidación catalítica del SO₂ a SO₃ sobre un catalizador de pentóxido de vanadio, seguida de absorción en ácido concentrado. ~270 Mt/año: el ácido más producido del mundo.

Síntesis química75 Mt/año

Proceso Ostwald

4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O ; 2 NO + O₂ → 2 NO₂ ; 3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO

Oxidación catalítica del amoníaco (procedente del Haber-Bosch) sobre una malla de platino-rodio para producir ácido nítrico. Junto con el Haber-Bosch, es la columna vertebral de la industria de los fertilizantes y los explosivos.

Electrólisis85 Mt/año

Proceso cloro-álcali

2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + 2 NaOH + H₂ (ánodo: 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻ ; cátodo: 2 H₂O + 2 e⁻ → H₂ + 2 OH⁻)

Electrólisis de salmuera (NaCl) para obtener cloro (Cl₂), sosa cáustica (NaOH) e hidrógeno (H₂) en un solo proceso. Piedra angular de la química mineral: producción mundial de ~85 Mt de Cl₂/año y ~80 Mt de NaOH/año.

Síntesis química0.2 Mt/año

Proceso Frank-Caro

CaO + 3 C → CaC₂ + CO ; CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C ; CaCN₂ + 3 H₂O → 2 NH₃ + CaCO₃

Primer proceso industrial de fijación del nitrógeno atmosférico (1898). Convierte el carburo de calcio CaC₂ en cianamida cálcica CaCN₂ por reacción directa con N₂. Fue desplazado por el Haber-Bosch a partir de la década de 1920, pero abasteció de nitrógeno agrícola a Alemania durante la Primera Guerra Mundial.

Energía nuclear

Reactor de agua en ebullición (BWR)

²³⁵U + n → fragmentos + 2-3 n + ~200 MeV ; agua saturada a 285 °C / 70 bar acciona directamente la turbina

Reactor nuclear de ciclo directo: el agua del núcleo hierve a 285 °C / 70 bar y produce el vapor que mueve directamente la turbina, sin circuito secundario. ~70 reactores en servicio (~25 % de la flota mundial), sobre todo en Estados Unidos, Japón y Suecia.