Proceso Frank-Caro
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.
Condiciones de operación
- Temperatura
- 1000-1100°C
- Presión
- 1bar
- Catalizador
- Ninguno (reacción térmica)
- Fase
- solid-gas
Cómo funciona
Cómo funciona
Síntesis de moléculas mediante reacciones químicas controladas
Componentes clave
La función de cada pieza principal y los elementos o compuestos que intervienen.
Horno de arco eléctrico de carburo de calcio
Produce carburo de calcio CaC₂ por reducción de la cal con coque a muy alta temperatura.
Crisol refractario abierto atravesado por 3 electrodos de grafito (de hasta 1.5 m de diámetro), alimentado con CaO y coque. El arco eléctrico mantiene ~2000 °C en el baño. El CaC₂ líquido (punto de fusión 2160 °C) se cuela periódicamente, se enfría en bloques y se tritura. Esta etapa consume ~3 MWh por tonelada de CaC₂, casi todo el coste energético del proceso.
~2000 °C · 3 MWh/t de CaC₂ · electrodos de grafito
Horno de nitrogenación
Convierte el carburo triturado en cianamida cálcica bajo atmósfera de N₂.
Lecho fijo vertical (3-5 m de altura) cargado con CaC₂ triturado (~1-3 mm) más unos pocos % de CaF₂ como iniciador. Se inyecta nitrógeno puro por la base a 1000-1100 °C. La reacción CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C es exotérmica (−291 kJ/mol) pero cinéticamente lenta: 24-48 h para alcanzar el 95 % de conversión. El calor liberado mantiene el horno a temperatura sin aporte externo.
Lecho fijo · 1000-1100 °C · 24-48 h por lote · CaF₂ iniciador
Ver tambiénnh3n2Unidad de separación de aire (ASU)
Suministra el nitrógeno puro necesario para la reacción de nitrogenación.
Destilación criogénica de aire líquido para producir N₂ con una pureza > 99.5 %. Compresión a 6 bar, enfriamiento a -190 °C y separación N₂/O₂/Ar en columnas de platos. Consume ~0.3 MWh por tonelada de N₂. Es la misma tecnología que usa el Haber-Bosch, y el único elemento del Frank-Caro que sigue siendo industrialmente relevante.
>99.5 % de N₂ · 6 bar · -190 °C · ~0.3 MWh/t
Principios físicos y químicos
Las leyes fundamentales que hacen posible este proceso y las restricciones que imponen.
Carburo iónico como aceptor de nitrógeno
El CaC₂ es un carburo iónico con el anión acetiluro C₂²⁻, fuertemente básico en el sentido de Lewis y donador de electrones. A alta temperatura acepta N₂ rompiendo el triple enlace N≡N (945 kJ/mol) por desestabilización dentro de la red cristalina. Este mecanismo contrasta con la química de coordinación del Fe en el Haber-Bosch: aquí es el propio enlace iónico el que hace el trabajo, sin catalizador metálico.
CaC₂ + N₂ → CaCN₂ + C (ΔH = −291 kJ/mol)Se aplica a los componentesfour-azotationHidrólisis posterior para el uso agronómico
Las plantas no pueden asimilar directamente el CaCN₂. Una vez esparcido sobre suelo húmedo, se hidroliza en dos etapas: CaCN₂ + H₂O → CaO + H₂N-CN (cianamida libre, herbicida), y después H₂N-CN + 2 H₂O → CO(NH₂)₂ (urea) → 2 NH₃ + CO₂. Los productores valoraban esta hidrólisis de acción retardada como una ventaja: una sola aplicación cubría toda la temporada sin lixiviación.
CaCN₂ + 3 H₂O → 2 NH₃ + CaCO₃
Compuestos implicados
Reactivo
Producto
Producción mundial
Principales aplicaciones
- Fertilizante nitrogenado directo («nitrógeno cálcico»)35 %
- Diciandiamida y precursor de resinas30 %
- Herbicida / defoliante (cianamida pura)20 %
- Cementación superficial del acero15 %
Energía y nicho comercial residual
- Sustitución del carburo sintetizado por carburo reciclado (menos MWh)
- Acoplamiento con electricidad baja en carbono (Noruega, años 1950-90)
- Reorientación hacia la diciandiamida (resinas plásticas)
Procesos similares o competidores
Procesos industriales relacionados: otra química, otra tecnología.