¿Pueden los catalizadores mejorados reducir la presión en la síntesis de amoníaco?

En artículos anteriores, analizamos cómo las membranas y los adsorbentes pueden eliminar el amoníaco del sistema de reacción. Estas tecnologías mejoran la separación en el proceso. Pero, ¿qué se puede modificar en la reacción?

Una posible vía consiste en desarrollar catalizadores que mantengan una alta actividad en condiciones más suaves. Un mejor catalizador puede reducir la presión necesaria para alcanzar una velocidad de reacción económicamente viable, pero la actividad del catalizador por sí sola no determina la presión de operación óptima.

¿Qué puede cambiar con un mejor catalizador?

La síntesis de amoníaco comienza con uno de los enlaces más fuertes de la química: el triple enlace nitrógeno-nitrógeno tiene una energía de disociación de aproximadamente 941 kJ/mol. Romper y activar este enlace es una de las principales barreras cinéticas en el proceso Haber-Bosch.

Un catalizador proporciona una vía de reacción alternativa con una barrera de activación más baja. Por lo tanto, un catalizador más activo puede:

• Aumentar la tasa de formación de amoníaco a una temperatura y presión determinadas;
• Mantener una productividad útil a menor presión;
• Reduzca el volumen de catalizador o el tamaño del reactor necesarios;
• Ampliar el período de funcionamiento de las plantas que utilizan energías renovables.

Sin embargo, un catalizador no altera el equilibrio termodinámico de la reacción. Puede ayudar a que el sistema alcance el equilibrio más rápidamente, pero no puede aumentar la concentración de amoníaco en equilibrio a una temperatura y presión dadas.

Por qué el hierro promovido sigue siendo importante

El hierro promovido sigue siendo el catalizador estándar para la síntesis industrial de amoníaco porque combina una actividad aceptable con durabilidad, disponibilidad y un coste manejable.

Su rendimiento depende en gran medida de los promotores. Los compuestos que contienen potasio pueden mejorar las propiedades electrónicas de la superficie activa, mientras que los compuestos de aluminio y calcio ayudan a mantener la estructura y la estabilidad del catalizador. El objetivo es equilibrar la adsorción de nitrógeno: este debe unirse con la suficiente fuerza para activarse, pero no tanto como para que los intermediarios de la reacción bloqueen la superficie.

Los catalizadores a base de rutenio pueden ofrecer una mayor actividad intrínseca y operar en condiciones más suaves. Sin embargo, el rutenio es escaso y caro, y su rendimiento puede verse afectado por la intoxicación por hidrógeno. Por lo tanto, para muchos proyectos comerciales, la cuestión no es simplemente si el rutenio es más activo, sino si su actividad adicional justifica su coste y sus requisitos operativos.

Las configuraciones híbridas o escalonadas de hierro-rutenio podrían ofrecer una solución intermedia a largo plazo, pero el hierro promovido sigue proporcionando una plataforma práctica para la mejora a corto plazo.

Desarrollo de catalizadores de KAPSOM

KAPSOM ha desarrollado internamente un catalizador de hierro promovido con tierras raras. En evaluaciones internas realizadas en condiciones de prueba idénticas, demostró un rendimiento catalítico entre un 60 % y un 90 % superior al de los catalizadores de hierro promovidos comerciales.

Se realizaron pruebas de respuesta a la temperatura por separado a 2 MPa(g) y un caudal de gas normalizado de 36 000 mL/(gcat·h). La tasa de formación de amoníaco medida aumentó de aproximadamente:

• 12 mmol/(g·h) a 350 °C
• 22 mmol/(g·h) a 375 °C
• 35 mmol/(g·h) a 400 °C
• 50 mmol/(g·h) a 425 °C

Estos resultados demuestran que el catalizador mantiene su capacidad de respuesta en un amplio rango de temperaturas. Sin embargo, no deben interpretarse como una prueba directa de la presión óptima para un ciclo de síntesis industrial completo.

Las simulaciones de procesos realizadas por KAPSOM indican que aproximadamente 7 MPa podría ser una presión de operación prometedora para un sistema de síntesis de amoníaco a baja presión. Este no es un valor de diseño universal: el óptimo depende de la actividad del catalizador, las condiciones del reactor, la composición del sistema de recirculación y el rendimiento de la separación del amoníaco.

Para contextualizar, los sistemas modulares actuales de KAPSOM pueden operar entre el 20 % y el 110 % de la carga nominal, con tasas de rampa superiores al 2 % por minuto, a aproximadamente 9 MPa y 450 °C. Un catalizador más activo podría ayudar a extender esta plataforma flexible hacia un funcionamiento a menor presión.

¿Por qué la presión no puede seguir bajando?

Una mayor presión cumple dos funciones: favorece la formación de amoníaco y facilita su condensación. A medida que disminuye la presión, la conversión en equilibrio se reduce y la recuperación de amoníaco mediante enfriamiento se vuelve menos eficaz. Es posible que quede más amoníaco en el gas de recirculación, lo que aumenta las tareas de circulación y separación.

Es posible que operar por debajo de 5 MPa sea técnicamente factible, pero solo si se combina una mejor catálisis con una eliminación más eficaz del producto. Como se mencionó en artículos anteriores, las membranas y los adsorbentes podrían contribuir a este objetivo.

De la mejora del catalizador a la mejora del sistema

La verdadera oportunidad no reside en un catalizador que funcione de forma aislada, sino en un ciclo de síntesis en el que el catalizador, el reactor, la unidad de separación y el sistema de reciclaje se diseñan conjuntamente.

Un mejor catalizador puede abrir la puerta a la síntesis de amoníaco a menor presión. Que el proceso pueda superar esa barrera depende de la eficacia con la que el resto del sistema lo respalde.