Síntesis de amoníaco: 100 años y seguimos contando

Por Stephanie Michelle King, Nicolai Petersen y Ib Dybkjær, Haldor Topsøe A/S.

El año 1913 fue trascendental para la industria del amoníaco. A comienzos del siglo XX, ya resultaba evidente que el rápido crecimiento de la población mundial requeriría un marcado aumento en la oferta de alimentos, y la respuesta a esta necesidad fue un esfuerzo significativo en la mejora de la producción de fertilizantes. Fritz Haber descubrió un proceso para sintetizar amoníaco utilizando el nitrógeno presente en la atmósfera, y un tiempo después, en 1913, Carl Bosch implementó exitosamente el proceso a escala industrial. A fines de ese año, la primera planta de amoníaco ya producía varias toneladas por día, revolucionando así la productividad agrícola. El proceso Haber-Bosch ha sido reconocido como una de las grandes innovaciones del siglo XX y ha conducido al desarrollo de tecnologías de cambio de paradigma y que se estima sustentan a un tercio de la población mundial.
Otro hito del año 1913 fue el nacimiento del doctor Haldor Topsøe, quien falleció en mayo de este año a pocos días de cumplir 100 años. La compañía que fundó a los 27 años, Haldor Topsøe A/S, se convertiría más tarde en un importante referente del desarrollo de la tecnología de amoníaco. Hoy, es líder en la provisión de catalizadores para industrias de fertilizantes y refinerías, y contribuye significativamente al desarrollo de tecnologías en todo el mundo. El catalizador de síntesis de amoníaco KM1 de Topsøe es muy reconocido en la industria y actualmente es utilizado en la síntesis de más de la mitad del amoníaco producido en el mundo.

Perspectiva histórica

El nitrógeno ha sido desde hace mucho tiempo reconocido como uno de los nutrientes más críticos para promover el crecimiento de plantas, y fue tradicionalmente suministrado a los cultivos en forma de abono. En el 1800 el salitre fue descubierto en Sudamérica y se realizó una explotación masiva de dicho mineral debido a su probado rendimiento como fertilizante. Sin embargo, debido a una mayor conciencia de que la tasa existente de producción agrícola no podría seguir el ritmo de crecimiento exponencial de la población, los científicos se apresuraron en hallar un fertilizante sintético económico. Un método obvio fue la fijación del nitrógeno que se encuentra en abundantes cantidades en el aire, pero la dificultad radicaba en la naturaleza inerte de la triple unión covalente del N². Los intentos iniciales incluyeron el proceso Birkeland-Eyde, en el cual el nitrógeno atmosférico se fija al ácido nítrico utilizando un arco eléctrico, y el proceso Frank-Caro, en el cual el nitrógeno atmosférico se fija en la cianamida cálcica. Sin embargo, estos procesos eran ineficientes, costosos e inadecuados para la producción a gran escala. El hallazgo se logró en 1908, cuando Fritz Haber patentó el proceso catalítico de alta presión que combina el nitrógeno atmosférico con hidrógeno para formar amoníaco:

N² + 3H² → 2NH³

Las primeras demostraciones en campo rindieron sólo una gota por minuto, pero en menos de cinco años, en 1913, Carl Bosch y su equipo de ingenieros desataron el potencial que el descubrimiento de Haber tendría a escala industrial y construyeron la primera planta de amoníaco. La instalación utilizó el catalizador sobre la base de hierro desarrollado por Alwin Mittasch y sus colaboradores, y logró contener exitosamente las altas presiones y temperaturas necesarias para el proceso. Cien años después, el proceso Haber-Bosch sigue siendo el método predominante utilizado en la industria.

El desarrollo de la tecnología de amoníaco

La primera planta fue comisionada con una capacidad de 30 MTPD (toneladas métricas por día), mientras que las plantas más grandes de la actualidad pueden producir más de 2.000 MTPD, y en algunos casos, más de 3.000 MTPD de amoníaco. Las primeras tecnologías incluyen aquellas desarrolladas en la década del 20 por Luigi Casale, M.G. Claude, Giacomo Fauser y Friedrich Uhde. Para 1937, la producción mundial de amoníaco era de 755.000 MTPA (toneladas métricas por año).
En los años 40 se produjo un fuerte aumento en la producción de amoníaco, dado que el gas natural demostró ser una materia prima más económica que el coque. Los desarrollos tecnológicos favorecieron este cambio de materia prima, y las mejoras en procesos tales como la reformación con vapor fueron rápidamente implementados. En consecuencia, para 1945 la capacidad total trepó a 4.500.000 MTPA. Haldor Topsøe contribuyó a esta evolución tecnológica con su primer reformador tubular de pared radiante (side-fired reformer), en 1957.
La optimización de la producción de amoníaco requiere un delicado equilibrio de las condiciones operativas, que consideran la cinética de la reacción, así como la termodinámica del sistema. Una de las tantas dificultades que enfrentó el diseño de un convertidor de amoníaco era lograr el control de la temperatura de los lechos para alcanzar un óptimo rendimiento. Diversos diseños de convertidores de amoníaco fueron desarrollados en los años 60 en un intento por lograr un mejor control de la temperatura y en forma simultánea reducir los costos energéticos maximizando la recuperación de calor.
La característica común entre los primeros convertidores fue el flujo axial, pero dado el continuo incremento en la capacidad de las plantas, este tipo de flujo requirió lechos de catalizador muy altos que, con el consiguiente aumento en la caída de presión, demandaron catalizadores de mayor tamaño. Sin embargo, partículas de mayor tamaño disminuyen la actividad efectiva del catalizador debido a la mayor trayectoria de difusión hacia el interior de éste. Topsøe proveyó una solución a este problema con el desarrollo del convertidor de flujo radial en 1966. Mediante este diseño, el tamaño de las partículas del catalizador pudo ser significativamente reducido y a la vez obtenerse mucho menores caídas de presión. Una década más tarde, Topsøe mejoró aún más este diseño introduciendo un convertidor con flujo radial con enfriamiento indirecto entre los lechos del catalizador (el convertidor Topsøe S-200). Desde ese momento, este tipo de convertidor ha sido utilizado en más plantas de amoníaco que cualquier otro tipo.
En los años 70, otros desarrollos en la tecnología de amoníaco incluyeron un cambio de plantas de trenes múltiples a plantas de un solo tren, cambio de compresores alternativos a compresores centrífugos, la preparación del gas de síntesis a mayores presiones, mejoras en el diseño mecánico, y recuperación de calor en la preparación del gas de síntesis y en el circuito (loop) de síntesis de amoníaco. El resultado de todas las mejoras mencionadas fue la planta de amoníaco moderna de gran escala. La secuencia básica del proceso se ha mantenido sin cambios a lo largo de los años, aun en la mayoría de las plantas de la actualidad. Ésta es:

• Purificación de la alimentación
• Reformación
• Conversión de CO
• Remoción de CO²
• Metanación
• Compresión y síntesis de amoníaco
• Recuperación de amoníaco y refrigeración

La eficiencia energética ha mejorado de un nivel superior a 60 GJ/MT de amoníaco en las plantas alimentadas a carbón, previas a la Segunda Guerra Mundial, a 40-60 GJ/MT en las primeras plantas alimentadas con gas natural, y a 30-40 GJ/MT en las primeras plantas de un solo tren de producción. Más de cien plantas fueron construidas en el período comprendido entre 1963 y 1975, y la capacidad instalada casi se triplicó. Fue también durante este período que Topsøe se convirtió en uno de los proveedores líderes de tecnología de amoníaco en el mundo.

Catalizando la síntesis de amoníaco

En la misma época en que Carl Bosch estaba desarrollando una versión comercialmente viable del proceso Haber, Alwin Mittasch realizaba una búsqueda exhaustiva de un catalizador apropiado que fuera abundante y fácil de manejar. Su solución provino de una muestra particular de magnetita natural, que él sospechaba tenía ciertas impurezas que le daban las cualidades catalíticas no observadas en otros tipos de magnetita. Estas impurezas, ahora llamadas promotores, consistían en un pequeño porcentaje de aluminio y una pequeña cantidad de potasio, los cuales son aún utilizados en la producción de los catalizadores de síntesis de amoníaco.
Considerables esfuerzos de investigación han intentado explicar y mejorar el rendimiento del catalizador de amoníaco. Uno de estos esfuerzos fue permitir que el catalizador funcione a temperaturas y presiones más bajas, lo cual llevó a una producción de amoníaco mucho más rentable. Otros esfuerzos incluyen la investigación de alternativas al catalizador sobre la base de hierro. Sin embargo, los catalizadores alternativos se encontraron compitiendo contra una clase tradicional de catalizadores y de bajo costo, ya caracterizados por una alta actividad y una durabilidad inigualable en catalizadores industriales. Las contribuciones de Topsøe al desarrollo de los catalizadores para la síntesis de amoníaco de la actualidad son muy extensas, con una historia que se remonta a su primera carga en 1947.

Mirando hacia el futuro

El proceso Haber-Bosch continua siendo la base de prácticamente toda la producción comercial de amoníaco, estimada actualmente en 60 millones MTPA, y los conceptos fundamentales de la tecnología de síntesis de amoníaco han permanecido prolongadamente sin modificaciones en las últimas décadas. Sin embargo, el persistente aumento de la tasa de crecimiento de la población mundial, junto con el incremento de los costos de energía, demandan mejoras constantes en la producción de amoníaco. La capacidad de planta continúa incrementándose más allá de los niveles anteriormente limitados por la logística relativa al almacenamiento y el transporte. La primera planta con una capacidad superior a 3.000 MTPD fue construida en la última década, y en 2009, Topsøe introdujo el diseño de un circuito de síntesis de amoníaco con una capacidad de 3.500 MTPD.
Le eficiencia energética se ha incrementado significativamente desde principios del siglo XX, con un consumo específico de energía para una planta de amoníaco diseñada hoy menor a 30 GJ/MT de amoníaco. Dadas las inevitables pérdidas inherentes en las operaciones unitarias y en los procesos químicos, el consumo actual está probablemente acercándose al mínimo práctico, y por lo tanto los márgenes para futuras mejoras en el consumo de energía se espera sean muy pequeños. Se prevé que los nuevos desarrollos en la tecnología se enfoquen principalmente en la reducción de los costos de inversión y en mejorar la confiabilidad operativa, a través de avances como aquellos en catalizadores, calidad de equipos, instrumentación y sistema de control.
Amplios desarrollos tecnológicos incluyen el uso de ingeniería genética para la fijación biológica del nitrógeno. Sin embargo, estas tecnologías están aún lejos de superar las de las grandes plantas convencionales ubicadas cerca de las fuentes de materia económicas. Por otra parte, incluso si estos nuevos conceptos se incorporan en la industria, la síntesis tradicional de amoníaco continuará operando en paralelo. Una alta demanda de fertilizantes lo requiere, así como la considerable inversión de capital de las plantas de amoníaco existentes que pueden operar de manera confiable durante varias décadas más. ℗

100 años de Haldor Topsøe

1913 Nace Haldor Topsøe en Copenhague, Dinamarca.
1936 Haldor Topsøe se gradúa de ingeniero químico en la Universidad Técnica de Dinamarca.
1940 Haldor Topsøe funda la compañía el 10 de abril.
1947 Se produce la primera carga de catalizador para síntesis de amoníaco Topsøe.
1957 Es instalado el primer reformador de vapor Topsøe de pared radiante (side-fired).
1966 Se pone en marcha en Blytheville, Estados Unidos, el primer circuito sencillo en una planta de amoníaco de 1.000 STPD, con el primer convertidor Topsøe de flujo radial.
1971 Es comisionada la primera generación de grandes plantas de amoníaco Haldor Topsøe A/S.
1976 El convertidor de amoníaco Topsøe S-200 es introducido en el mercado.
1991 Haldor Topsøe recibe la medalla Hoover en reconocimiento a sus generosos servicios a la humanidad, más allá de su tarea profesional.
2000 Son comisionadas plantas de amoníaco Topsøe con capacidades de 2.000 y 2.050 MTPD.
2008 Se nombra a Haldor Topsøe Caballero de la Gran Cruz de la Orden de Dannebrog.
2009 Topsøe concluye los diseños de ingeniería básica para una planta de amoníaco de 2.600 MTPD y un circuito de amoníaco de 3.500 MTPD.
2013 Haldor Topsøe fallece poco tiempo antes de cumplir sus 100 años. Nos deja como legado toda una vida dedicada a mejorar la de los demás.