Amônia marrom Greening já não parece um sonho de um cachimbo

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Amônia marrom “Greening” já não parece um sonho de um
cachimbo
Um avanço recente na produção de amônia Haber-Bosch aumenta a conversão além do máximo
permitido no processo industrial atual.
Vivemos em um mundo que é altamente dependente do processo Haber-Bosch, no qual o nitrogênio e o
hidrogênio são usados para criar amônia. É um processo de fixação de nitrogênio artificial em escala
industrial que fornece compostos de nitrogênio quimicamente e biologicamente utilizáveis da molécula
atmosférica de dinitrogênio inerte e abundante.
O processo Haber-Bosch produz 144 milhões de toneladas métricas de amônia anualmente, a maioria
das quais são usadas para acumular nitrogênio elementar em organismos vivos através de fertilizantes à
base de nitrogênio. Tanto quanto metade do teor de nitrogênio de proteínas e ácidos nucleicos em
organismos vivos se originam deste processo. O processo Haber-Bosch também poderia impulsionar a
fabricação de produtos essenciais, como produtos farmacêuticos, corantes, fibras e explosivos. Além
desses usos finais representativos, a amônia também é imaginada como um vetor de energia renovável
livre de carbono para uma economia sustentável.
O desafio é a “ecologização” do processo Haber-Bosch “marrom” intensivo em energia, que consome 1-
2% da produção total de energia do mundo e causa mais de 1% das emissões anuais globais de CO2.
Mesmo quando submetidas às duras condições de operação de 500 oC e 250 atm, a conversão de N 22-
H 2 de síntese em amoníaco é de apenas 20%.
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Condições de reação mais leves e maior eficiência têm sido perseguidos por mais de um século. Muitos
estudos têm focado a atenção no desenvolvimento de catalisadores mais reativos que são trabalhados
em temperaturas mais baixas. Isto é inspirado em um paradigma termodinâmico que uma temperatura
mais baixa favorece a produção para a frente de NH 3 e, simultaneamente, inibe a decomposição de NH
3 para o exérmico N 2 + 3H 2 x NH 3 reação de equilíbrio.
Além do limite de conversão de equilíbrio termodinâmico na síntese de amônia de
Haber-Bosch usando um catalisador em tandem Cs/Ru/CeO 2 e MnCl 2 /SiO 2
absorvente
Um avanço recente virou esse paradigma de cabeça para baixo, colocando uma unidade de separação
de amônia após o catalisador para aumentar a conversão além do máximo permitido no processo
industrial atual, figura 1. Este máximo é baseado no limite de equilíbrio de reação termodinâmica, o
resultado de uma troca entre a produção NH 3 e a decomposição NH 3. Qualquer produção NH 3 acima
do valor de equilíbrio seria decomposta de volta a N 2 e H 22.
A ideia central parece elegante em sua simplicidade: absorver a amônia produzida durante a reação de
catálise e reduzir o gás sino N 2 -H 2 não revertido que precisa ser reciclado. Essa ideia criativa foi
reduzida à prática, substituindo o condensador convencional no processo Haber-Bosch por um reator de
catálise de absorção, figura 1. A configuração do reator é baseada em camadas segregadas de
catalisadores-absorventes em um reator de fluxo de leito fixo.
O condensador convencional, que segue o loop de síntese no processo industrial de Haber-Bosch,
resfria o gás de efluente, separa a amônia líquida e recicla o gás de sincronização N 2 -H 2 não regido
através do loop de síntese; tanto a conversão do 2gás de sincronização N 2-H 2 quanto a concentração
de efluente NH 3 são limitadas pelo equilíbrio termodinâmico imposto na 3reação N 2 + 3H 2 x 2o.
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Em contraste, no processo inovador de separação da absorção de amônia, a concentração do produto
de amônia para a reação N 2 + 3H 2 ? 2NH 3 reduz, facilitando a reação para a frente de acordo com o
princípio de Le Chatelier. O efeito deste princípio pode ser entendido por um modelo composto por dois
tanques de água ligados por um gasoduto, um tanque rotulado como “N 2 + 3H 22” e o outro rotulado
como “2NH 3 ”. As alturas de calibre de dois tanques são inicialmente as mesmas (equilíbrio
termodinâmico de uma reação), no entanto, quando alguma água é retirada do 3tanque “2NH 3”
(absorvendo o produto de amônia), a água do 2tanque “N 2 + 3H 2” fluirá nele (forçando a reação para a
frente). Isso duplica a taxa de conversão de reação e quase dobra o limite de equilíbrio, embora a
concentração de NH 3 do efluente ainda seja limitada.
Outra característica intrigante deste sistema de múltiplas camadas de catalisador e absorventes é a
minimização da melhor temperatura de desempenho do sistema Cs / R / CeO 2 de cerca de 380 oC a
340 oC; embora notável, isso ainda é alto. O desempenho do sistema de catálise de absorção integrado
é facilmente sintonizável através da temperatura, N 22:H 2 razão e acesso a uma ampla gama de
catalisadores e absorventes. Os desafios ainda existem para a implementação desta nova tecnologia,
uma vez que os princípios de operação do processo Haber-Bosch podem precisar ser re-imaginados.
Pode-se prever a absorção de amônia do MnCl 2 /SiO 2 atingindo a capacidade de saturação, o que
tornaria essa tecnologia incompatível com a operação em estado estacionário. Se uma oscilação de
temperatura programada puder ser aplicada periodicamente durante a operação, a síntese de amônia de
temperatura mais baixa e conversão superior pode ser possível. Por exemplo, a alta temperatura
desencadeando a liberação rápida de amônia poderia regenerar o absorvente e recuperar a amônia
sintetizada. Um procedimento de dessorção não linear do NH 3 versus temperatura seria necessário
para implementar essa ideia, que talvez mereça um estudo mais aprofundado.
Como a transição não renovável para energia renovável evolui ao longo da próxima década, esta nova
tecnologia pode ser eletrificada e integrada em unidades modulares Haber-Bosch para uso distribuído,
por exemplo, em fazendas sustentáveis. O hidrogênio gasoso poderia ser produzido pela eletrólise da
água e a pegada de carbono geral do Haber-Bosch convencional poderia ser reduzida em cerca de 80%
com reduções na temperatura e pressão da reação, permitindo uma maior eficiência energética geral
das plantas renováveis de síntese de amônia Haber-Bosch.
Haber-Bosch, marrom “Greening”, não parece mais um sonho.
Roteiro: Chengliang Mao e Geoffrey Ozin
Grupo de Combustíveis Solares, Universidade de Toronto, E-mail: g.ozin-utoronto.ca, Website:
www.solarfuels.u toronto.ca.
Referência: Collin Smith, Laura Torrente-Murciano, Excedendo o Equilíbrio Single-Pass com Separação
Integrada de Absorção para Síntese de Amônia Usando Energia Renovável —Redefinindo o Loop
Haber-Bosch, Materiais Avançados de Energia (2021) DOI: 10.1002/aenm.202003845
ASN WeeklyTradução
https://www.advancedsciencenews.com/author/gozin/
https://undefined/mailto:g.ozin@utoronto.ca
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003845?af=R
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