Por Stephanie Michelle King, Nicolai Petersen y Ib Dybkjr, Haldor Topse A/S.El ao 1913 fue trascendental para la industria del amonaco. A comienzos del siglo XX, ya resultaba evidente que el rpido crecimiento de la poblacin mundial requerira un marcado aumento en la oferta de alimentos, y la respuesta a esta necesidad fue un esfuerzo significativo en la mejora de la produccin de fertilizantes. Fritz Haber descubri un proceso para sintetizar amonaco utilizando el nitrgeno presente en la atmsfera, y un tiempo despus, en 1913, Carl Bosch implement exitosamente el proceso a escala industrial. A fines de ese ao, la primera planta de amonaco ya produca varias toneladas por da, revolucionando as la productividad agrcola. El proceso Haber-Bosch ha sido reconocido como una de las grandes innovaciones del siglo XX y ha conducido al desarrollo de tecnologas de cambio de paradigma y que se estima sustentan a un tercio de la poblacin mundial.Otro hito del ao 1913 fue el nacimiento del doctor Haldor Topse, quien falleci en mayo de este ao a pocos das de cumplir 100 aos. La compaa que fund a los 27 aos, Haldor Topse A/S, se convertira ms tarde en un importante referente del desarrollo de la tecnologa de amonaco. Hoy, es lder en la provisin de catalizadores para industrias de fertilizantes y refineras, y contribuye significativamente al desarrollo de tecnologas en todo el mundo. El catalizador de sntesis de amonaco KM1 de Topse es muy reconocido en la industria y actualmente es utilizado en la sntesis de ms de la mitad del amonaco producido en el mundo.Perspectiva histricaEl nitrgeno ha sido desde hace mucho tiempo reconocido como uno de los nutrientes ms crticos 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 Sudamrica y se realiz una explotacin masiva de dicho mineral debido a su probado rendimiento como fertilizante. Sin embargo, debido a una mayor conciencia de que la tasa existente de produccin agrcola no podra seguir el ritmo de crecimiento exponencial de la poblacin, los cientficos se apresuraron en hallar un fertilizante sinttico econmico. Un mtodo obvio fue la fijacin del nitrgeno que se encuentra en abundantes cantidades en el aire, pero la dificultad radicaba en la naturaleza inerte de la triple unin covalente del N. Los intentos iniciales incluyeron el proceso Birkeland-Eyde, en el cual el nitrgeno atmosfrico se fija al cido ntrico utilizando un arco elctrico, y el proceso Frank-Caro, en el cual el nitrgeno atmosfrico se fija en la cianamida clcica. Sin embargo, estos procesos eran ineficientes, costosos e inadecuados para la produccin a gran escala. El hallazgo se logr en 1908, cuando Fritz Haber patent el proceso cataltico de alta presin que combina el nitrgeno atmosfrico con hidrgeno para formar amonaco:N + 3H 2NHLas primeras demostraciones en campo rindieron slo una gota por minuto, pero en menos de cinco aos, en 1913, Carl Bosch y su equipo de ingenieros desataron el potencial que el descubrimiento de Haber tendra a escala industrial y construyeron la primera planta de amonaco. La instalacin utiliz el catalizador sobre la base de hierro desarrollado por Alwin Mittasch y sus colaboradores, y logr contener exitosamente las altas presiones y temperaturas necesarias para el proceso. Cien aos despus, el proceso Haber-Bosch sigue siendo el mtodo predominante utilizado en la industria.El desarrollo de la tecnologa de amonacoLa primera planta fue comisionada con una capacidad de 30 MTPD (toneladas mtricas por da), mientras que las plantas ms grandes de la actualidad pueden producir ms de 2.000 MTPD, y en algunos casos, ms de 3.000 MTPD de amonaco. Las primeras tecnologas incluyen aquellas desarrolladas en la dcada del 20 por Luigi Casale, M.G. Claude, Giacomo Fauser y Friedrich Uhde. Para 1937, la produccin mundial de amonaco era de 755.000 MTPA (toneladas mtricas por ao).En los aos 40 se produjo un fuerte aumento en la produccin de amonaco, dado que el gas natural demostr ser una materia prima ms econmica que el coque. Los desarrollos tecnolgicos favorecieron este cambio de materia prima, y las mejoras en procesos tales como la reformacin con vapor fueron rpidamente implementados. En consecuencia, para 1945 la capacidad total trep a 4.500.000 MTPA. Haldor Topse contribuy a esta evolucin tecnolgica con su primer reformador tubular de pared radiante (side-fired reformer), en 1957.La optimizacin de la produccin de amonaco requiere un delicado equilibrio de las condiciones operativas, que consideran la cintica de la reaccin, as como la termodinmica del sistema. Una de las tantas dificultades que enfrent el diseo de un convertidor de amonaco era lograr el control de la temperatura de los lechos para alcanzar un ptimo rendimiento. Diversos diseos de convertidores de amonaco fueron desarrollados en los aos 60 en un intento por lograr un mejor control de la temperatura y en forma simultnea reducir los costos energticos maximizando la recuperacin de calor.La caracterstica comn entre los primeros convertidores fue el flujo axial, pero dado el continuo incremento en la capacidad de las plantas, este tipo de flujo requiri lechos de catalizador muy altos que, con el consiguiente aumento en la cada de presin, demandaron catalizadores de mayor tamao. Sin embargo, partculas de mayor tamao disminuyen la actividad efectiva del catalizador debido a la mayor trayectoria de difusin hacia el interior de ste. Topse provey una solucin a este problema con el desarrollo del convertidor de flujo radial en 1966. Mediante este diseo, el tamao de las partculas del catalizador pudo ser significativamente reducido y a la vez obtenerse mucho menores cadas de presin. Una dcada ms tarde, Topse mejor an ms este diseo introduciendo un convertidor con flujo radial con enfriamiento indirecto entre los lechos del catalizador (el convertidor Topse S-200). Desde ese momento, este tipo de convertidor ha sido utilizado en ms plantas de amonaco que cualquier otro tipo.En los aos 70, otros desarrollos en la tecnologa de amonaco incluyeron un cambio de plantas de trenes mltiples a plantas de un solo tren, cambio de compresores alternativos a compresores centrfugos, la preparacin del gas de sntesis a mayores presiones, mejoras en el diseo mecnico, y recuperacin de calor en la preparacin del gas de sntesis y en el circuito (loop) de sntesis de amonaco. El resultado de todas las mejoras mencionadas fue la planta de amonaco moderna de gran escala. La secuencia bsica del proceso se ha mantenido sin cambios a lo largo de los aos, aun en la mayora de las plantas de la actualidad. sta es: Purificacin de la alimentacin Reformacin Conversin de CO Remocin de CO Metanacin Compresin y sntesis de amonaco Recuperacin de amonaco y refrigeracinLa eficiencia energtica ha mejorado de un nivel superior a 60 GJ/MT de amonaco en las plantas alimentadas a carbn, 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 produccin. Ms de cien plantas fueron construidas en el perodo comprendido entre 1963 y 1975, y la capacidad instalada casi se triplic. Fue tambin durante este perodo que Topse se convirti en uno de los proveedores lderes de tecnologa de amonaco en el mundo.Catalizando la sntesis de amonacoEn la misma poca en que Carl Bosch estaba desarrollando una versin comercialmente viable del proceso Haber, Alwin Mittasch realizaba una bsqueda exhaustiva de un catalizador apropiado que fuera abundante y fcil de manejar. Su solucin provino de una muestra particular de magnetita natural, que l sospechaba tena ciertas impurezas que le daban las cualidades catalticas no observadas en otros tipos de magnetita. Estas impurezas, ahora llamadas promotores, consistan en un pequeo porcentaje de aluminio y una pequea cantidad de potasio, los cuales son an utilizados en la produccin de los catalizadores de sntesis de amonaco.Considerables esfuerzos de investigacin han intentado explicar y mejorar el rendimiento del catalizador de amonaco. Uno de estos esfuerzos fue permitir que el catalizador funcione a temperaturas y presiones ms bajas, lo cual llev a una produccin de amonaco mucho ms rentable. Otros esfuerzos incluyen la investigacin 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 Topse al desarrollo de los catalizadores para la sntesis de amonaco de la actualidad son muy extensas, con una historia que se remonta a su primera carga en 1947.Mirando hacia el futuroEl proceso Haber-Bosch continua siendo la base de prcticamente toda la produccin comercial de amonaco, estimada actualmente en 60 millones MTPA, y los conceptos fundamentales de la tecnologa de sntesis de amonaco han permanecido prolongadamente sin modificaciones en las ltimas dcadas. Sin embargo, el persistente aumento de la tasa de crecimiento de la poblacin mundial, junto con el incremento de los costos de energa, demandan mejoras constantes en la produccin de amonaco. La capacidad de planta contina incrementndose ms all de los niveles anteriormente limitados por la logstica relativa al almacenamiento y el transporte. La primera planta con una capacidad superior a 3.000 MTPD fue construida en la ltima dcada, y en 2009, Topse introdujo el diseo de un circuito de sntesis de amonaco con una capacidad de 3.500 MTPD.Le eficiencia energtica se ha incrementado significativamente desde principios del siglo XX, con un consumo especfico de energa para una planta de amonaco diseada hoy menor a 30 GJ/MT de amonaco. Dadas las inevitables prdidas inherentes en las operaciones unitarias y en los procesos qumicos, el consumo actual est probablemente acercndose al mnimo prctico, y por lo tanto los mrgenes para futuras mejoras en el consumo de energa se espera sean muy pequeos. Se prev que los nuevos desarrollos en la tecnologa se enfoquen principalmente en la reduccin de los costos de inversin y en mejorar la confiabilidad operativa, a travs de avances como aquellos en catalizadores, calidad de equipos, instrumentacin y sistema de control.Amplios desarrollos tecnolgicos incluyen el uso de ingeniera gentica para la fijacin biolgica del nitrgeno. Sin embargo, estas tecnologas estn an lejos de superar las de las grandes plantas convencionales ubicadas cerca de las fuentes de materia econmicas. Por otra parte, incluso si estos nuevos conceptos se incorporan en la industria, la sntesis tradicional de amonaco continuar operando en paralelo. Una alta demanda de fertilizantes lo requiere, as como la considerable inversin de capital de las plantas de amonaco existentes que pueden operar de manera confiable durante varias dcadas ms.