Investigação de rotas alternativas para produção de amônia em sistemas Haber-Bosch de pressão reduzida

• Processo: 25/22529-0
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de abril de 2026
• Data de Término da vigência: 31 de julho de 2029
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
• Pesquisador responsável: Cauê Ribeiro de Oliveira
• Beneficiário: Vinicius Ferraz Majaron
• Instituição Sede: Embrapa Instrumentação Agropecuária. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA). São Carlos , SP, Brasil
• Assunto(s): Adsorção Amônia Estruvita Fertilizantes Magnésio
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: adsorção | amônia | Estruvita | fertilizante | Haber-Bosch | Magnésio | Adsorção e Materiais Adsorbentes

Resumo

Desde sua implementação em escala industrial no início do século XX, o processo Haber-Bosch consolidou-se como uma das descobertas mais relevantes da química moderna, responsável por viabilizar a síntese de amônia a partir de nitrogênio e hidrogênio, fundamental para produção de fertilizantes nitrogenados em larga escala. No entanto, as condições de operação típicas de operação de reatores Haber-Bosch envolvem temperaturas da ordem de 400-500 °C e pressões superiores a 150 bar, que implicam um consumo energético extremamente elevado. Diante disso, diversas estratégias vêm sendo exploradas visando reduzir seu custo energético e sua pegada ambiental. Pesquisas recentes têm demonstrado que a adsorção de NH¿ em sais inorgânicos durante o processo de síntese, como cloretos de metais alcalino-terrosos, pode favorecer a redução de temperaturas e pressão pelo deslocamento do equilíbrio, através da remoção do produto na fase gasosa para um meio sólido. Ao mesmo tempo, essa estratégia possibilita a recuperação seletiva do produto. No entanto, estes sais ainda apresentam limitações de estabilidade cíclica e transferência de calor, comprometendo seu uso contínuo em sistemas reacionais. Neste contexto, este projeto propõe investigar a adsorção seletiva de amônia em meios sólidos (adsorbentes selecionados e sintetizados) durante o processo de síntese de amônia a partir da reação de N2 e H2, como forma de deslocar o equilíbrio e favorecer a reação HB em pressões reduzidas. Para tanto, serão avaliados diferentes materiais com potencial para adsorção de NH3, como zeólitas, materiais mesoporosos, sistemas lamelares como argilominerais, e sais impregnados nestes materiais como cloreto de magnésio, cálcio e estrôncio, comparados aos sais apenas granulados. A forma de imobilização destes adsorbentes (e.g., em fibras, anéis de Raschig, estruturas do tipo colméia, etc) será também investigada, para determinar a melhor condição de acesso da amônia recém-formada na superfície de adsorção. Um reator em escala de laboratório será projetado e construído, para promoção da reação HB em batelada e com catalisadores comerciais. Internamente, o reator será projetado como uma câmara de reação primária, conectada a um segundo vaso de pressão em condição isobárica preenchido com diferentes quantidades dos adsorbentes, estudando-se a relação adsorbente:reagentes, o tempo de residência e parâmetros de temperatura e pressão. Parâmetros do estudo incluirão também a capacidade de regeneração dos meios de captura, e a sua estabilidade em função do tempo. Por fim, para fixação da NH3 produzido, pretende-se estender o processo para a conversão direta dos adutos amoniacais para estruvita (MgNH¿PO¿·6H¿O) dentro do próprio sistema reacional, que é um material de interesse como fertilizante e de alto teor nutricional. Para tanto, testes com incorporação de fontes de P2O5 na câmara de adsorção serão feitos para observar a sua formação nas condições de síntese HB. Ao integrar síntese, captura e conversão em fertilizante sólido, a proposta visa reduzir pressões e temperaturas operacionais, minimizar o custo energético e ambiental do processo e gerar um produto de valor agronômico imediato em sistemas reduzidos. A investigação combinará a preparação e caracterização de materiais absorventes, ensaios em reator de bancada acoplado a módulo de adsorção, e avaliação estatística dos resultados com vistas à publicação em periódicos de excelência internacional. (AU)