Reformado del gas con vapor

El reformado de gas con vapor, o steam methane reforming (SMR), designa la ruta de producción de hidrógeno más extendida en la industria de fertilizantes nitrogenados. Este proceso convierte los hidrocarburos ligeros, principalmente el metano del gas natural, en un gas de síntesis rico en hidrógeno, que posteriormente se combina con el nitrógeno atmosférico en el ciclo de síntesis de amoníaco para formar NH₃. La reacción global teórica se expresa: 0,88 CH₄ + 1,26 aire + 1,24 H₂O → 0,88 CO₂ + N₂ + 3 H₂, y luego N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃^[1]. La producción del gas de síntesis transcurre a 25-35 bar, mientras que la síntesis de amoníaco se lleva a cabo entre 100 y 250 bar^[1].

Descripción del proceso convencional

El esquema comprende varias etapas: desulfuración, reformado primario, reformado secundario, conversión del CO, descarbonatación, metanación, compresión y síntesis^[2].

La desulfuración resulta crítica dado que los catalizadores son sensibles a los compuestos azufrados. El gas, que puede contener hasta 5 mg S/Nm³, se precalienta a 350-400 °C y luego se trata: los compuestos azufrados se hidrogenan a H₂S sobre catalizador de cobalto-molibdeno, para ser adsorbidos posteriormente sobre óxido de zinc peletizado^[1][2]. El azufre se reduce a menos de 0,1 ppm^[1], con el hidrógeno requerido procedente del reciclado de la sección de síntesis^[1][2].

El gas depurado se mezcla con vapor de proceso según una relación vapor/carbono (S/C) de aproximadamente 3,0 para los procesos MTD^[1]. La mezcla se eleva a 500-600 °C antes de ingresar al reformado primario^[1], formado por tubos de aleación níquel-cromo con catalizador de níquel. La reacción endotérmica exige un aporte de calor para alcanzar 780-830 °C a la salida^[1]. Solo el 30-40 % de la alimentación se reforma en esta fase^[3].

El reformado secundario eleva la temperatura mediante combustión interna con aire de proceso, que aporta el nitrógeno para la síntesis. El aire se calienta a unos 600 °C y se inyecta a través de un quemador; la salida alcanza aproximadamente 1.000 °C con 0,2-0,3 % de metano residual en base seca^[3]. El enfriamiento se realiza en una caldera de recuperación a 330-380 °C^[4].

La conversión del CO (12-15 % en base seca^[3][4]) se desarrolla en dos etapas: primero sobre catalizador hierro-cromo a 350-380 °C^[4]. La reacción CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ libera 41 kJ/mol^[3][4].

Variantes y optimizaciones

El reformado con primario aligerado transfiere parte de la carga térmica hacia el secundario^[5]. La temperatura de salida del primario se reduce a unos 700 °C, prolongando la vida útil de los equipos^[5]. El aire al secundario aumenta hasta un 50 % más que en el proceso clásico^[6]. Una purificación criogénica a unos -180 °C elimina el exceso de nitrógeno y el metano residual^[6].

La instalación de un prereformador adiabático reduce la carga térmica en un 5-10 %^[7].

Integración energética

Las unidades disponen de un excedente de calor recuperado para producir vapor de alta presión que acciona los turbocompresores^[5]. Una instalación moderna puede alcanzar la autosuficiencia energética^[5]. Los consumos de los procesos convencionales avanzados se sitúan entre 29,2 y 31,5 GJ (PCI)/t NH₃, frente a 32,7 GJ/t para procesos estándar^[8].

El CO₂ generado, de 1,15 a 1,30 kg por kg de amoníaco^[9], puede capturarse para la urea^[10]. El amoníaco, licuado a -33 °C, contiene un 82 % de nitrógeno^[10].