Produção de amônia de baixo carbono para fertilizante via Chemical Looping

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dc.contributor.authorGubiani, Leonardo Andre
dc.contributor.authorOliveira, Lucas de
dc.date.accessioned2026-07-28T00:06:46Z
dc.date.available2026-07-28T00:06:46Z
dc.date.issued2026-07-28
dc.descriptionTrabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território da Universidade Federal da Integração Latino- Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Química.
dc.description.abstractA produção de amônia é fundamental para a fabricação de fertilizantes nitrogenados, mas sua rota convencional, o processo Haber-Bosch, depende majoritariamente de hidrogênio obtido de fontes fósseis, especialmente o gás natural, resultando em elevadas emissões de CO2 e em forte dependência energética e geopolítica, cenário agravado pela posição do Brasil como maior importador mundial de fertilizantes. Diante disso, este trabalho investigou a viabilidade técnica e energética do processo Three Reactor Chemical Looping (TRCL) como rota alternativa e de baixo carbono para a produção de amônia destinada a fertilizantes, utilizando biogás como matéria-prima. A metodologia baseou-se na modelagem e simulação do processo no software Aspen Plus v.14®, empregando reatores de equilíbrio químico (RGibbs), um Fuel Reactor, um Steam Reactor e dois Air Reactors, com transportador de oxigênio à base de óxido de ferro suportado em MgAl2O4 e modelo termodinâmico RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave with Boston-Mathias Modifications). A configuração proposta empregou dois reatores de ar para separar o fornecimento de nitrogênio da regeneração do transportador de oxigênio, além de um sistema simplificado de desidratação por trocadores de calor, tambores flash e compressores, para condicionar as correntes de H2 e N2 ao processo de Haber-Bosch. As condições operacionais foram otimizadas por meio de um algoritmo genético implementado em MATLAB, acoplado à simulação, visando à maximização da produção de hidrogênio e amônia. Os resultados mostraram ser possível obter correntes de hidrogênio e nitrogênio com pureza molar de 99,84% e 98,62%, respectivamente, adequadas à síntese de amônia, operando em temperaturas e pressões inferiores às reportadas na literatura, além de gerar uma corrente concentrada de CO2 (acima de 80% molar), o que reduz a necessidade de unidades complexas de captura de carbono. O rendimento global do processo foi de 53,09%, produzindo-se 0,5309 kmol/h de amônia por kmol de biogás. Os resultados indicam que a configuração TRCL simulada apresenta potencial como alternativa para a produção de amônia de baixo carbono. Entretanto, a confirmação de sua viabilidade técnica, energética e ambiental requer estudos adicionais que considerem aspectos cinéticos, econômicos, exergéticos e de ciclo de vida. Resumen La producción de amoníaco es fundamental para la fabricación de fertilizantes nitrogenados, pero su ruta convencional, el proceso Haber-Bosch, depende mayoritariamente de hidrógeno obtenido a partir de fuentes fósiles, especialmente gas natural, lo que resulta en elevadas emisiones de CO2 y en una fuerte dependencia energética y geopolítica, escenario agravado por la posición de Brasil como mayor importador mundial de fertilizantes. Ante esto, este trabajo investigó la viabilidad técnica y energética del proceso Three Reactor Chemical Looping (TRCL) como ruta alternativa y de bajo carbono para la producción de amoníaco destinado a fertilizantes, utilizando biogás como materia prima. La metodología se basó en el modelado y la simulación del proceso en el software Aspen Plus v.14®, empleando reactores de equilibrio químico (RGibbs), un Fuel Reactor, un Steam Reactor y dos Air Reactors, con un transportador de oxígeno a base de óxido de hierro soportado en MgAl2O4 y el modelo termodinámico RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave with Boston-Mathias Modifications). La configuración propuesta empleó dos reactores de aire para separar el suministro de nitrógeno de la regeneración del transportador de oxígeno, además de un sistema simplificado de deshidratación mediante intercambiadores de calor, tambores flash y compresores, para acondicionar las corrientes de H2 y N2 al proceso Haber-Bosch. Las condiciones operativas se optimizaron mediante un algoritmo genético implementado en MATLAB, acoplado a la simulación, con el objetivo de maximizar la producción de hidrógeno y amoníaco. Los resultados mostraron que es posible obtener corrientes de hidrógeno y nitrógeno con purezas molares de 99,84% y 98,62%, respectivamente, adecuadas para la síntesis de amoníaco, operando a temperaturas y presiones inferiores a las reportadas en la literatura, además de generar una corriente concentrada de CO2 (superior al 80% molar), lo que reduce la necesidad de unidades complejas de captura de carbono. El rendimiento global del proceso fue del 53,09%, produciéndose 0,5309 kmol/h de amoníaco por kmol de biogás. Los resultados indican que la configuración TRCL simulada presenta potencial como alternativa para la producción de amoníaco de bajo carbono. Sin embargo, la confirmación de su viabilidad técnica, energética y ambiental requiere estudios adicionales que consideren aspectos cinéticos, económicos, exergéticos y de ciclo de vida.
dc.identifier.urihttps://dspace.unila.edu.br/handle/123456789/9932
dc.rightsopenAccess
dc.subjectChemical Looping
dc.subjectHaber-Bosch
dc.subjectamônia
dc.subjecthidrogênio
dc.titleProdução de amônia de baixo carbono para fertilizante via Chemical Looping
dcterms.abstractAmmonia production is essential for the manufacture of nitrogen fertilizers, but its conventional route, the Haber-Bosch process, relies predominantly on hydrogen obtained from fossil sources, especially natural gas, resulting in high CO2 emissions and strong energy and geopolitical dependence — a scenario aggravated by Brazil's position as the world's largest fertilizer importer. Given this, the present work investigated the technical and energy feasibility of the Three Reactor Chemical Looping (TRCL) process as an alternative, low-carbon route for ammonia production intended for fertilizers, using biogas as feedstock. The methodology was based on process modeling and simulation in Aspen Plus v.14® software, employing chemical equilibrium reactors (RGibbs), one Fuel Reactor, one Steam Reactor, and two Air Reactors, with an iron oxide-based oxygen carrier supported on MgAl2O4 and the RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave with Boston-Mathias Modifications) thermodynamic model. The proposed configuration employed two air reactors to separate nitrogen supply from oxygen carrier regeneration, in addition to a simplified dehydration system using heat exchangers, flash drums, and compressors, to condition the H2 and N2 streams for the Haber-Bosch process. Operating conditions were optimized using a Genetic Algorithm implemented in MATLAB, coupled with the simulation, aiming to maximize hydrogen and ammonia production. Results showed that it was possible to obtain hydrogen and nitrogen streams with molar purities of 99.84% and 98.62%, respectively, suitable for ammonia synthesis, operating at temperatures and pressures lower than those reported in the literature, in addition to generating a concentrated CO2 stream (above 80 mol%), which reduces the need for complex carbon capture units. The overall process yield was 53.09%, producing 0.5309 kmol/h of ammonia per kmol of biogas. The results indicate that the simulated TRCL configuration presents potential as an alternative for low-carbon ammonia production. However, confirmation of its technical, energy, and environmental feasibility requires further studies considering kinetic, economic, exergetic, and life-cycle aspects.

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