La produccion de amoniaco se realiza principalmente por la reacción  entre nitrógeno e hidrógeno conocida como el método de Haber-Bosch en donde tres moléculas de hidrógeno reaccionan con una de nitrógeno en fase gaseosa sobre un catalizador de hierro para producir dos moléculas de amoniaco.

La presión a la que se lleva la reacción normalmente es de 100 bar, a temperaturas que oscilan entre los 400 y 500°C. (Ullmann, 2006). A continuación se muestra una tabla con los datos termódinamicos de la reacción de síntesis de amoniaco a presión atmosférica y a distintas temperaturas.

El siguiente diagrama muestra las rutas de producción de amoniaco que se utilizan actualmente. Explicandolos a detalle más adelante, en el orden en el que se encuentran numerados. Haciendo un énfasis principalmente en la primera ruta, ya que es la más utilizada actualmente.

Figura 1. Rutas de producción de amoniaco.[Adaptado de Kirk]

1. Reformado con vapor

Debido a que la ruta química más utilizada es el reformado con vapor, las plantas de producción se basan en esta reacción y en los tratamientos de las materias primas para llevarla a cabo. En la figura 2 e puede observar un diagrama de bloques básico para estas plantas.

Figura 2. Diagrama de bloques para la producción de amoniaco por reformación con vapor.            [Adaptado de Ullmann].

La materia prima utilizada es gas natural, el cual traerá cierta cantidad de azufre orgánico consigo y que es retirada en la etapa de desulfuración. Esto se logra convirtiendo el azufre el sulfuro de hidrógeno  utilizando un reactor  de hidrogenación que utiliza un catalizador de cobalto-molibdeno. La reacción que se sigue para un compuesto sulfurado es la siguiente:

Siguiente a esto, se utiliza un lecho de óxido de Zinc para absorber el sulfuro producido:

El segundo proceso es la reformación de los hidrocarburos utilizando vapor de proceso. Esto es llevado a cabo en dos etapas para maximizar la conversión, y utilizando reactores catalíticos que siguen las siguientes reacciones:

En esta etapa se forma el hidrógeno necesario en la síntesis de amoniaco. El catalizador utilizado es óxido de  níquel en un soporte de alúmina.  Debido a que son reacciones endotérmicas, se requiere adicionar calor al sistema. En la primera etapa se utiliza un sistema de calentamiento indirecto, quemando algún combustible, mientras que en la segunda etapa se suele quemar parte de la mezcla de alimentación para reducir el contenido de hidrocarburos lo más posible. Al realizar esta combustión de la mezcla de alimentación, se generan cantidades apreciables de monóxido y dióxido de carbono, que requieren ser eliminadas para evitar envenenamiento del catalizador en la síntesis del amoniaco. 

El monóxido de carbono es la especie que se trata primero. Se utiliza un reactor catalizado en el que se transforma el monóxido en dióxido utilizando vapor de agua:

Después de la etapa de remoción de los compuestos oxigenados, se realiza un tratamiento de los residuos de éstos compuestos. Se utiliza  la metanación, la cual se basa en las reacciones inversas del proceso de reformación y del proceso de transformación del monóxido:

 2. Oxidación parcial

Inicialmente,  las materias primas se oxidan parcialmente en un gasificador, ello mediante una quema  utilizando una limitada cantidad de oxígeno en presencia de vapor, actualmente este proceso se lleva a cabo a 80 bar y 1250°C. La reacción  llevada a cabo es la siguiente:

CxHy + (x/2) O2 → xCO + (y/2)H2

El gas saliente, pasa  rápidamente a un enfriamiento con agua , con el motivo de estancar la composición en el equilibrio de la reacción llevada a alta temperatura. Posteriormente, el gas enfriado se limpia de las partículas de carbón remanentes.

Después de la gasificación, el gas se lleva a reaccionar  sobre un catalizador de óxido de hierro  a alta temperatura, donde se lleva a cabo la siguiente reacción:

CO +  H2O→ CO2 + H2

Posteriormente, el gas pasa por una segunda etapa de purificación, donde se remueven gases ácidos, sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono. Para ello normalmente se utiliza el proceso denominado Rectisol, en el cual el gas se purifica utilizando un solvente orgánico como el metanol  a temperaturas bajas  (<0°C), debido a la solubilidad del dióxido de carbono en el solvente orgánico.

 El siguiente paso es purificar nuevamente el gas mediante un lavado con nitrógeno líquido a muy baja temperatura, siendo este insumo, obtenido de la planta de separación de aire, en la cual también se separa el oxígeno que es utilizado en el gasificador.  Con este lavado final se remueve el monóxido de carbono, metano, argón y dióxido de carbono remanente de la purificación anterior.  Además con este lavado se controla que quede la cantidad estequiométrica para que se proceda, posteriormente a una compresión a la síntesis de amoniaco. Finalmente, la síntesis del amoniaco se completa de manera similar a la explicada en el anterior apartado.

3. Síntesis a partir de hidrógeno como subproducto

En esta vía de producción, se toma el hidrógeno generado en equipos cuyo propósito principal no es la producción del mismo. Por ejemplo, en varias operaciones en la refinación del petróleo como lo son el cracking catalítico o la coquización.  Otras fuentes de hidrógeno como subproducto son los crackers de etileno o el gas de salida de procesos industriales de electrólisis. Se realiza un tratamiento del hidrógeno dependiendo de su procedencia y se hace reaccionar con nitrógeno en las condiciones mencionadas anteriormente.

4. Síntesis biológica

Finalmente, en esta posible ruta se estudia la eliminación del nitrógeno para fertilizantes. Esto se lograría con base en el aislamiento de los genes de fijación del nitrógeno de los organismos fijadores, como las cianobacterias, y la consecuente transferencia y expresión de dichos genes en diferentes cultivos.

5. Diagrama de proceso de un proceso real
A continuación se muestra el ejemplo de una planta de producción de amoniaco con las condiciones principales de las corrientes y sus respectivos balances de materia:

Figura 4. Planta de producción de amoniaco de un solo tren integrado.
[Adaptado de Ullmann]. 

Dónde: (a) Remoción de azufre, (b) Reformador primario, (c) Recalentador de vapor, (d) Reformador secundario, (e) Hervidor de residuos, (f) Sección de convección, (g) Ventilador de tiro forzado, (h) Ventilador de tiro inducido, (i) Cañón de chimenea, (k) “Convertidores de cambio HT y LT”, (l) Metanador, (m) Remoción de CO₂, (n) Separador de condensado de proceso, (o) Absorción de CO₂, (p) Compresor de gas de síntesis, (q) Compresor de aire de proceso, (r) Convertidor de amoniaco, (s) Separador de amoniaco a alta presión, (t) Recuperador de amoniaco e hidrogeno a partir de gas de purga y flash.