Amoniaco en la industria
Amoniaco en la industria 3 376917 2010 31 pagcs UPME ELABORADO POR: UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO GRUPO DE GESTION EFICIENTE DE ENERGIA KAI: DR. JUAN CARLOS CAMPOS AVELLA, INVESTIGADOR PRINCIPAL. MSC. EDGAR LORA FIGUEROA, COINVESTIGADOR. MSC. LOURDES MERINO STAND, COINVESTIGADOR. MSC. IVÁN TOVAR OSPINO, COINVESTIGADOR. ING. ALFREDO NAVARRO GÓMEZ, AUXILIAR DE INVESTIGACION. UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS, GIE-N: MSC. ENRIQUE CIRO QUISPE OQUENA, COINVESTIGADOR. MSC. JUAN RICARDO VIDAL MEDINA, COINVESTIGADOR.
MSC. YURI LÓPEZ CASTRILLÓN, COINVESTIGADOR. ESP. ROSAURA CASTRILLON MENDOZA, COINVESTIGADOR. ASESOR MSC. OMAR PRIAS CAICEDO, Desulfuración…… COINVESTIGADOR. U MINERO ENERGÉTI COLOMBIANO PARA TECNOLOGÍA. «FRAN CONTENIDO Pág. 1. INTRODUCCIÓN… DESA M 2. PROCESO PRODUCTIVO. — — 4 2. 1 PRODUCCIÓN DEL GAS SÍNTESIS POR REFORMADO CON VAPOR……… Reformado con Vapor. PURIFICACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS…. — — 7 2. 2. 1 E-tapa de Conversión. 2. 2. 2 Etapa de Eliminación del — g 2. 2. 3 Etapa de 2. 3 SINTESIS DEL AMONIACO… ?? — — 9 2. 3. 1 Factores que Influyen en el Consumo AD DE PLANEACION EL INSTITUTO IENCIA Y LA (COLCIENCIAS). 2. 1. 2 . 4 2. 2 9 Energético 10 3. DISTRIBUCION DE LOS CONSUMOS COMBUSTIÓN… 1 3 4. 2 REFORMADO PRIMARIO DE TIPO INTERCAMBIO DE CALOR CON RECUPERACIÓN DE CALOR RESIDUAL… 13 4. 3 MAXIMA RECUPERACION DE CALOR HORNO DE REFORMADO……………… 14 4. 4 RECUPERACION CONDENSADOS de Purgas……. 16 4. 4. 2 Recuperación de DE VAPOR… Condensados a 6 4. 4. 1 Recuperación de Calor . 17 4. 5 REAUOR CONVERTIDOR ISOTERMAL DE 18 4. RECUPERACIÓN CRIOGÉNICA DEL HIDRÓGENO DEL GAS DE PURGA………. 19 4. 7 REACTOR DE OXIDACION DE 19 4. 8 REACTOR DE SÍNTESIS DE ALTO INDICE DE CONVERSION.. 20 4. MOTORES DE ALTO RENDIMIENTO. — 20 4. 10 VARIADORES DE FRECUENCIA… 21 5. ASPECTOS AMBIENTALES GENERALES….. . 22 5. 1 ESTRATEGIAS PARA PROMOVER LA MINIMIZACIÓN EN ORIGEN DEL IMPACTO AMBIEN AL…. 23 5. 1. 1 Optimización de las Materias Primas Empleadas……… „ 23 5. 1. 2 Optimización de las Técnicas de 24 5. 1. 3 Optimización de los Sistemas de Distribución…. 24 5. PRODUCCION DE AMONIACO POR BIOTECNOLOGÍA………… — 24 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS… . 26 AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL AMONIACO i INTRODUCCIÓN El amoniaco, es uno de los productos intermedios más mportantes de la industria química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como: Nitrato amónico: NH4N03 Sales a 4)2S04, (NH4)3P04 Urea: 31 Otros usos del luyen: Fabricación de Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.
Por lo tanto su costo energético influye de manera importante en los otros sectores de la industria química. Síntesis Industrial El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos 3H2(g) 2NH3(g) calor Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco 25 0C K — 6,8×105 atm. 450 oc K = 7,8×10-2 atm. Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula.
Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utillzar un catalizador y aumentar la presión, ya que esto favorece la formación del producto. Convertir el método de Haber en un proceso de fabricación fue trabajo realizado por Carl Bosh.. Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL AMONIACO de la velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinacion a la superficie del catalizador.
El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. Se producen una serie de reacciones de inserción ecies adsorbidas 31 para producir el NH3. El ca iona adsorbiendo las funciona adsorbiendo las moléculas de N2 en la superficie del atalizador debilitando el enlace interatómico N-N; de esta forma se origina N atómico el cual reacciona con átomos de hidrogeno que provienen de la dlsociación de HZ que también tiene lugar en la superficie metálica. Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original.
Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco. (Ver Figura 1). La fabricación de moníaco constituye uno de los ejemplos de la industria química pesada. Figura 1. Fuentes del Gas de Síntesis. Fuente: www. TextosCientificos. com El 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de reformado con vapor. (Ver Figura 2). AHORRO DE ENERGIA EN LA INDUSTRIA DEL AMONIACO Figura 2. Diagrama de Obtención del Amoniaco por el Método Reformado con Vapor. Fuente: vww. TextosCientificos. com 2. 4 31 PROCESO PRODUCTIVO la materia prima dependerá en cada caso de la economía, isponibilidad y situación geográfica de la planta. Hay esencialmente dos procedimientos para la obtención del gas de sintesis: Reformado por vapor, siendo la materia prima utilizada gas natural, naftas ligeras o pesadas, que contengan hasta 1. 000 p. p. m. de azufre. Oxidación parcial, tratamiento más enérgico que el anterior.
Se puede emplear como materia prima fracciones pesadas del petróleo o carbón. Es necesaria una planta de fraccionamiento de aire. Existen también otros procedimientos menos empleados por ser solamente rentables en ciertos casos aislados, como son la obtención del hidrógeno por electrólisis y l aprovechamiento del gas de coquería. 2. 1 PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS POR REFORMADO CON VAPOR. se parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo el metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3. 2. . 1 Desulfuración El gas natural pasa primero a través de un lecho absorbente, para remover las últimas trazas de azufre que actúan reduciendo la vida del catalizador. R _ SH+H2 Catallzador Co Hidrogenac ión H 2 S + ZnO 2. 1. 2 Reformado con Vapor H 2 0 + zns Adsorción Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado atalítico con vapor de agua (craqueo- rupturas de las moléculas de CH4). El gas natural se por en la proporción (1 vapor) V se co eso de reformado, el cual AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL AMONIACO 4 a.
Reformador Primario El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes CH4+H20CH 4+ 2H 2 OCO 3H2C02+4H 2 La reacción global es fuertemente endotérmica, y para conseguir un alto porcentaje de reformado hay que operar a temperaturas superiores a 7000C. A fin de alcanzar estas temperaturas, la eacclón se verifica en un horno donde se quema combustible, circulando los reaccionantes dentro de unos tubos rellenos de catalizador (óxido de Níquel (NiO)), asi se favorece la formación de H2.
Variables que Influyen en el Consumo Energético. Dado que el volumen de los gases formados es muy superior al de partida, el equilibrio de las reacciones anteriores se desplaza hacia la derecha cuando se opera a bajas presiones. Pero es preferible, desde el punto de vista energético, operar a medias o altas presiones debido a que: 1. El gas de síntesis final hay que comprimirlo a altas presiones y es más económico nergéticamente comprimir los gases antes del reformado, ahorrando además la etapa de compresión entre el reformado secundario y la conversión del monóxido de carbono. 2.
En la etapa de conversión del CO, aunque la reacción es independiente de la presión, ésta influye del catalizador. Por otra parte, si se comprime después del reformado, es necesario enfriar los gases, habiendo la posibilidad de condensación de vapor de agua, vapor que es necesario en la siguiente etapa. Relación vapor/ carbono. La cantidad de vapor introducida debe ser superior a la estequiometria, a fin de evitar la formación de carboni 1 vapor introducida debe ser superior a la estequiometria, a fin de evitar la formación de carbonilla en el catalizador, asimismo se agrega el vapor necesario para la etapa siguiente.
Un aumento suplementario de la cantidad de vapor introducida, llevaría consigo un desplazamiento favorable del equilibrio en las reacciones de reformado, pero a costa de un importante aumento en el consumo energético. Es más rentable desplazar el equilibrio aumentando la presión. La relación vapor/carbono debe de ajustarse al máximo, su valor suele ser 3 para el gas natural, 4 para la nafta ligera y 4,5 para la pesada. En la Figura 3 relaciona la energía necesaria para el reformado, en función de la presión de operación y de la relación vapor/carbono, con la temperatura de los gases de salida del reformado secundario.
ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL AMONIACO 5 Figura 3. Energía necesaria para reformado en función de la presión y de la temperatura de salida de los gases. Cantidad de azufre en la alimentación. Si el gas natural de partida contienen azufre, éste reacciona con el níquel del catalizador disminuyendo la actividad. para compensar esta pérdida de actividad es necesario aumentar la temperatura de peración, con el consiguiente aumento del consumo energético. Un aumento de p. p. m. de azufre en los hidrocarburos de la alimentación, implica aumentar la temperatura 560C.
En la tabla 1 se puede apreciar la gran importancia que tiene una adecuada desulfuración de la alimentación. Los datos son para un reformador convencional a presión, operando a calor absorbido constante; del orden de 44. 000 kcal/h constante; del orden de 44. 000 kcal/h m2 utilizando como materia prima gas natural. Tabla 1 . Efectos del azufre sobre la temperatura de los gases. AZUFRE EN LA ALIMENTACION (p. p. m) 0,60 0,19 0,38 0,76 1,52 ,03 6,01 11,90 23,50 TEMPERATURA EN O LA SALIDA ( C) 780 783 783 790 811 823 840 866 893 TEMP.
MÁXIMA EN LA o SUPERFICIE DEL TUBO ( C) 907 gog 912 920 929 938 952 971 992 CH4 EN GASES DE SALIDA (h) 10,6 10,7 10,9 11,5 12,1 12,7 13,7 15,2 16,8 6 b. Reformador Secundario El gases procedentes del reformador primario, se mezclan con una corriente de aire para proporcionar la cantidad de nitrógeno necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 10000C. Las reacciones que tienen lugar son: Reacción de combustión ,2750 2 1,1N2 Reacción de reformado 0,41-42 sco OAH20 2 1,1N2 0,2CH4 Reacción global 0,2C02 reduce el combustible aportado.
Para que esto ocurra es necesario precalentar el aire a una temperatura del orden de 6000C. 2. 2 PURIFICACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS. Los gases procedentes del reformado secundario, contienen cantidades importantes de monóxido de carbono que hay que convertir en hidrógeno por medio de vapor agua, debido a que el CO representa una pérdida potencial de materia prima en la obtención de hidrógeno para la síntesis del amoniaco, siendo por otro lado un veneno para el catalizador.
Dentro de la fabricación del amoniaco, la purificación del gas de síntesis representa el 1% del consumo energético total. 7 2. 2. 1 Etapa de Conversión Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde se produce la reacción. CO(g) CO 2 ( g) H 2(g) 9,838 kcal 6,817 kcal Reacción exotérmica en donde no influye la presión. Esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. Este tipo de catálisis, ofrece las siguientes ventajas: Ser exotérmica y estar favorecida por las bajas temperaturas.
Disminución de la cantidad de vapor necesano, con el consiguiente ahorro nergético. Aumento de la conversión, es decir, aumento del hidrógeno producido por unidad de hidrocarburo, pues al reducir el contenido de CO, se ahorra parte del hidrógeno que se consume en el metanizad n cuenta estos factores, por cada mol de monóxid que se convierte se Reducción del costo de los equipos, debido a que por su elevado rendimiento, el tamaño de estos, es menor.
Menor presión de operación en la síntesis, pues al disminuir, la cantidad de inertes, se puede operar entre 140 y 200 kg,’cm2, con la consiguiente reducción de la potencia de compresión. En la práctica industrial, a conversión del monóxido de carbono se efectúa en dos etapas. a. Aproximadamente a 4000C con Fe304. Cr203 como catalizador. En esta primera etapa, se desprende una considerable cantidad de calor que eleva la temperatura de los gases impidiendo una conversión elevada (75% de la conversión).
Por ello, los gases convertidos se llevan a una caldera de recuperación de calor donde se enfrían y pasan a una segunda etapa. b. Aproximadamente a 2250C con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO, prácticamente la conversión completa. 2. 2. 2 Etapa de Ellmlnación del COZ El anhídrido carbónico, ormado en las reacciones anteriores, tiene que eliminarse antes de pasar a la etapa de compresión.
El C02 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con carbonato potásico (K2C03) a contracorriente, formándose KHC03 según CO 3 K 2 CO 2 H 20 2C0 3 HK 01-1 6,400 kcal Este se hace pasar por dos torres a baja presión para desorber el CO 2, el bicarbonato pasa a carbón liberando C02. (Subproducto para fabricación de bebidas refrescantes). 2. 2. 3 Etapa de Metanización. También hay que eliminar el monóxido de carbono residual que es peligroso para el catalizador del reactor de síntesis. Desde el punto
