Producción de Amoniaco PDF

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PRODUCCIÓN DE AMONIACO AGÜERO GUILLÉN, JOSÉ ANÍBAL COLMÁN PEDROZO, NELSON FEDERICO SOLER RUIZ, JOSÉ ARNALDO Orientador: Ing. Alberto Fernández Trabajo Práctico para la cátedra de Procesos Industriales de la carrera de Ingenierı́a Quı́mica de la Facultad de Ciencias Quı́micas de la Universi...

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Producción de Amoniaco José Aníbal Agüero Guillén

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Proyect o Final Sint esis de Met anol.docx Enzo Molina T RABAJO FIN DE GRADO EST UDIO DE UN REACT OR CATALÍT ICO PARA LA OBT ENCIÓN DE GAS DE SÍNT … Oscar Eduardo Cifuent es Carrasco UPME Ana Gabriela Angelino Gut ierrez

´ DE AMONIACO PRODUCCION

¨ ´ JOSE´ AN´IBAL AGUERO GUILLEN, ´ PEDROZO, NELSON FEDERICO COLMAN SOLER RUIZ, JOSE´ ARNALDO

Orientador: Ing. Alberto Fern´andez

Trabajo Pr´actico para la c´atedra de Procesos Industriales de la carrera de Ingenier´ıa Qu´ımica de la Facultad de Ciencias Qu´ımicas de la Universidad Nacional de Asunci´on

Ciudad Universitaria - A˜no 2017

´ Indice 1. Introducci´on

4

2. Objetivos

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2.1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.2. Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3. Definici´on del producto

4

3.1. Propiedades fisicoqu´ımicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.2. Usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

4. Capacidad de la planta industrial

5

5. Estudio de materia prima

5

5.1. Descripci´on cient´ıfica de materias primas e insumos . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

5.1.1. Aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

5.1.2. Coque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

5.1.3. Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

5.1.4. Nitr´ogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

5.1.5. Catalizador met´alico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

5.2. Zonas y e´ pocas de producci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

5.3. Modos de comercializaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

6. Proceso de producci´on

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6.1. M´etodo de Haber - Bosch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.2. Producci´on del gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

6.3. M´etodo de generador - gas de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

6.4. Conversi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.5. Absorci´on de CO2 y CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

6.6. Formaci´on de amoniaco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

6.7. Diagramas del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.1. Diagrama Entrada-Salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.2. Diagrama de bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6.7.3. Diagrama de flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7. Balances de Masa y Energ´ıa

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7.1. Balance de Masa general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

14

7.2. Balances en el sistema reactor + intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . .

14

7.2.1. Balances de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

7.2.2. Balances de energ´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7.3. Balances en el sistema de absorci´on de CO y CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

7.3.1. Balances de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7.4. Balances en las torres de conversi´on de CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7.4.1. Balances de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7.5. Balances de energ´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7.6. Balances en el sistema generador de gas de agua / Gas de generador . . . . . . . . .

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7.6.1. Balances de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8. Dimensionamiento de equipos principales

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8.1. Dimensionamiento del reactor de s´ıntesis de amoniaco . . . . . . . . . . . . . . . .

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8.2. Dimensionamiento de los intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8.3. Dimensionamiento de las columnas de absorci´on de CO2 y CO . . . . . . . . . . . .

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8.4. Dimensionamiento de la columna de absorci´on de sulfuro de hidr´ogeno . . . . . . .

22

8.5. Dimensionamiento de las columnas de conversi´on de CO a CO2 . . . . . . . . . . .

23

8.6. Dimensionamiento del horno generador de gas de agua/gas de generador . . . . . . .

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9. Dimensionamiento de equipos auxiliares

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9.1. Dimensionamiento de compresores y bombas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9.2. Dimensionamiento de tuber´ıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9.3. Dimensionamiento del tanque reservorio de amon´ıaco . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9.4. Dimensionamiento de los separadores cicl´onicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9.5. Dimensionamiento de los gas´ometros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9.6. Dimensionamiento de v´alvulas reductoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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10. Estimaci´on de costos de equipos

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10.1. Estimaci´on de costos de equipos principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. Servicios necesarios

27 28

11.1. Vapor de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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11.2. Agua de refrigeraci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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11.3. Electricidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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12. Estimaci´on de costos de costos de servicios

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2

13. Disposici´on final de efluentes

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13.1. Carb´on y cenizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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13.2. Mon´oxido de Carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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14. Estimaci´on de la Inversi´on de la planta

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3

1. Introducci´on El amoniaco es un compuesto qu´ımico cuya f´ormula es NH3 . Se produce naturalmente en el suelo por bacterias, plantas y animales en descomposici´on y por desechos animales, es esencial para muchos procesos biol´ogicos. La cantidad de amoniaco producido industrialmente cada a˜no es casi igual a la producida por la naturaleza. Su fabricaci´on es un proceso muy limpio, no existe vertimiento de l´ıquidos, consume mucha energ´ıa, por lo que es necesaria una m´axima recuperaci´on y el eficiente empleo del calor liberado. Las modificaciones m´as importantes entre tecnolog´ıas est´an relacionadas con la fuente del gas de s´ıntesis, la diferencia en los procesos de preparaci´on del gas de s´ıntesis y las condiciones de obtenci´on del amoniaco. Hay esencialmente dos procedimientos para la obtenci´on del gas de s´ıntesis: - Reformado por vapor: siendo la materia prima utilizada el gas natural, naftas ligeras o pesadas que contengan hasta 1000 ppm de azufre. - Oxidaci´on parcial: tratamiento m´as eficiente desde el punto de vista energ´etico que el anterior. Se pueden emplear como materia prima fracciones pesadas del petr´oleo o carb´on, es necesaria una planta de fraccionamiento de aire 2. Objetivos 2.1. Objetivo general - Aplicar los conocimientos adquiridos en semestres anteriores para el dimensionamiento de una planta de producci´on de amoniaco. 2.2. Objetivos espec´ıficos - Seleccionar informaci´on de calidad apta para definir las caracter´ısticas t´ecnicas de la planta de producci´on . - Desarrollar los criterios necesarios para la toma de decisiones durante el dimensionamiento y la optimizaci´on de la planta de producci´on. - Utilizar lenguaje t´ecnico adecuado para la comunicaci´on oral y escrita del proceso de dimensionamiento y optimizaci´on del proceso de producci´on. 3. Definici´on del producto El amoniaco est´a constituido por mol´eculas de composici´on NH3 . A temperatura ambiente es un gas dif´ıcilmente licuable, los altos puntos de fusi´on y ebullici´on son consecuencia de la fuerte asociaci´on de mol´eculas, debido a su car´acter polar y a la posibilidad del nitr´ogeno de formar enlaces de hidr´ogeno. El amoniaco es un gas incoloro venenoso con un olor caracter´ıstico muy intenso. Es el u´ nico gas com´un que es b´asico, y se disuelve con facilidad en agua. A temperatura ambiente se disuelven m´as de 50 g de amoniaco en 100 g de agua para dar una soluci´on cuya densidad es de 0.880 g/cm3 . El nombre m´as exacto de la soluci´on es “Amoniaco acuoso”, pero se le suele describir como“hidr´oxido de amonio”, un nombre que da lugar a confusi´on. [1] El gas ser´a comercializado como amon´ıaco anhidro licuado en tanques presurizados (mayores a 22 bar) 3.1. Propiedades fisicoqu´ımicas - Masa molecular: 17.031 g/mol 4

-

Densidad relativa al aire: 0.5967 Solubilidad en agua: 482 g/L a 24 o C Punto de fusi´on normal: -77.7 o C Punto de ebullici´on normal: -33.35 o C Estabilidad: El amoniaco es estable bajo condiciones recomendadas de almacenamiento, como por ejemplo, cilindros met´alicos, autotanques para gases licuados bajo presi´on, de acero, sin abolladuras, llenado hasta un 85 % del volumen del tanque. Para los recipientes no refrigerados la presi´on de dise˜no ser´a, como m´ınimo, 22 bar. Se considerar´a, como m´ınimo, 1 mil´ımetro de sobreespesor de corrosi´on para tanques y recipientes a presi´on, y 2 mil´ımetros para tubuladuras delas conexiones. [2]

3.2. Usos El amoniaco es una materia prima principal en la industria y en la agricultura. La producci´on de a´ cido n´ıtrico emplea el 20 % de la producci´on, la urea el 20 % y los fosfatos de amonio el 15 %. Los usos son, 80 % en fertilizantes, 20 % en pl´asticos y fibras y 5 % en explosivos comerciales y militares. Los grados comerciales incluyen NH3 l´ıquido esencialmente puro, y amoniaco acuoso, estandarizado por lo general al 28 % de NH3 . [3] El amoniaco tambi´en se utiliza en medidas de protecci´on para el medio ambiente, por ejemplo, para eliminar los NOx de los gases de combusti´on. El amoniaco l´ıquido es un disolvente destacado y tambi´en se utiliza como refrigerante [4] En estado l´ıquido es u´ til como disolvente para alcoholes, aminas, sales de amonio, amidas y cianuros. [5] 4. Capacidad de la planta industrial En Am´erica Latina funcionan o se est´an proyectando plantas para producir amoniaco con capacidades de 5.000 Tm/d´ıa (Complejo Petroqu´ımico Cosoleacane) [6], 1.800 Tm/d´ıa (Complejo PEQUIVEN, ciudad de Mor´on, Venezuela) [7], 1.200 Tm/d´ıa (Planta proyectada en la ciudad de Bulo Bulo, Bolivia) [8], 400 Tm/d´ıa (PEQUIVEN, estado de Zulia, Venezuela)[9]. De estas,la planta ubicada en Mor´on requiere una inversi´on de mil millones de d´olares, lo cual sugiere un elevado costo para capacidades superiores a las 1.000 Tm/d´ıa. En base a esto, es de esperar que una planta con producci´on de 400 Tm/d´ıa no tenga un costo excesivo. Por ende, y para facilitar los c´alculos, se opta por una capacidad de producci´on de 100 Tm/d´ıa 5. Estudio de materia prima 5.1. Descripci´on cient´ıfica de materias primas e insumos 5.1.1. Aire Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atm´osfera terrestre, que permanecen alrededor de la Tierra por la acci´on de la fuerza de gravedad.Esencial para la vida en el planeta, est´a compuesto en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el nitr´ogeno (78 %), ox´ıgeno (21 %), vapor de agua (variable entre 0-7 %) y 1 % de otras sustancias como ozono, di´oxido de carbono, hidr´ogeno y algunos gases nobles como el cript´on o el arg´on (todos los porcentajes en base molar).

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Propiedades fisicoqu´ımicas -

Masa molecular promedio: 28.96 g/mol Densidad (101.325 kPa ; 0.0 o C): 1.293 kg/m3 Solubilidad en agua (101.325 kPa ; 20.0 o C): 18.68 cm3 / 1 kg Agua Punto de fusi´on normal: ND Punto de ebullici´on (101.325 kPa): 78.8 K (-194.35 o C)

5.1.2. Coque Se entiende por coque al residuo s´olido y combustible obtenido por coquizaci´on de cualquier producto adecuado (turba, lignito, hulla, alquitr´an, brea, petr´oleo), despu´es de un calentamiento con exclusi´on del aire. Con esto se desprenden todos los componentes vol´atiles y queda como residuo el coque s´olido, que ya no se descompone. Por lo tanto, existen coques de turba, lignito, hulla, alquitr´an, brea y petr´oleo, pero el m´as utilizado y el que se llama corrientemente ✭✭coque✮✮ es el procedente de la hulla.[10] Debido a que los constituyentes poseen en general, propiedades f´ısicas y qu´ımicas muy diferentes, su abundancia relativa y distribuci´on espacial espacial determinar´an las propiedades globales del carb´on en su utilizaci´on industrial En la industria inorg´anica, el coque es materia prima para la obtenci´on de gas de generador, gas de agua, carburo de calcio, como reductor de minerales de hierro y para otras reacciones. [11] Componentes t´ıpicos del coque Estado f´ısico S´olido semigraso a graso Carbono 88,2 - 93,5 % Hidr´ogeno 5,3 - 3,8 % Ox´ıgeno 6,5 - 2,7 % Vol´atiles 17 - 9 % Tabla 1: Composici´on t´ıpica de coque procedente de hullas Fuente: Elaboraci´on propia

5.1.3. Agua Seg´un el fin a que se les destina y las exigencias de los procesos, las aguas naturales deben purificarse. Para las condiciones de proceso dadas, se utilizar´a el agua provista por la Entidad de Servicios Sanitarios del Paraguay ESSAP. Las impurezas pueden ser: sustancias en suspensi´on de naturaleza inorg´anica u org´anica, por ejemplo, suspensiones arcillosas o productos residuales de origen animal o vegetal, grasas, aceites, productos h´umicos, sales como carbonatos, sulfatos, nitratos, cloruros y silicatos y gases disueltos: ox´ıgeno y a´ cido carb´onico. El agua es materia prima para la producci´on de hidr´ogeno y gas de agua, asi como un frecuente disolvente para a´ cidos bases y sales. Es de importancia sobresaliente como portador de energ´ıa. Se emplea en cantidades muy grandes como medio de refrigeraci´on, como vapor de media y alta presi´on en centrales, como fluido transmisor de presi´on en prensas hidr´aulicas, como medio separador en la flotaci´on de carb´on, menas y otras materias primas minerales. [11]

6

Propiedades fisicoqu´ımicas -

Masa molecular: 18.02 g/mol Densidad (101.325 kPa ; 4.0 o C): 1000 kg/m3 Punto de fusi´on normal: 0 o C Punto de ebullici´on (101.325 kPa): 373,15 K (100 o C)

5.1.4. Nitr´ogeno Propiedades. El nitr´ogeno puro es un gas incoloro, inodoro e ins´ıpido, que a (- 195,8 o C), condensa para dar un l´ıquido incoloro, claro como el agua y se solidifica a —210,5 o C, formando cristales blancos. Qu´ımicamente, el nitr´ogeno es relativamente inerte y s´olo se le puede hacer reaccionar por suministro de considerables cantidades de energ´ıa. El nitr´ogeno no es venenoso y el ✭✭ahogo✮✮ en mezclas gaseosas ricas en nitr´ogeno no se debe a la toxicidad de e´ ste sino a la falta de ox´ıgeno. Estado natural. Pese a las grandes cantidades de nitr´ogeno existentes en el aire (78 vol. %) la cantidad total de nitr´ogeno en la atm´osfera, el agua y la corteza terrestre se estima solamente en 0,03 % en peso. Los minerales nitrogenados son escasos y los u´ nicos yacimientos de importancia son los de nitrato en Chile [11] 5.1.5. Catalizador met´alico Este consta de un fundido solidificado de hierro elemental, principalmente, con peque˜nas cantidades de Al2 O3 , K2 O y CaO, mientras que su rendimiento o´ ptimo requiere temperaturas de reacci´on alrededor de 400o C y presiones de 150 -300 atm´osferas, la composici´on actualizada en peso de los o´ xidos acompa˜nan a la matriz de hierro constituye informaci´on confidencial de las industrias que producen amon´ıaco, aunque se sabe de una composici´on promedio de 60 a 70 % en peso promedio de Fe 5.2. Zonas y e´ pocas de producci´on Tanto el aire como el agua son recursos obtenidos de forma gratuita por la naturaleza, en tanto que el coque (carb´on mineral), no se produce en Paraguay. Latinoam´erica s´olo produce el 1,7 % de la producci´on mundial de carbones minerales, donde Colombia aporta el 84 % seguido por Venezuela con el 11 % y Brasil el 4 %, con una producci´on estimada de 4,24 millones de toneladas (Statistical Review of World Energy, 2013). El gas nitr´ogeno puro es producido en Paraguay por la empresa Praxair durante todo el a˜no, el catalizador empleado ser´a provisto por la empresa 3M 5.3. Modos de comercializaci´on El aire es tomado directamente desde la atm´osfera, en tanto que los requerimientos de agua podr´an ser satisfechos por la entidad contratada para el efecto. El coque se comercializa en forma de bolsas de 50 kg con una granulometr´ıa comprendida entre 2 y 5 cm. El nitr´ogeno ser´a proporcionado de forma continua mediante gasoductos instalados en la empresa por el proveedor.

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6. Proceso de producci´on 6.1. M´etodo de Haber - Bosch La producci´on por s´ıntesis a partir de los elementos nitr´ogeno e hidr´ogeno, seg´un la ecuaci´on N2 + 3H2 → 2N H3 es posible si se utilizan catalizadores adecuados. Esta s´ıntesis queda favorecida por el empleo de bajas temperaturas y elevadas presiones, pero, de otro lado, la velocidad de reacci´on aumenta con la temperatura, siendo demasiado peque˜na por debajo de 400 o C, por lo que resulta necesario operar por encima de dicha temperatura. El rendimiento relativamente peque˜no condicionado por esta temperatura demasiado elevada se puede mejorar trabajando a mayor presi´on, o bien se acepta el bajo rendimiento y se opera en circuito conduciendo de nuevo a la zona de reacci´on la mezcla nitr´ogenohidr´ogeno que no haya reaccionado. Las numerosas y diferentes formas de realizar la s´ıntesis del amoniaco se distinguen por la presi´on utilizada (entre 100 y 1000 atm) y por las temperaturas de trabajo (entre 400 y 600 o C). Tambi´en puede ser diferente la forma de obtener hidr´ogeno y nitr´ogeno barato. Sin embargo, todos los m´etodos se derivan del de Haber - Bosch. 6.2. Producci´on del gas El ‘’m´etodo cl´asico” de producci´on de hidr´ogeno y gas de s´ıntesis es el m´as vigente y es el que se adopta para la planta proyectada. El gas de s´ıntesis, una mezcla de nitr´ogeno e hidr´ogeno, se obtuvo hace pocos a˜nos a partir de gas de generador y gas de agua 6.3. M´etodo de generador - gas de agua En un generador se hace pasar aire sobre coque al rojo en capa alta (600 o C), con lo que el ox´ıgeno del aire se consume con producci´on de CO 4N2 + O2 + 2C ⇋ 2CO + 4N2 Cuando el coque est´a al roj...