Ing. Gastón Rioja Cárdenas
PETROQUIMICA
1. INTRODUCCION
El amoniaco amoniaco KAAPplus se utiliza utiliza para producir
amoníaco a partir de
materias primas de hidrocarburos usando un proceso integrado de intercambio de calor basado en la reformación de vapor a alta presión con un avanzado proceso de síntesis de amoníaco de baja presión. KAAP plus combina tres características principales de la tecnología de amoníaco de KBR: KRES ™, ™ purificador, y KAAP ™.
Los pasos clave en el proceso KAAP Plus están en reformar utilizando el sistema KBR de intercambiador de reformado (KRES), en la purificación criogénica de gas de síntesis y la síntesis de amoníaco de baja presión utilizando catalizadores KAAP. 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. 2. OBJETIVOS
a. b. c.
Obtener menores costos de capital y una mayor confiabilidad Tener un consumo energético más competitivo Determinar si el diseño del proceso KAAPplus elimina el reformador primario
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3. MARCO TEORICO
El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula está compuesta por un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) en condiciones de temperatura y presión ambiente y cuya fórmula química es NH3 . El nombre de amoníaco deriva de una divinidad egipcia: Amón. Los egipcios preparaban un compuesto, cloruro amónico, a partir de la orina de los animales en un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevo a Europa mantuvo ese nombre en recuerdo de la sal de Amón. El amoniaco en cualquiera de sus presentaciones es higroscópico. Es soluble en disolventes orgánicos y sobre todo se disuelve fácilmente en agua donde genera el ion amonio (NH4+) forma soluciones alcalinas Industrialmente el amoniaco está disponible como gas licuado envasado en cilindros de alta presión, y también en estado líquido en tanques adecuados para ello. Propiedades físico químicas del amoníaco
Gas incoloro, tóxico corrosivo sofocante y altamente irritante en condiciones normales Más liviano que el aire Temperatura de solidificación –77,7ºC Temperatura normal de ebullición –33,4ºC Calor latente de vaporización a 0ºC 302 kcal/kg Presión de vapor a 0ºC 4,1 atm. Temperatura crítica 132,4ºC Presión crítica 113atm. Densidad del gas (0ºC y 1atm.) 0,7714 g/l Solubilidad en agua 89,9 g/ 100 ml (0ºC)
Efectos tóxicos
1. Es tóxico por inhalación (edema pulmonar) y los vapores producen irritación de ojos. Las salpicaduras de amoníaco líquido producen quemaduras y un daño irreparable en los ojos. 2. Logra alterar los mecanismos de defensa de los animales, permitiendo la acumulación de bacterias patógenas en el tracto respiratorio y la presencia de enfermedades.
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3. Reduce la captación de oxígeno por la hemoglobina debido a su impacto en el pH de la sangre. Esto tal vez explique por qué la tasa de oxigenación se ve reducida y no cumple con la demanda metabólica para la oxigenación de los tejidos, al extenderse sencillamente el corazón no puede ajustarse a dichas demandas apareciendo patologías modernas como ascitis y fallas cardiacas como la ruptura aórtica. 4. Los efectos negativos del amoníaco en las aves y los cerdos se inician cuando las concentraciones superan las 20 ppm considerándose muy perjudiciales cuando los niveles son superiores a las 50 ppm. Les provoca rinitis atrófica y congestión nasal, irritación de nariz y boca, y neumonía entre otras. Además genera pérdida de peso y por ende de ganancias. 5. Los síntomas de la irritación y daños causados por el amoniaco en las aves, incluyen daño ocular, sensibilidad a la luz, úlceras en conjuntiva, congestión pulmonar, edema, hemorragia, disminución de consumo de alimentos, ascitis y en niveles muy elevados les causa la muerte. 6. Afecta el rendimiento de los trabajadores, incrementa los costos de energía por ventilación, provoca corrosión en los equipos metálicos de las granjas y se generan olores desagradables. 7. Su inhalación puede resultar tóxica, pues causa irritación de ojos y garganta, y también hay que impedir el contacto directo con la piel. En grandes cantidades, puede ocasionar problemas graves e incluso, la muerte si llega a superar las 500ppm. 8. En concentraciones elevadas en el agua, como todo nutriente, puede ocasionar graves daños en un río o estanque, ya que el amoníaco interfiere en el transporte de oxígeno por el agua. 9. Las bacterias que se hallan en los intestinos pueden producir amoníaco. Una de ellas es la Helicobacter pylori, causante de gastritis y úlcera péptica. 10. Puede producir quemaduras y ampollas en la piel al cabo de unos pocos segundos de exposición con concentraciones atmosféricas superiores a 300 ppm.
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Usos del amoniaco
Para el amoniaco se tiene que, las etapas del proceso de producción determinadas por la tecnología Girdler- Topsoe y Haldor- Topsoe son:
Hidrodesulfuracion
Es el proceso catalítico estándar para la eliminación de azufre de los productos derivados del petróleo. En este proceso, las fracciones de azufre del petróleo crudo se mezclan con hidrógeno y un catalizador para reaccionar a sulfuro de hidrógeno . Normalmente, el catalizador se compone de una base de alúmina impregnada con cobalto y molibdeno.
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Reformación primaria El gas de alimentación, que ahora lo denominaremos gas de proceso, se mezcla con vapor saturado a 500 psi en forma contralada y se continua precalentando hasta 430 ºC el ducto de humos aprovechando los gases de combustión del reformador primario luego de este precalentamiento, la mescla pasa a través de los tubos de las cuatro celdas del reformador primario H-1. En el reformador el gas se calienta a unos 784 ºC, mediante el calor recibido de los quemadores del horno, quedando la corriente de gas de proceso parcialmente reformada. Los gases de combustión del reformador primario son aprovechados para producir vapor, precalentar el gas, el aire de proceso y el agua de alimentación de calderas.
Reformación secundaria El gas reformado al salir del reformador primario H-1, entra por la parte superior del reformador secundario H-2, donde mezcla con aire precalentado (550ºC). Este aire es comprimido previamente en el compresor centrifugo C-2, adicionalmente se le agrega un flujo de vapor saturado, con el objeto de controlar la temperatura
a la salida del
precalentador de aire de proceso E-27. En el reformador secundario, se produce la liberación de nitrógeno requerido para la formación del amoníaco, la reacción es exotérmica. El calor que se produce con la reacción hace la temperatura aumente, suministrando el calor necesarios para reformar casi todo el gas remanente del reformador primario.
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Conversión de alta temperatura El gas reformado que sale del reformador se enfría aproximadamente hasta 580 ºC en el lado de los tubos de la caldera WHE-1, donde se genera el vapor saturado de 500 psi. Luego de vuelve a enfriar hasta 370 ºC y el gas reformado entra al tope del convertidor de alta temperatura. Para controlar la temperatura de entrada al lecho catalítico se realiza mediante el desvío interno de la caldera WHE-1 y además está prevista una conexión de condesado de proceso a la entrada del reactor. El calor liberado por la reacción, incrementa la temperatura del gas a 428 ºC.
Conversión de baja temperatura El gas que sale del convertidor de alta D-2AT, entra por los tubos e intercambia calor en los E-25 con el mismo gas que regresa del E-2 (intercambiador de calor del metanador). La temperatura baja a 350 ºC. El gas de proceso es enfriado en forma súbita con condensado de proceso en el tambor de enfriamiento rápido D-3 y su temperatura desciende a 232 ºC. Con esta temperatura y una presión de 416 psi, el gas de proceso pasa a la segunda sección del convertidor
D-2BT, donde se completa la
conversión del CO y la temperatura aumenta a 242 ºC por efectos de la liberación de calor durante la reacción.
Lavado de CO2
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El gas de proceso a 52 ºC y 396 psi, entra al fondo del absorbedor de CO2 (T-1), donde el CO 2 se remueve por absorción en contracorriente con una solución de MEA al 20% que desciende en la torre.
La solución de MEA, rica en CO 2 del fondo del absorbedor se regenera en el reactivador de MEA (T-2), que opera a 4 psi. Además del calor de proceso también se usa vapor de 45 psi para hacer ebullir la MEA en el rehervidor, a fin de regenerarla. El CO 2 recuperado del tope de la T-2 se enfría luego y se envía a la planta de urea. La solución de MEA arrastrada y el condensado formado se separan del CO2 en el tambor D-9 y se usan como reflujo al reactivador T-2. La solución de MEA reactivada a 118 ºC, se retira por el fondo de las T2 y se enfría en los intercambiadores de amina (E-9) con la solución rica proveniente del absolvedor (T-1). Luego se enfría por un conjunto de enfriadores de aire E-8, hasta una temperatura de 56 ºC y posteriormente en los intercambiadores
de calor de agua de
enfriamiento E-7 hasta 45 ºC. Esta solución pobre es luego bombeada al tope del absorvedor T-1.
Metanación
La reacción de metanación frecuentemente se lleva a cabo con los reactivos en fase gas y los catalizadores en fas sólida, esto hace que el sistema sea bifásico y heterogéneo. Se utilizan reactores de lecho fijo y fluidizado. Un lecho fijo es un lecho empaquetado de partículas que el atravesado por el fluido y el reactor de lecho fluidizado las partículas se mueven hacia arriba y hacia abajo, lo que garantiza que la temperatura sea homogénea y exista una menor conversión.
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Figura 1. Reactor de Lecho Fluidizado
Compresión y síntesis
El gas de síntesis para la obtención del amoniaco, se comprime hasta una presión de 2300 psi aproximadamente. Esta compresión se efectua en cuatro de las cinco etapas del compresor centrifugo C-1 el cual es impulsado por una turbina a gas y otra a vapor La reacción química que se produce en los reactantes, es la siguiente N2 + 3H2 = 2NH 3 + Calor
Refrigeración
La refrigeración es un circuito cerrado de mucha importancia en el proceso de síntesis del amoniaco y cuya finalidad es la de hacer condensar el amoniaco formado del gas de síntesis
Almacenamiento
El amoníaco se puede almacenar en almacenamientos refrigerados a presión atmosférica y aproximadamente –33ºC con capacidades de 10000 a 30000 tn (hasta 50000) También puede almacenarse en esferas o tanques a presión a temperatura ambiente y su presión de vapor con capacidades de hasta 1700 tn. Por último se utilizan esferas semi refrigeradas a presiones intermedias (4atm) y 0ºC estas esferas también tienen capacidades intermedias entre los almacenamientos a temperatura ambiente y los refrigerados. TECNOLOGÍA KELLOGG BROWN & ROOT
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KBR ofrece KAAP plus ™ (KBR avanzada amoníaco Proceso plus) para
nuevas plantas de amoníaco que sinérgicamente combina las ventajas de tres tecnologías de amoníaco de KBR: Kres, purificador y KAAP. El resultado es un menor costo, planta de amoníaco más fiable que una planta de amoníaco convencional. KRES (Reforma del sistema de intercambiador) Usa aire en lugar de aire enriquecido con oxígeno, porque el purificador de aguas abajo requiere exceso de nitrógeno.
Los tubos en el intercambiador de KBR reformar son abiertas y cuelgan de una hoja de un solo tubo en el extremo frío de entrada para reducir al mínimo los problemas de expansión.
Están equipados con un catalizador de reformado convencional, que puede ser fácilmente cargado a través de una cabeza superior desmontable.
Los tubos son accesibles y desmontables como un conjunto para el mantenimiento.
KRES TM ATR (Reformador auto térmico) El ATR efluente caliente entra en el lado de la carcasa inferior del intercambiador de reformación, donde se combina con gas reformado que sale de los tubos de reformado.
Esta corriente de gas combinada viaja hacia arriba a través del lado de la carcasa.
La energía térmica que de otro modo se utiliza para generar vapor se utiliza, para
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reemplazar el combustible como fuente de calor para la reacción de reformado.
PURIFICADOR ™ (Sistema de Purificación Criogénica de Gas)
El sistema purificador ™ es un diseño simple que consta de tres piezas de equipo: un intercambiador de alimentación / efluente, una columna con un sistema incorporado en el condensador y un expansor. Con la tecnología de gas de síntesis Purificador criogénico de KBR, recibirá un costo más bajo. La tecnología de proceso de front-end patentada elimina simultáneamente impurezas (es decir, metano, argón) a partir de gas de síntesis mediante el lavado con el exceso de nitrógeno líquido mientras se ajusta el hidrógeno a nitrógeno (H2 / N2) relación de 3: 1.
El purificador de la tecnología ofrece beneficios para el funcionamiento de la planta entera, incluyendo:
Reducción del consumo de energía
Reducción de Costos de Capital
Mayor flexibilidad de operación
Mayor fiabilidad de los equipos de proceso asociado
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KAAP ™ Convertidor de síntesis de amoníaco
Proceso de amoníaco avanzada de
KBR (KAAP ™) convertidor de amoniaco
síntesis utiliza una etapa de catalizador de magnetita tradicional, seguido por tres etapas de KAAP catalizador ™.
Todos los lechos de catalizador son de flujo radial de baja caída de presión.
Intercoolers se encuentran entre los lechos de catalizador para una máxima conversión y recuperación de calor
Catalizador KAAP ™ contiene un metal precioso (rutenio) y, por lo tanto, cuesta más de magnetita catalizador convencional
Catalizador KAAP ™ es el primer avance importante en la tecnología de catalizador desde la planta original amoniaco puesto en marcha en 1913 El catalizador KAAP ™ tiene una actividad intrínseca de diez a veinte veces mayor que el catalizador de magnetita convencional. Esto permite el funcionamiento a presión bucle de síntesis de 90 bar, que es de la mitad a dos tercios de la presión de funcionamiento de un bucle convencional de síntesis de amoníaco magnetita. A esta baja presión, sólo se necesita un compresor de gas de síntesis de carcasa simple y espesores de pared de tubería se reducen. Esto se traduce en un ahorro en bienes de capital y los costos de operación de la planta. pág. 11
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4. MARCO PRACTICO
KBR: ofrece plantas de amoníaco con capacidades que van desde 500 a más de 4.000 tmpd. Descripción: El sistema de reformado de amoniaco KAAP plus o KBR conforma tres sistemas distintos.
KRESTM (Reforma del sistema de intercambiador) y ATR (Reformador auto térmico)
Purificador ™ (Sistema de Purificación Criogénica de Gas) KAAP ™ Convertidor de síntesis de amoníaco
DESCRIPCION
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Después de la eliminación de azufre (1), la alimentación se mezcla con vapor de agua, se calienta y se divide en dos corrientes. Una corriente fluye hacia el reformador auto térmico (ATR) (2) y el otro para la parte superior del tubo del cambiador de reformación (3) que opera en paralelo con el ATR. Se convierte la alimentación de hidrocarburo en gas de síntesis bruto utilizando catalizador de
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níquel convencional. En el ATR, la alimentación está parcialmente quemada con exceso de aire para suministrar el calor necesario para reformar la alimentación de hidrocarburos restantes. El efluente del reformador auto térmico caliente se alimenta a lado de la carcasa del cambiador de reformación KRES, donde se combina con el gas reformado que sale de los tubos de catalizador empaquetado. La corriente combinada fluye del lado de la carcasa del cambiador de reformación donde suministra calor a la reacción de reformado dentro de los tubos. El efluente de la carcasa del cambiador de reformación se enfría en una caldera de calor residual, donde se genera vapor a alta presión, y fluye entonces a los convertidores de desplazamiento de CO que contienen dos tipos de catalizadores: uno (4) es un catalizador de alta temperatura y la otra (5) es un catalizador de baja temperatura. El efluente del reactor de desplazamiento se enfría, el agua condensada es separada (6) y luego se dirige a la sección de purificación de gas. El CO2 se elimina del gas de síntesis utilizando un sistema de lavado de CO2 en húmedo tal como carbonato de potasio caliente o MDEA (metil dietanolamina) (7). Después de la eliminación de CO2, óxidos de carbono residuales se convierten a meteno en el metanizador (8). El metanizador efluente se enfría, y el agua se separa (9) antes de que el gas crudo se seque (10). El gas de síntesis secó fluye hacia el purificador criogénico (11), donde se enfría por alimentación efluente de intercambio de calor y se alimenta a un rectificador. El gas de síntesis se purifica en la columna rectificadora, la producción de cabeza de la columna que es esencialmente una relación de 75:25 de hidrógeno y nitrógeno. Los fondos de la columna es un gas residual que contiene metano no convertido de la sección de reformado, con exceso de nitrógeno y argón. Tanto los gastos generales y los fondos son reinyectados en la alimentación del intercambiador de afluente. La corriente de gas residual se utiliza para regenerar el secador y luego se quema como combustible en el reformador primario. Un pequeño, expansor de baja velocidad proporciona la refrigeración neta. El gas de síntesis purificado se comprime en un compresor de gas de síntesis (12) se mezcla con la corriente de ciclo de bucle y se alimenta al convertidor horizontal (13).El convertidor efluente se enfrió y después por refrigeración con amoniaco en un enfriador unificado (14). El amoniaco se separa del producto (15) a partir de gas de síntesis sin reaccionar. Gas de síntesis que no ha reaccionado se recicla de vuelta al compresor de gas de síntesis. Una pequeña purga se limpia con agua (16) y se recicla a los secadores.
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Plantas comerciales: Más de 200 plantas de gran escala, plantas de amoníacotren único de diseño KBR están en marcha o se han contraído en todo el mundo. La tecnología avanzada de amoníaco KAAPplus ofrece un bajo costo, bajo consumo de energía para plantas de amoníaco, minimiza el impacto medioambiental, reduce los requisitos de funcionamiento y proporciona una fiabilidad mejorada. Dos plantas utilizan la tecnología KRES y 17 plantas utilizan la tecnología PURIFICADOR. 5. CONCLUSIONES
En general, el proceso de KAAPplus amoníaco ofrece menores costos de capital, el consumo de energía más competitivo, una mayor fiabilidad y costos de mantenimiento más bajos.
El diseño del proceso KAAPplus elimina el reformador primario y reduce la complejidad y el costo del compresor de gas de síntesis. Estas son las dos piezas de equipo en una planta de amoniaco que tradicionalmente requieren más mantenimiento.
6. BIBLIOGRAFIA http://buenosaber.blogspot.com/2012/05/el-amoniaco-aliado-del-hogarindustria.html http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/propiedades-y-usosdel-amoniaco http://es.scribd.com/doc/35975073/amoniaco-betsa www.bnamericas.com/.../KBR_instala_tecnologia_en_planta_de_amonia
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