PROCESO DE OBTENCION DEL AMONIACO
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
La planta está constituida por varias etapas de producción:
Hidrodesulfuración
Reformación
Conversión de CO2
Remoción de CO2
Metanación
Síntesis
Refrigeración
Almacenamiento
5.4.1.- HIDRODESULFURACIÓN DEL GAS NATURAL
En esta etapa del proceso se lleva a cabo el tratamiento preliminar del Gas Natural, eliminando de éste los componentes dañinos (compuestos de azufre) capaces de envenenar a los catalizadores en la etapa de Reformación, imprescindibles para obtener el producto deseado y con la calidad requerida. La Hidrodesulfuración se compone de la Hidrogenación y Desulfuración del Gas Natural.
5.4.1.1- Hidrogenación del Gas Natural
El gas al llegar desde la subestación SG-41, a una presión de 21 kg/cm2, se mezcla con una corriente rica en hidrógeno gaseoso cuya presión es de 18-19 kg/cm2 aproximadamente, controlando así la presión de entrada del Gas Natural.
La corriente de hidrógeno proviene de la Unidad de Recuperación de Hidrógeno (P.S.A.). La concentración de Amoníaco gaseoso a la entrada del hidrogenador
SR-701C debe ser controlada por debajo de 1.000 ppm.
La mezcla de gas natural e hidrógeno pasa al compresor CC-803 donde aumenta presión y temperatura hasta 30-33 kg/cm2 y 80-90°C; luego la corriente se precalienta en el túnel de convección H-702A/B hasta 350-400°C. La mezcla es alimentada al hidrogenador SR-701C donde los compuestos orgánicos de azufre reaccionan con hidrógeno gaseoso para formar sulfuro de hidrógeno (H2S).
El catalizador que se emplea en esta etapa contiene centros activos de cobalto y molibdeno (Co/Mo); el volumen del mismo en el hidrogenador es de 9 m3. Las reacciones de Hidrogenación que se llevan a cabo son:
RSH + H2 RH + H2S
COS + H2 H2S + CO
RSH' + 2H2 RH + R'H+ H2S
CH2=CH2 + H2 CH3-CH3
5.4.1.2.- Desulfuración del Gas Natural
La corriente que sale del hidrogenador SR-701C entra a los desulfuradores
SR-701 A/B, que se encuentran conectados en serie (también pueden operar en paralelo). El sulfuro de hidrógeno producido en la Hidrogenación queda retenido en el lecho de óxido de zinc por una adsorción química.
La reacción se lleva a cabo a unos 370°C aproximadamente y cada desulfurador contiene un volumen de 8 m3 de óxido de zinc. Las principales reacciones son:
ZnO + H2S ZnS + H2O
ZnO + COS ZnS + CO2
El parámetro de control que se toma en cuenta es la concentración de sulfuro de hidrógeno a la salida de los desulfuradores SR-701A/B, la cual debe ser menor a 1 ppm.
5.4.2.- REFORMACIÓN DEL GAS NATURAL
En esta etapa se produce hidrógeno para la síntesis de Amoníaco; definiendo así la utilidad de la misma. Se compone básicamente de Reformación Primaria (formación de H2, CO y CO2) y Reformación Secundaria (completar la conversión del metano a H2, CO y CO2; además se inyecta aire para aprovechar el nitrógeno de éste).
5.4.2.1.- REFORMACIÓN PRIMARIA
A la salida de los desulfuradores SR-701A/B, el gas natural ya purificado es mezclado con una corriente de vapor de 30 kg/cm2 (V-30), donde se controla que la relación Vapor/Gas sea mayor a 3 (% másico). La mezcla entra al túnel de convección H-704, donde incrementa su temperatura hasta 540°C aproximadamente y entra al Reformador Primario A-701.
El Reformador Primario es de forma circular y tiene 224 tubos de 85,2 mm de diámetro, con 42 quemadores laterales; el catalizador empleado es de óxido de níquel soportado en alúmina y el volumen utilizado es de aproximadamente 13 m3.
En este reactor se lleva a cabo la reformación del gas natural, formando hidrógeno gaseoso; también se favorece, en presencia de vapor, la conversión del monóxido de carbono a dióxido de carbono (en menor proporción ya que esta reacción es exotérmica y la de reformación es endotérmica).
Las reacciones que se dan en el A-701 son las que se muestran a continuación; entre los parámetros de control que se consideran está la corriente de gas a la salida de la C-801 (torre de refrigeración automática), donde se realiza el lavado de gas reformado, entra a la primera etapa del compresor de síntesis; luego pasa a los intercambiadores F-801 y F-802 A/B para entrar al SR-801. Entra a la segunda etapa del compresor (CC-801) y pasa a la tercera; ésta corriente se conoce como gas de reemplazo. A la salida de la tercera etapa se mezcla con el gas que viene del convertidor de síntesis A-801, y pasa por los intercambiadores de calor F-812 y F-813 A/B y por el separador SR-809. Luego entra al F-814 A/B y finalmente entra a la cuarta etapa del compresor (CC-801), donde adquiere la presión necesaria para entrar al convertidor A-801. Concentración de metano residual a la salida del equipo, que se controla en un rango de valores de 9,5 y 12,0% (composición molar).
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 +2H2O CO2 + 4H2
CO + H2O CO2 + H2
5.4.2.2.- Reformación Secundaría
La corriente a la salida del Reformador Primario A-701 entra al Reformador Secundario A-702. En esta etapa se inyecta el aire ya caliente por el tope del convertidor y se produce la reacción de combustión del metano y la formación de agua, por la reacción entre el oxígeno del aire y el hidrógeno formado en la etapa anterior. El suministro de aire tiene como objetivo proporcionar el nitrógeno necesario para la reacción de síntesis de Amoníaco y generar calor para aprovecharlo en la reacción de reformación que se da en el lecho del mismo convertidor A-702. El catalizador utilizado es de óxido de níquel soportado en alúmina y el volumen empleado es 14,6 m3. En el tope del Reformador
Secundario A-702 ocurren las siguientes reacciones:
CH4 + 2O2 + N2 CO2 + 2H2O + N2 + calor
2H2 + O2 +N2 2H2O + N2 + calor
En el lecho del Reformador Secundario A-702 ocurren las reacciones para la formación de Hidrógeno gaseoso. Se prevé que la concentración de metano residual a la salida del A-702 esté entre 0,15 y 0,20% (composición molar).
CH4 + H2O CO + 3H2
CH4 +2H2O CO2 + 4H2
CO + H2O CO2 + H2
5.4.3.- CONVERSIÓN DEL MONÓXIDO DE CARBONO
La sección de Conversión es la encargada de hacer reaccionar el monóxido de carbono con vapor de agua para formar dióxido de carbono, que puede ser removido fácilmente en la siguiente sección de la planta (Remoción de CO2) y aprovecharlo como materia prima en el proceso de producción de Urea. En esta etapa se busca favorecer la cinética de la reacción (Conversión de Alta/HTS) y la termodinámica (Conversión de Baja/LTS), utilizando dos convertidores para tal fin
(A-703 y A-705).
5.4.3.1.- Conversión de Alta (HTS)
La corriente a la salida del A-702 pasa por el equipo F-705 (caldera de calor residual de gas reformado) y por el F-702 (precalentador de metanación) para aprovechar el calor de la línea, generando así vapor y a su vez enfriando la corriente, ya que el convertidor A-703 opera a temperatura menor. A la salida del
F-702 la corriente se mezcla con vapor de 30 kg/cm2 y luego entra al A-703 donde ocurre la reacción en presencia de un catalizador de Fe/Cr soportado en alúmina.
La temperatura a la entrada del reactor debe estar en 360°C aproximadamente y presenta un incremento de 60°C, ya que la reacción es exotérmica:
CO + H2O CO2 + H2 + calor
El volumen de catalizador utilizado es aproximadamente 34 m3 y es distribuido en dos lechos. Se considera la concentración molar del monóxido de carbono a la salida del convertidor A-703 (HTS) como parámetro de control; ésta debe estar entre 2,0-2,4%.
5.4.3.2.- Conversión de Baja (LTS)
La corriente a la salida del convertidor A-703 se enfría aprovechando el calor para generar vapor en las calderas de alta y baja presión de gas convertido (F-703 / V-100 y F-706 / V-10); luego la corriente entra al convertidor A-705 (LTS), en donde se lleva a cabo la reacción de transformación del monóxido de carbono en presencia de un catalizador con centros activos de Zn/Cu soportado en alúmina. El volumen utilizado de catalizador es de 34,5 m3, distribuido en dos lechos. La reacción que ocurre es la siguiente:
CO + H2O CO2 + H2 + calor
La temperatura a la entrada del A-705 es aproximadamente 195°C y presenta un incremento de 20°C. En esta etapa del proceso la concentración de monóxido a la salida del A-705 es muy baja. Se debe controlar muy bien la temperatura de reacción ya que el catalizador es sensible a ésta y se puede dañar si se incrementa por encima de 220°C. A la salida del A-705 (LTS) la concentración molar del monóxido de carbono se controla en 0,15-0,38%.
5.4.4.- LAVADO O REMOCIÓN DE CO2
Las secciones de Reformación y Conversión dejan una alta cantidad de dióxido de carbono en el gas (18-20%, composición molar); éste compuesto es nocivo para el catalizador de síntesis y por ello se emplean soluciones de aminas (TEA, trietanolamina y MEA, monoetanolamina) que permiten absorberlo y luego despojarlo, para enviarlo a la planta de Urea donde es utilizado como materia prima.
5.4.4.1.- Remoción con TEA
El gas reformado, proveniente del A-705, pasa por una serie de intercambiadores (F-753, F-757, F-758A/B y F-760) para disminuir la temperatura hasta 70°C aproximadamente; luego entra por el fondo a la columna absorbedora C-751 y se pone en contacto con la solución de TEA a contracorriente, la cual es enfriada hasta 70°C en el F-759 antes de entrar a la C-751. En la columna C-751 se absorbe parte del CO2; la solución rica en el gas sale por el fondo de la misma y es enviada a la despojadora C-753, donde se opera a baja presión y alta temperatura para permitir la separación del CO2. El
CO2 removido se envía a la planta de Urea.
La reacción de absorción química es exotérmica y desarrolla unas 350 kCal, por cada kg de CO2 absorbido en una solución de TEA al 30% p/p:
2R3N + CO2 +H2O (R3NH)2
++ + CO3
-- + calor
5.4.4.2.- Remoción con MEA
El gas reformado a la salida de la columna C-751 se enfría aún mas en el
F-751 y pasa por el separador SR-752; luego es enviado a la segunda columna de absorción C-752 (a una temperatura de 46°C), donde se pone en contacto con una solución de MEA a contracorriente, previamente enfriada en el F-756 hasta
46°C.
En la torre C-752 se absorbe el remanente de CO2 ; la solución rica en el gas sale por el fondo y es enviada a la despojadora C-754, donde se opera a baja presión y alta temperatura para permitir la separación del CO2, y así enviarlo a la planta de Urea.
La reacción de absorción química es exotérmica y desarrolla unas 450 kCal por cada kg de CO2 absorbido en una solución de MEA al 30% p/p:
2RNH2+ CO2 +H2O (RNH3)2++ + CO3 -- + calor
El parámetro de control en ésta etapa del proceso es la concentración de
CO2 a la salida de la columna absorbedora C-752, que debe estar por debajo de
500 ppm.
El problema común es ésta sección es la corrosión producida por las aminas. Se piensa que es debido a la reacción entre hierro metálico de los equipos y el ácido carbónico, que al calentarse y al liberarse del CO2 precipita como carbonato de hierro insoluble. En el sistema de remoción de CO2 con MEA se utilizan inhibidores de corrosión a base de vanadio y antimonio.
5.4.5.- METANACIÓN
El gas reformado sale de la sección de Remoción de CO2 con trazas de CO y CO2, lo que puede dificultar la operatividad del convertidor de síntesis de amoníaco, envenenando el catalizador. Esta corriente se precalienta en los intercambiadores de calor F-701 y F-702 y luego entra al convertidor A-704, donde ocurre la conversión del CO y CO2 a metano. Las reacciones que se llevan a cabo en ésta sección son las siguientes:
CO + 3H2 CH4 + H2O + calor
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O + calor
Éstas ocurren en presencia de un catalizador con centros activos de óxido de níquel, soportado en alúmina. El convertidor opera a 300°C aproximadamente y el principal parámetro de control en el gas a la salida del convertidor A-704 es la concentración de monóxido y dióxido de carbono, que sumadas no deben pasar los 10 ppm. Además se consideran otras variables de control, como la relación H2/N2 (3:1), ya que justo en ésta etapa el gas reformado se considera listo para la síntesis de amoníaco.
5.4.6.- SÍNTESIS DE AMONÍACO
El gas producido en la sección de reformación se comprime en varias etapas en el compresor CC-801, hasta la presión requerida para la Síntesis de
Amoníaco (180 kg/cm2). El compresor de gas de síntesis y gas de reciclo están en un eje común, movido por la turbina de vapor TV-801; consta de cuatro etapasLa corriente de gas a la salida de la C-801 (torre de refrigeración automática), donde se realiza el lavado de gas reformado, entra a la primera etapa del compresor de síntesis; luego pasa a los intercambiadores F-801 y F-802
A/B para entrar al SR-801. Entra a la segunda etapa del compresor (CC-801) y pasa a la tercera; ésta corriente se conoce como gas de reemplazo. A la salida de la tercera etapa se mezcla con el gas que viene del convertidor de síntesis A-801, y pasa por los intercambiadores de calor F-812 y F-813 A/B y por el separador
SR-809. Luego entra al F-814 A/B y finalmente entra a la cuarta etapa del compresor (CC-801), donde adquiere la presión necesaria para entrar al convertidor A-801.
La síntesis del amoníaco se lleva a cabo en presencia de un catalizador con centros activos de óxido de hierro, a través de una reacción exotérmica y con disminución de volumen o moles (favorecida por las bajas temperaturas y altas presiones), por medio de la siguiente reacción:
N2 + 3H2 2NH3 + calor
El convertidor A-801 es de flujo axial y consta de tres lechos catalíticos con doce termocuplas en el primero, seis en el segundo y seis en el tercero. El producto de reacción es separado en el SR-809 y almacenado en el SR-811 a – 6°C y 20 kg/ cm2 aproximadamente; desde aquí el amoníaco es enviado al SR- 853, para luego ser bombeado a través de la PC-851 A/B a los distintos intercambiadores de calor que operan con éste líquido como refrigerante (F-813, F-814 A/B, F-851, F-802, F 820).
5.4.6.1.- Unidad de P.S.A.
La unidad de P.S.A. (Pressure Swing Adsorbtion) de la planta de amoníaco se encarga de procesar la corriente de gas de purga de la sección de Síntesis de la planta para recuperar el Hidrógeno contenido en ella y retornarlo a la entrada del compresor CC-801.
La unidad consta de cinco (5) torres adsorbedoras (SR- 821/822/823/824/825) que contienen tres (3) lechos adsorbentes cada una. Los lechos están compuestos, siguiendo el sentido del flujo de gas, por:
1er. Lecho: Alúmina Amorfa. En este lecho queda retenida el agua presente en la corriente de gas.
2do. Lecho: Carbón Activado. Adsorbe el metano, dióxido de carbono y los hidrocarburos remanentes en la corriente.
3er. Lecho: Silicato de Aluminio. Este último lecho retiene el nitrógeno y el monóxido de carbono presentes en el gas.
Como parámetro de control se toma la concentración del hidrógeno en la corriente de descarga de las torres, que debe ser mayor al 99% p/p.
5.4.7.- REFRIGERACIÓN Y ALMACENAMIENTO
Esta sección prepara el amoníaco líquido a diferentes temperaturas y lo hace recircular como refrigerante. Los intercambiadores de calor F-813, F-814 A/B, F-851, F-802 y F-820 operan con amoníaco líquido frío; la descarga del SR- 853 y el F-806 A/B operan con amoníaco líquido caliente, que sale del SR-855.
El amoníaco líquido, ya caliente, que regresa de los intercambiadores de calor, fluye a través de una serie de separadores (SR 853/…/857) donde se expande y baja su temperatura como consecuencia de esa expansión.
Los vapores producidos se envían al compresor de refrigeración de cinco etapas CC-851, donde se comprimen y regresan a los separadores SR 853-857, para expandirse nuevamente. El almacenamiento se realiza en dos tanques, SR-860 y SR-860A, con una capacidad de almacenamiento de 3.000 y 10.000 TM respectivamente. La temperatura del amoníaco líquido se mantiene alrededor de los -28 – (-32)°C y la presión de los vapores se controla en 0,035 kg/cm2.
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LAS FUERZAS ARMADA
NUCLEO CARABOBO – EXTENSION ISABELICA
PROCESO DE OBTENCION DEL AMONIACO (NH3)PROCESO DE OBTENCION DEL AMONIACO (NH3)
PROCESO DE OBTENCION DEL AMONIACO (NH3)
PROCESO DE OBTENCION DEL AMONIACO (NH3)
BACHILLERES:
Dayana Oliveros
Reina González
Sección I003
Ing. Petroquímica
Valencia, Junio de 2013
