DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES (ACIDO NITRICO) 1. TITULO
PLANTA ACIDO NITRICO
2. MATERIA PRIMA
NH3 Número de CAS: 7664-41-7 UN1005
Amoníaco
Amoníaco:
MODO DE SUMINISTRO Tanque de gas licuado, Botella,
PRINCIPALES APLICACIONES Industrias Químicos
Aplicaciones El Amoniaco es la materia prima para la fabricación del Ácido Nítrico.
Laboratorios & análisis
El amoniaco se utiliza en las mezclas de gases de calibración para la industria petroquímica; monitorización de emisiones ambientales, control de higiene industrial, y traza de impurezas en analizadores.
Electrónica
El amoniaco se utiliza en la fabricación de semiconductores y materiales avanzados por la deposición del nitruro de silicio (Si3N4) por Deposición de Vapor Químico.
Ambiental
El Amoniaco es un fluido refrigerante utilizado en sustitución de clorofluorocarbonos (freones) en algunos refrigeradores.
PROPIEDADES DEL GAS Peso Molecular Peso Molecular : 17.03 g/mol Fase Sólida Punto de fusión : -77.74 °C Calor latente de fusión (1,013 bar, en el punto triple) : 332.17 kJ/kg Fase líquida Densidad del líquido (1.013 bar en el punto de ebullición) : 681.97 kg/m 3 Equivalente Líquido/Gas (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 935.6 vol/vol Punto de ebullición (1.013 bar) : -33.33 °C Calor latente de vaporización (1.013 bar en el punto de ebullición) : 1369.5 kJ/kg Presión de vapor (a 21 °C o 70 °F) : 8.852 bar Punto Crítico Temperatura Crítica : 132.25 °C Presión Crítica : 113.3 bar Densidad Crítica : 225 kg/m3 Punto triple Temperatura del punto triple : -77.66 °C Presión del punto triple : 0.06111 bar Fase gaseosa Densidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullición) : 0.889 kg/m 3 Densidad del Gas (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 0.7289 kg/m 3 Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 °C (59 °F)) : 0.98789 Gravedad específica (aire Volumen Específico (1.013= 1) bar :y0.6 21 °C (70 °F)) : 1.4218 m3/kg Capacidad calorífica a presión constante (Cp) (1.013 bar y 25 °C (77 °F)) : 0.0369 kJ/(mol.K) Capacidad calorífica a volumen constante (Cv) (1.013 bar y 25 °C (77 °F)) : 0.028 kJ/(mol.K) Razón de calores específicos (Gama:Cp/Cv) (1.013 bar y 25 °C (77 °F)) : 1.316 Viscosidad (1.013 bar y 0 °C (32 °F)) : 9.1931E-05 Poise Conductividad Térmica (1.013 bar y 0 °C (32 °F)) : 22.916 mW/(m.K) Misceláneos
Solubilidad en agua (1.013 bar y 0 °C (32 °F)) : 862 vol/vol Temperatura de Autoignición: 630 °C
CURVA DE EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR En el gráfico, la presión es en bar o 0.1 Mapa, temperatura en K o °C. El punto crítico es indicado por un punto negro en la curva de equilibrio líquido-vapor.
HOJA DE DATOS DE SEGURIDAD DEL MATERIAL Hojas de Datos de Seguridad (FDS) incluyen información sobre los ingredientes del producto , las propiedades físicas y químicas , los efectos potenciales sobre la toxicología y la ecología , la identificación de peligros , la manipulación y las instrucciones de almacenamiento , así como las recomendaciones de protección personal y la información relacionada con las necesidades de transporte , primeros auxilios y procesos de emergencia. Mayores riesgos
Peligro mayor : Inhalación y Contacto con la piel Toxicity (Am. Conf. Of Gov. Ind. Hygienists ACGIH 2000 Edition) : 25 ppm Límites de Flamabilidad en aire (en condiciones Estándar de Temperatura y Presión) : 15-30 vol%
Olor : Picante, Irritante Código ONU : UN1005 Número EINECS : 231-635-3 DOT Label (USA) : NFG DOT Hazard class (USA) : Gas No Inflamable
COMPATIBILIDAD CON LOS MATERIALES Air Liquide ha reunido la información de la compatibilidad de gases con los materiales para asistirlo al evaluar qué productos usar para un sistema de gas. Aunque la información ha sido compilada de fuentes confiables, según consideración Air Liquide (International Standards: Compatibilidad del cilindro y materiales de válvulas condecontenido de gas; Parte 1: ISO 11114-1 (Julio 1998), Parte 2: ISO 11114-2 (Marzo 2001)), debe ser utilizado con extremo cuidado. Ninguna información de la columna puede cubrir todas las condiciones de concentración, temperatura, humedad, impurezas y aireación. Es entonces, recomendable que esta tabla sea usada para elegir los posibles materiales y luego realizar una investigación más extensa y hacer un testeo bajo condiciones de uso específicas. La información presentada concierne principalmente a aplicaciones en alta presión a temperatura ambiente y priorizando la compatibilidad en el aspecto de seguridad del material más que el aspecto de calidad Materiales Compatibilidad Metales
Aluminio (Satisfactoria)
Bronce (No recomendado)
Cobre (No recomendado)
Aceros Ferríticos (p.e. Aceros Carbono) (Satisfactoria)
Aceros Inoxidables (Satisfactoria)
Plásticos
Politetrafluoroetileno (PTFE) (Satisfactoria)
Policlorotrifluoroetileno (PCTFE) (Satisfactoria)
Polifloruro de Vinilideno (PVDF) (KYNAR™) (No recomendado, notable aceleración del proceso de envejecimiento y significativa pérdida de masa por extracción o reacción química.)
Poliamida (PA) (NYLON™) (Satisfactoria)
Polipropileno (PP) (Satisfactoria)
Elastómeros
Goma de peroil (isoperoeno - isopreno) (IIR) (Satisfactoria) Goma de nitrilo (NBR) (Aceptable, pero pérdida significativa de masa por extracción o reacción química.)
Cloropreno (CR) (Sin datos) Clorofluorocarbonos (FKM) (VITON™) (No recomendado, significativa pérdida de masa por extracción o reacción química.) Silicona (Q) (No recomendado, significativa pérdida de masa por extracción o reacción química.) Etileno - Propileno (EPDM) (Satisfactoria)
Lubricantes
Lubricante basado en hidrocarbonos (No recomendado, significativa pérdida de masa por extracción o reacción química.)
Lubricante basado en Fluoro carbonos (Satisfactoria)
3. COMPETENCIA
Mercado del ácido nítrico Exportación del Producto. La producción de ácido nítrico nacional se reduce a la planta de nitrato de amonio perteneciente a Enaex, donde el ácido corresponde a un producto intermedio del proceso. Durante los últimos años la demanda de nitrato de amonio ha aumentado, y consecuentemente, la producción del ácido. Se han ubicado industrias que producen ácido nítrico a nivel internacional como:
Yara como proveedor de ac. Nítrico: Yara es el productor más importante del mundo de amoníaco, a partir del cual se fabrica el ácido nítrico. El ácido nítrico (HNO 3) se produce por oxidación del amoníaco sobre tamices de platino, de cuyo proceso se obtienen gases nitrosos como NO2, que pasan a absorberse en agua. De esta forma se produce ácido nítrico débil. El ácido nítrico es un líquido claro amarillento con un olor penetrante. El ácido nítrico de Yara puede transportarse directamente a su emplazamiento industrial, en cualquier lugar del mundo, por ferrocarril, camión o barco. En toda la cadena de suministro, cumplimos las estrictas regulaciones que garantizan la calidad del ácido nítrico
Porsgrunn (Noruega)
Fábrica con certificación ISO 9001, ISO 14001 y OHSAS
Pardies, Francia
Una unidad de producción: ácido nítrico en disolución y ácido nítrico concentrado Fábrica con certificación ISO 9001
Ambès, Francia
Una unidad de producción: ácido nítrico Una unidad de almacenamiento: amoníaco Fábrica con certificación ISO 9001 e ISO 14001, OHSAS 18001
Montoir-de-Bretagne, Francia
Una unidad de producción: ácido nítrico Fábrica con certificación ISO 9001 e ISO 14001, OHSAS 18001
Sluiskil (Países Bajos)
Una unidad de producción: ácido nítrico Fábrica con certificación ISO 9001 e ISO 14001, OHSAS
Uusikaupunki
Producción: ácido nítrico Almacenamiento: amoníaco y ácido nítrico Certificación ISO 9001, ISO 14001 e ISO 18001 OHSAS
Siilinjärvi
Producción: solución de amoníaco, ácido nítrico y ácido fosfórico Almacenamiento: amoníaco, solución de amoníaco, ácido fosfórico y ácido nítrico Certificación ISO 9001, ISO 14001 e ISO 18001 OHSAS
YARA
Cuentan con las certificaciones ISO 9001: 2008 y también ISO 14001: 2004 y OHSAS 18001: 2007. Para nuestros clientes, esto supone una garantía de calidad y mejora continua, ya que el ácido nítrico de Yara se produce a partir de gases (amoníaco y aire), es muy puro y no contiene metales pesados. Estrategia corporativa se basa en un crecimiento rentable y sostenible, construida sobre un modelo de negocios único y flexible, y a la misma vez una ciudadanía corporativa mundial. Esta estrategia es la guía de la compañía para obtener los mejores resultados de la industria y una creación de valores a largo plazo. Yara enfocará su crecimiento en los fertilizantes nitrogenados, nitrógeno industrial y suministro de fosfatos y potasio para poder cubrir los requerimientos de la producción de los fertilizantes NPK. Mayores iniciativas enfocarán en aumentos de producción en áreas con suministros estables de gas natural para producción de amoniaco con un precio competitivo, y recursos para producción de fosfatos y potasio, así expandiendo la
presencia de Yara en mercados de alto crecimiento y participando en la consolidación de los mercados maduros.
Yara diseña, instala y presta servicio a sistemas de inertización de emergencia con gases inertes, para la prevención de incendios y explosiones. Los precios son aproximados y son de proveedores las cuales están entre
1 euro proveedores clavero y Parreño S.L.U 14.65 euro Retaba delivering solutions, S.L.U. 29.01 euro Letslab delivering solutions, S.L.U. 58.72 euro (60%) Letslab delivering solutions, S.L.U. 201 euro (60%) Letslab delivering solutions, S.L.U. 134.11 euros (67-69%) distribuidor Letslab delivering solutions, S.L.U. 15.44 euros (en solución 1 mol por litro) Letslab delivering solutions, S.L.U.
INTRODUCCION
Debido a sus propiedades como un ácido muy fuerte y poderoso agente oxidante, el ácido nítrico es esencial en la producción de muchos químicos tales como, productos farmacéuticos, colorantes, fibras sintéticas, insecticidas y fungicidas, pero con mayor frecuencia se utiliza en la producción de nitrato de amonio para ser empleado como fertilizante industrial. El ácido nítrico era ya conocido en tiempos de los egipcios. Fue Antoine Lavoisier quien demostró en el año 1776, que este compuesto contenía oxígeno, y Cavendish, en 1784, quien determino su composición, la cual fue finalmente establecida por Gay Lussac en 1816. Afínales del siglo XIX y principios del siglo XX (1853-1932) Ostwald desarrollo un método, que lleva su nombre, para la obtención del ácido nítrico a partir del amoniaco (NH3) el cual consiste en oxidar el NH3 con exceso de aire en presencia de un catalizador, generalmente de platino, a presión atmosférica, Este hecho le proporciono el premio nobel en química, siendo hoy en día el proceso más utilizado a nivel industrial para la obtención de ácido nítrico. El proceso global implica el desarrollo de tres reacciones: oxidación catalítica de amoniaco en aire, oxidación de monóxido de nitrógeno generado en el proceso anterior, para producir dióxido de nitrógeno o trióxido de nitrógeno, y finalmente la adsorción de dióxido de nitrógeno para generar el ácido nítrico. Las diferentes tecnologías existentes para la producción de este compuesto varían de acuerdo a la forma en que se llevan a cabo estas reacciones. Debido a la importancia y complejidad de este proceso el estudio del mismo, y su comportamiento, no resulta sencillo, siendo este uno de los principales problemas que se tienen hoy en día, por eso los ingenieros tratan de desarrollar distintas formas de predecir o de adelantarse a los acontecimientos, para que de esta manera se pueden obtener los resultados deseados. Una de estas soluciones es la simulación del proceso, donde mediante el diseño de un modelo matemático del sistema, y su posterior ejecución, se puede entender el comportamiento bajo ciertas condiciones. Este modelo debe ser capaz de representar con mayor exactitud posible el comportamiento del proceso real, para ello pueden emplearse varias herramientas, las cuales facilitan el proceso del cálculo. El mercado actual ha obligado a las empresas, en los últimos años, a implantar todas aquellas tecnologías que puedan hacer realidad nuestros objetivos
OBJETIVO GENERAL
Diseñar una planta de producción de ácido nítrico, optimizando los costos
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Entender y comprender el proceso de producción del ácido nítrico Investigar acerca de las nuevas tecnologías que se emplean en la producción del ácido nítrico Presentar métodos de cálculos para equipos seleccionados durante el proceso
NOMBRE DE LA EMPRESA:
AC. NITRIC E.I.R.L.
LOGO:
4. DEFINICION
El ácido nítrico, HNO3, (también conocido por sus nombres ancestrales como “Aqua Fortis” o “Spirit of Nitre”) es en la actualidad uno de los ácidos más usados tanto a nivel
industrial como a nivel de laboratorio; su producción anual en los últimos años asciende a 60 millones de toneladas. El proceso industrial más frecuente para la producción del ácido nítrico está basado en la oxidación catalítica del amoniaco, proceso patentado por vez primera por el químico alemán Wilhelm Ostwald en 1902.
CARACTERISTICAS Y PROPIEDADES El ácido nítrico es un líquido incoloro en condiciones ambientales (en ausencia de agua) que se descompone lentamente por acción de la luz, adoptando una coloración amarilla por el NO2 que se produce en la reacción. 4HNO3 → 4NO2 + 2H2O + O2 El ácido nítrico anhidro posee una densidad de 1,522 kg/m 3, un peso molecular de 63,0 g/mol y su fórmula estructural es la siguiente:
El HNO3 es miscible con agua en todas proporciones y forma un azeótropo con él a la composición de 68% ácido nítrico y 32% agua. Cuando la concentración de ácido nítrico
en la disolución se encuentra por encima del 86%, se adjunta el “apellido” fumante al
ácido. Se diferencian entre ácido nítrico fumante rojo o blanco, en función de la cantidad de dióxido de nitrógeno en la disolución. Se denomina ácido nítrico fumante rojo cuando contiene un mínimo de 10% en NO 2 y blanco, cuando contiene 0,5% de NO2 y no más de 2% de agua. En función de la composición de la disolución varían las propiedades físicas de la misma, tal como se puede observar en la siguiente tabla: Tabla 1. Propiedades físicas de las diferentes disoluciones de ácido nítrico.
Ác. nítrico
Aceótropo con agua
P. de ebullición (°C) (1atm)
100% 84
(68% Ác.) 121,8
fumante 60
P. de fusión (°C)
-41,6
-41
-52
Presio de vapor (mmHg)
62
42
103
Propiedad
Ác. nítrico rojo
El ácido nítrico es uno de los ácidos más fuertes desde el punto de vista iónico pero lo que de verdad lo caracteriza químicamente es su capacidad oxidante, que se manifiesta sobre casi todos los metales excepto en el caso del oro y el platino. El ácido nítrico, a pesar de no ser combustible facilita la combustión de otras sustancias. Así, el HNO3 reacciona violentamente con sustancias orgánicas como acetona, ácido acético, anhídrido acético, alcoholes, etc. causando riesgo de fuego y explosión. Del mismo modo, puede ser agente de reacciones explosivas si se mantiene en presencia de polvos metálicos, carburos o sulfuro de hidrógeno. Además de su capacidad corrosiva, cabe destacar su toxicidad ya que una exposición prolongada puede provocar daños importantes en el tejido blando de las fosas nasales, las vías respiratorias, el tracto respiratorio, el tracto digestivo y los pulmones. En suma, el contacto con él puede ser causa de irritaciones y quemaduras agudas. En las zonas donde es manipulado, se necesita tanto una ventilación adecuada así como una correcta protección corporal (usando trajes de protección y pantalla facial). En caso de darse su vertido accidental, el ácido debe neutralizarse con arena o tierras inertes. El ácido nítrico se almacena normalmente en tanques cubiertos de fondo plano, hechos de acero (de bajo carbono austenítico) inoxidable, instalados en las zonas provistas de sistemas de contención adecuados. Las principales emisiones que genera la manufactura del ácido nítrico consisten en óxidos de nitrógeno, trazas de amoniaco y ácido nítrico, siendo el NO2 el compuesto más tóxico generado en la producción.
APLICACIONES El ácido nítrico, como ya se ha resaltado en el anterior apartado, es uno de los ácidos más importantes desde el punto de vista de aplicación industrial, pues es consumido en grandes cantidades dentro del sector. A partir de la Figura 1 se pude coger una idea de las aplicaciones que posee este ácido y en qué porcentaje se aplica en cada una de ellas.
Figura 1. Aplicaciones del acido nítrico en el sector industrial. Alrededor del 60% de la producción mundial de ácido nítrico se emplea para la fabricación de nitrato de amonio, usado bien como fertilizante o como materia prima para la obtención de explosivos mineros. En torno a un 15% de la producción se dedica a fabricación de fibras sintéticas, el 10% a la fabricación de ésteres de ácido nítrico y nitroderivados tales como: nitrocelulosa, pólvora, pinturas acrílicas, nitrobenceno, nitrotolueno, acrilonitrilos, etc y el 1,5% a la obtención de isocianatos (poliuretanos). En un porcentaje menor también es utilizado para diversas aplicaciones que se mencionan acto seguido. Debido a la capacidad oxidante del ácido nítrico, es muy eficaz en la purificación de metales de sus respectivos minerales. Por otro lado, también es utilizado en la obtención de uranio, manganeso, niobio, circonio o ácido fosfórico (acidificando la roca fosfórica). Una aplicación muy interesante es la mezcla de ácido nítrico con ácido clorhídrico para producir “agua regia”. Esta disolución es una de las pocas disoluciones capaces de
disolver el oro y platino, y que a su vez se puede utilizar para purificar ambos metales. Otra de las aplicaciones de este ácido es la de generar artificialmente un efecto de antigüedad en muebles de pino a partir de una disolución de aproximadamente 10% de ácido nítrico en agua. Este proceso produce un color "gris-oro" para la madera que no es muy diferente al color de la madera envejecida con otros tratamientos. Asimismo, mezclas acuosas de ácido nítrico 5-30% y ácido fosfórico 15-40% se utilizan comúnmente para la limpieza de alimentos y equipamiento de ordeño con el fin de eliminar los compuestos de magnesio y calcio precipitado.
Entre sus aplicaciones a nivel de laboratorio, es utilizado para análisis por espectrometría de absorción atómica de llama e ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) de diferentes metales, debido a su capacidad de disolverlos. Además de ello, el ácido nítrico es aplicable para limpiar los materiales de vidrio del laboratorio.
INTRODUCCIÓN A LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO Aunque la química básica del proceso de obtención de ácido nítrico no ha cambiado en los últimos cien años, el desarrollo de la tecnología ha dado lugar a plantas más eficientes, compactas y amigables con el entorno. A lo largo de la historia reciente se han propuesto diversas rutas de síntesis; entre ellos se encuentra el proceso Birkeland-Eyde (inventado a comienzos del siglo XX), que consiste la combinación directa del oxígeno y nitrógeno atmosféricos en un arco eléctrico. La implatación de dicha tecnología no tuvo éxito debido a sus elevados costes energéticos. A nivel de laboratorio, el ácido nítrico se puede preparar calentando nitrato de potasio con ácido sulfúrico concentrado en un recipiente de vidrio, siguiendo la reacción (2) KNO3 + H2SO4 → KHSO4 + HNO3 Los vapores de ácido nítrico se condensan en un receptor, que es enfriado por agua tal como se aprecia en la Figura 2.
Figura 2. Esquema de la producción de ácido nítrico a nivel de laboratorio. Hoy en día, como ya se ha mencionado al comienzo del trabajo, el proceso utilizado para la generación de ácido nítrico se basa en la oxidación del amoniaco en presencia de un catalizador y una posterior absorción en agua de los óxidos de nitrógeno generados para producir el producto en custión. Este proceso fue llevado a cabo por vez primera en 1838 por C. F. Kuhlmann, sin embargo, este descubrimiento no fue comercializado debido al elevado coste del amoniaco en comparación con el salitre de Chile (compuesto por nitrato de sodio). No obstante, los avances en la síntesis del amoniaco a partir del proceso HaberBosch le dieron al proceso un impulso importante, abaratando los costes de la materia prima y favoreciendo la implatación de esta tecnología en las primeras décadas del siglo XX. En la actualidad, se puede producir ácido nítrico débil, con una concentración entre 3070%, y ácido nítrico de concentraciones superiores al 90%. En el siguiente artículo me centraré en la obtención del ácido nítrico débil, poniendo énfasis en las diferentes etapas
que constan en su producción, así como en las diferentes tecnologías que se emplean o se han empleado en su obtención
PRODUCCION DE ACIDO NITRICO En el artículo previo expliqué de forma genérica cuales son las características principales del ácido nítrico, así como varias de las aplicaciones que posee este ácido en cuestión. Además de ello presenté una pequeña introducción a los fundamentos de la producción de ácido nítrico que son explicadas a detalle en este artículo de forma clara y explícita. Dicho esto, el proceso para la obtención de ácido nítrico débil se compone de las siguientes etapas: 1. Oxidación del amoniaco anhidro con aire a óxido nítrico. 2. Oxidación del óxido nítrico para formar dióxido de nitrógeno. 3. Absorción en agua del nitrógeno dióxido para dar una disolución de ácido nítrico. A partir de un balance de las diferentes reacciones que se dan en el proceso, la producción de ácido nítrico se resume por la siguiente reacción global. NH3(g) + 2O2(g) → HNO3(aq) + H2O(l) En la práctica, tres en pasos del procesos proceso pueden llevarse a cabo de diferentes maneras, lo queestos resultas varios diferentes de producción. Las plantas modernas de ácido nítrico están diseñadas de acuerdo a procesos de mono-presión y presión dual. Las peculiaridades de un sistema y otro las analizaré un artículo posterior a este.
Oxidación catalítica del amoniaco La primera etapa de la ruta de sintesis consiste en la oxidación del amoniaco cuya eficiencia es un factor clave. El procedimiento consiste en hacer reaccionar en el reactor catalítico una mezcla de amoniaco y aire enriquecido en oxígeno para obtener selectivamente óxido nítrico, siguiendo la siguiente reacción: 4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) Antes de llevarse a cabo la reacción en el reactor catalítico, son necesarias una serie de etapas, tal como se aprecia en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama de bloques de las etapas previas al proceso de oxidación. El amoniaco una vez vaporizado y filtrado, se une a la corriente de aire, que también ha sido previamente filtrado y comprimido (aprovechando la potencia generada en la turbina de gas y vapor). Cuando la mezcla amoniaco/aire contiene un 10,2% de amoniaco (ratio adecuado para maximizar la formación de NO) esta se pone en contacto con el catalizador, dando lugar a una reacción muy rápida (con una velocidad espacial de 60.000-600.000h1 ) y exotérmica (-226 kJ/mol). Generalmente, se proporciona una cantidad en exceso de aire en relación con la cantidad estequiometria con el fin de controlar la inflamabilidad de la mezcla de reacción, y para proporcionar una cantidad adicional de oxígeno para subsiguientes reacciones de oxidación. Tal como se puede ver en la Figura 2, la adsorción del amoniaco es seguido por su des hidrogenación por medio del oxígeno adsorbido. En una etapa adicional, los átomos de nitrógeno adsorbidos pueden dar N 2 o reaccionar con otros átomos de oxígeno en la superficie para producir NO. La selectividad hacia el producto deseado NO depende de
la dilución de los átomos de nitrógeno adsorbidos con átomos de oxígeno de superficie, en otras palabras, de la relación de O 2/NH3 de la alimentación de gas inicial. El aumento de ratios de O2/NH3 genera rendimientos más altos en NO.
Figura 2. Proceso esquemático de la reacción de oxidación del amoniaco sobre la superficie catalítica. De todos modos, las reacciones del modelo cinético son más complejas que lo mostrado en la Figura 2 (Tabla 1).
Tabla 1. Modelo cinético de la oxidación del amoniaco.
El asterisco (*) hace referencia al centro activo. Tal como se puede ver, se pueden obtener diferentes productos y a partir de diferentes reacciones. El NO, producto deseado, se forma a partir de dos cinéticas diferentes (Ec. (6) y (10)-(11), Tabla 1). En Tabla 2 se recogen resumidas todas las posibles reacciones.
Tabla 2. Reacciones que pueden generarse en la oxidación del amoniaco y sus respectivas entalpías de reacción.
Datos obtenidos a 1 bar y 900°C. Las entalpías están expresadas por mol de NH3, excepto para las reacciones (7) (por mol de NO) y (9)-(10) (por mol de N2O). La oxidación catalítica del amoniaco puede seguir diferentes pasos dependiendo de la temperatura, obteniéndose productos nitrogenados con diferentes grados de oxidación en un orden ascendente: N2, N2O y NO (Ec. (1)-(3), Tabla 2). La competición entre las moléculas de NH3 y O2 por adsorberse, antes mencionada, varía en función de la temperatura. A temperaturas bajas predomina la adsorción del nitrógeno, mientras que al aumentar la temperatura se incrementa la adsorción disociativa de las moléculas de oxígeno, dando lugar una mayor formación de productos oxidados (Figura 3). Al hilo de lo mencionado, en presencia del catalizador a bajas temperaturas (150-200°C), 2 el el únicopor producto nitrogenado. Al subir la formaciónLa de N2N O, espasando un máximo (a 400°C) conla eltemperatura incrementocomienza de la temperatura. formación de NO, el producto deseado para la formulación de ácido nítrico, empieza a 300°C y su rendimiento aumenta con la temperatura.
Figura 3. Actividad de la reacción hacia N 2 y NO en función de la temperatura. Asimismo, la influencia de la temperatura sobre el rendimiento se refleja en la cantidad de N2O formado. El N2O se forma en una etapa de reacción secundaria entre moléculas de NO adsorbido y los átomos de nitrógeno en la superficie del catalizador. Las bajas temperaturas desaceleran la velocidad de desorción de las moléculas de NO a partir de la superficie del catalizador y provoca más emisiones de N 2O procedentes del catalizador.
En condiciones de proceso industrial la selectividad hacia N 2O y N2 se busca que sea mínima, siendo esta de 1,5-2,5 y 4-4,5%, respectivamente. Aparte de las reacciones no deseadas que ya se han mencionado (hacia la obtención de N2 y N2O), también hay que destacar las reacciones entre el amoniaco que no ha reaccionado con el nitrógeno monóxido (Ec. (4)-(6), Tabla 2), que hacen que disminuya el rendimiento hacia el producto deseado, el NO. Del mismo modo, se debe minimizar la descomposición del NO y del amoniaco (Ec. (7) y (8), Tabla 2), procesos favorecidos a temperatura superiores a los 1000 °C y largos tiempos de contacto. Como regla general, se necesitan elevados flujos y velocidades lineales de 1m/s para minimizar estas reacciones no deseadas. No en vano, una pequeña mejora en la selectividad hacia NO es realmente atractiva, no solo debido a la subsiguiente menor emisión de N 2O sino que también a la mayor producción de ácido nítrico. Un incremento en el rendimiento de 1% supone, aproximadamente, un aumento de 500.000 euros anuales. Se opera con presiones bajas de 1 a 6,5 bares (en plantas de presión dual) y de 1 a 13 bares (en plantas con un solo nivel de presión) a fin de favorecer la formacion de NO en la reacción (4). Respecto a la temperatura, se trabaja a temperaturas elevadas, entre 810940°C normalmente. En estas condiciones de proceso se obtiene un rendimiento variable entre un 93 y 98% en NO. El catalizador más usado está compuesto por platino en un 90% y rodio en un 10%. El catalizador consiste en una malla formada a partir del entrelazado de hilos metálicos de 60-75 µm. Desde 3 hasta 50 mallas metálicas de catalizador se pueden fijar en el reactor (cuyo diámetro puede llegar a los 5,5m), dependiendo de la presión de operación y el diseño del mismo.
Oxidación del óxido nítrico El gas efluente del reactor de oxidación catalítica se enfría hasta unos 150-200°C en un tren de intercambiadores de calor (Figura 4), y el calor que se genera se emplea para producir vapor (y posterior potencia eléctrica en la turbina), calentar el aire que se alimenta a la oxidación del amoniaco y aumentar la temperatura de los gases efluentes del absorbedor.
Figura 4. Etapas a la salida del reactor catalítico. En el condensador se alcanzan temperaturas de 40-50°C y se convierte el 50% del monóxido de nitrógeno en dióxido de nitrógeno (que está en equilibrio con su dimero N2O4) sin presencia de catalizadores, segun la siguiente reacción: 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) El calor de combustión de la reacción es de -56 kJ/mol. Esta reacción homogénea es altamente dependiente de la temperatura y presión del proceso. Operando a bajas temperaturas y altas presiones se promueve la producción de NO2 dentro de un tiempo de reacción mínimo. En las condiciones más frías del condensador, el agua formada en la oxidación de amoniaco se condensa y absorbe algo del dióxido de nitrógeno para formar ácido nítrico. La corriente a la salida del condensador se alimenta a la columna de absorción.
Absorción del dióxido de nitrógeno La corriente a la salida del condensador se bombea hasta el fondo de la torre de absorción mientras que el agua desionizada se alimenta a contracorriente. También se introduce una corriente de aire en la columna para oxidar el NO que no se ha convertido a NO 2. Las reacciones de oxidación ocurren entre los platos de la columna mientras que la reacción de absorción (que se muestra a continuación) tiene lugar en los platos. 3NO2(g) + H2O(l) → 2HNO3 (g) + NO(g) De forma corriente se obtiene una disolución acuosa por fondo de columna con un 5565% de ácido nítrico. La concentración de ácido puede variar entre 30% y 68% (debido al azeótropo formado con el agua). La concentración de ácido a la salida de la columna
depende de la temperatura, presión, número de etapas de absorción y la concentración de óxido nítrico a la entrada del absorbedor. Para maximizar el rendimiento, la temperatura se mantiene baja (a unos 50°C) y la presión elevada (9-10 atm). La absorción del nitrógeno dióxido en agua para formar ácido nítrico tiene un rendimiento del 99,9% por lo que el rendimiento global a partir del amoniaco fluctúa en torno al 95%; se consumen unos 300kg de amoniaco por tonelada de ácido nítrico. En la torre se utilizan platos perforados o burbujeadores de alta eficiencia. El espaciado entre platos aumenta progresivamente de la parte inferior a la parte superior del absorbedor. Muchas de las bandejas están equipadas con serpentines de enfriamiento internos para eliminar el calor de reacción (ya que la reacción es ligeramente exotérmica). La sección de absorción puede estar formada por una o más o más columnas. La disolución de ácido a la salida de la sección de absorción es rica en óxidos de nitrógeno disueltos de modo que esta pasa a una torre de blanqueo en el que se pone en contacto con un flujo de aire a contracorriente. La corriente de aire y los óxidos de nitrógeno que se han despojado se unen a los gases de salida de la sección de enfriamiento y se reciclan a la sección de absorción. El gas de cola del absorbedor se alimenta a un separador de arrastre para retirar las nieblas ácidas. Tras ello, el gas es recalentado aprovechando el calor desprendido por la oxidación del amoniaco hasta aproximadamente 200°C. En una última etapa el gas (una vez reducida la concentración de óxidos de nitrógeno) se expande en una turbina, pudiendo ser aprovechado la energía obtenida para accionar el compresor.
Fabricación industrial por el método de Ostwald. Éste es el proceso industrial de síntesis de ácido nítrico más común, y consiste en la oxidación catalítica del amoníacoa monóxido de nitrógeno (se usa como catalizador platino con un pequeño porcentaje de paladio o rodio), con posterior oxidación del una mismo a dióxido de nitrógeno para, finalmente, reaccionar con agua, produciendo ácido nítrico. Las tres reacciones especificadas son: 4NH3 + 5O2 –> 4NO + 6H2O Catalizada por platino a 800ºC
2NO + O2 –> 2NO2 3NO2 + H2O –> 2HNO3 + NO El NO producido en la última reacción se recicla, volviendo a la cámara de reacción para producir NO2 a partir de la segunda reacción. Curiosamente, lo que más encarece el proceso de producción de ácido nítrico por medio del método de Ostwald es que una pequeña cantidad del platino utilizado como catalizador se va perdiendo por oxidación, pasando a PtO2. Se necesitan en torno a 50 toneladas anuales de platino para reponer el que se va perdiendo por oxidación. Considerando que=el28,3495 precio del platinopor a 28 de 2012 (ayer) era de 1640 dólares por onza (1 onza gramos, lo de quemarzo hablamos de 58 dólares el gramo), 50 toneladas anuales de platino cuestan la friolera de 2900 millones de dólares, es decir, unos 2184 millones de euros.
5. JUSTIFICACION
la produccion de acido nitrico ,siendo un producto intermedio paraser utilizadopara diferentes productos finales como , pintura, bombas ,fertilizantes ,industrias mineras ;las cuales hacen que este producto de acido nitrico se sigua produciendo.
Para cualquier produccion industrial ya sea anivel de texileria ,minera ,pinturas ,etc ; es indispensable el acido para separar ,mezclar ,etc.
Tiene una variedad de aplicaciones ,en españa ,francia ,venezuela ,colombia y otros paices desarrollados tienen grandes plantas industriales de produccion de acido nitrico como producto intermedio para ser utilizado como una de las mas importantes para producir como producto final fertilizantes artificiales.
Peru que cuenta con una planta completa de produccion de amoniaco,acido nitrico; para se utilizados en diferentes productos finales ,las cuales satisfacen la s espectativas de la poblacion tonto a nivel industrial como anivel intitucional como universidades para sus respectivos analisis en laboratorio.
ESTUDIO DE COSTOS, MERCADO Y LOCALIZACION DE LA PLANTA
La urea es el principal derivado del amoniaco y fertilizante nitrogenado. Su capacidad instalada en el mundo es de 133 millones de toneladas por año y en América latina representa un 4% de la instalada mundialmente,
La produccion y venta de amoniaco se indica en la siguiente tabla, en la que puede verificcarse el bajo nivel de utilizacion de las plantas de Mexico, ya que de las cinco unidades en Cosoleacaque que solo operaron dos en el año 2002, que fueron las unicas operativas en todo Mexico.
El amoniaco liquido de cada separador es distribuido en presión en tres etapas (o tanque de disminución de presión) y fluye a los límites de almacenamiento de la planta A continuación, se muestra el proceso general para la obtención del amoniaco
TECNOLOGÍA PARA LA OBTENCIÓN DE AMONIACO
En el mercado se muestran diversas tecnologias para la obtencion de amoniaco a partir del gas en sintesis, las siguientes emoresas representan los mas representativos licenciantes de tecnologias para la obtencion de amoniaco. Estan licenciantes cuentan con mas del 92% de todas as plantas de amoniaco construidas en todo el mundo. Podemos observar que entre estos licenciantes se encuentran Haldor Topsoe y KBR .
TECNOLOGÍA DEL AMONIACO DE HALDOR TOPSOE Se basa en un esquema de proceso que ofrece las siguientes etapas: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Purificación de la alimentación Reformado primario y secundario Conversor de CO Retro del dióxido de carbono Matanacion Síntesis del amoniaco y refrigeración
TECOLOGIA KBR La empresa KBR energy and chemicals es licenciante y posee tecnología propia para la producción de amoniaco, ofreciendo tecnología propia para la producción de amoniaco, ofreciendo tecnologías para plantas con capacidades que se encuentren en el rango de los 500 a 4000TM
LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA La localización adecuada de la planta puede determinar el éxito o fracaso del proyecto. Los criterios fundamentales a tomar en cuenta son los económicos, estratégicos, institucionales. El estudio de localización no solo involucra factores tecnológicos si no también factores técnicos, legales, tributarios, sociales, etc. Los factores globales que mayormente influyen en la decisión de localización del proyecto son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Costo de materia prima Cercanía del mercado Disponibilidad de potencia y combustibles Disponibilidad y costo de mano de obra Posición geográfica Eliminación de efluentes o residuos Servicios básicos
Dada estas condiciones, se han tomado en cuenta dos macro zonas que responden a los objetivos del mercado del proyecto, Cusco y Cañete.
CAÑETE Cercanía al mercado: las ubicaciones de los centros de distribución afectan los costos de distribución del producto y el tiempo requerido para el embarque, para la exportación a Brasil se hará por la carretera transoceánica, para china en buques, asimismo la cercanía a la capital logra la obtención de insumos en general a precios más económicos
Mano de obra: en la costa de cañete contamos con el mercado laboral a nuestro alcance. Este distrito cuenta con el instituto SENATI por lo que contaremos con técnicos capacitados asimismo por la cercanía podríamos contarnos con profesionales y técnicos de diferentes institutos de Ica y Lima. Posición geográfica: la posición geográfica de Cañete favorece el acceso a la capital y a diferentes medios de transporte fluvial, marítimo, y acceso por carretera. La carretera panamericana sur es una buena vía de acceso y comunicación entre cañete, el distrito de Pisco y la provincia de Lima. Servicios básicos: en la mayoría de las plantas industriales las necesidades de energía y vapor son muy grandes y generalmente se necesita de combustible para producirlos. Del mismo modo los procesos industriales consumen gran cantidad de agua para enfriar, lavar, etc. Por lo tanto, la planta debe de ubicarse en un lugar donde pueda disponer de una fuente confiable de agua. Eliminación de efluentes o residuos: dado que el proyecto seguirá una línea de medidas de mitigación a fin de cumplir con las normas relacionadas al medio ambiente correspondientes no generaran efectos negativos significativos para el entorno.
CUSCO Materia prima: en este caso consideramos a la empresa Cachimayo para proveedor de amoniaco Disponibilidad de potencia y combustibles: los precios ofrecidos serán mucho más cómodos a diferencia de la costa Eliminación de efluentes o residuos: en el análisis se presentan ciertos aspectos ambientales asociados a este tipo de emprendimiento, siendo estos las emisiones a la atmosfera, gestiones de emisiones liquidas, gestión de residuos sólidos, manejo de sustancias peligrosas, generación de empleos, etc. Mano de obra: al igual que Cañete en cusco también se cuenta el instituto SENATI y la Universidad Nacional de San Antoni de Abad. De los cuales se contarán con profesionales capacitados. Asimismo, capacitar a las personas aledañas.
Posición geográfica: se encuentra en la parte central sur lo que permite la fácil exportación a Arequipa Tacna, etc. Así también la carretera transoceánica nos permitirá exportar hacia Brasil (rio de janeiro). Servicios básicos: anteriormente se mencionó que la localización de la planta debe de hacer en un lugar donde hay una cantidad confiable de agua. Para ello se cuenta con el rio Urubamba el cual pasa por Quillabamba o Cusco, como el caso del rio Huatanay.
Método ranking CUSCO
FACTORES
CAÑETE
D. Materia Prima
PESO 0.25
Cercanía al mercado
0.15
8
1.2
7
1.05
D. potencia y comb.
0.1
5
0.5
4
0.4
Mano de Obra
0.1
7
0.7
5
0.5
Posición Geográfica
0.15
7
1.05
8
1.2
Elim. de efluentes servicios básicos
0.15 0.1
7 7
1.05 0.7
7 7
1.05 0.7
1
CALIFICACION PONDERACION CALIFICACION PONDERACION 8 2 6 1.5
7.2
6.4
De acuerdo a los resultados entonces sería conveniente e que la localización de la planta sea el Cusco por haber obtenido mayor puntaje
PLANTEAMIENTO ()
+
()
()
+
() +
+
()
()
+
Para una tonelada de HNO3 138mol/gr NO2 --------126 mol /gr HNO3 X ---------------------------1000 kg HNO3 X=1095.24 kg NO2
92 mol/gr NO2 --------- 60 mol /gr NO 1095.24 kg NO2 -------- y Y=714.287 kg de NO
34 mol/gr NH3 ---------- 60 mol /gr NO Z
---------------- 714.287 kg de NO
Z= 404.76 KG de NH3
Ranking por factores por costos (Por característica de costo sería cuzco) Zona cañete cuzco requerimiento unidad Cantida Cu cp Cu cp d NH3
tm
0.404
500
202
390
157.56
H20
tm
0.7
110
77
160
112
costo obra de mano de Energía
Hr-hb
0.825
110
90.75
130
107.25
KW-hr
15
12
180
10
150
Agua
M3
15
10
150
8
120
Transporte
km
10
88
880
50
500
Costo TOTAL
S/
1579.75
1146.81
PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO Descripción Introductoria El método que se utilizará para la producción del ácido nítrico es el proceso Ostwald. Este se lleva a cabo en tres pasos: 1) Oxidación de amoniaco con aire en exceso en presencia de un catalizador de platino, obteniendo monóxido de nitrógeno. 2) Oxidación del monóxido de nitrógeno a dióxido de nitrógeno 3) Absorción del gas en agua dando como resultado el ácido nítrico.
DIAGRAMA DE BLOQUES AIRE
AMONIACO
COMBUSTION CATALITICA
NO
AIRE
OXIDACION
AGUA
NO2
ADSORCION
ACIDO NITRICO
Gas de cola
Aire
Amoniaco
Compresor de dos fases
Vaporizador de amoniaco
Gas de cola
mezclador
reactor
Súper calentador de vapor
Recuperador de calor
Gas de cola
Filtro de platino
Precalentador de gas de cola
Enfriador primario
Tanque de oxidación
Enfriador secundario H2O
absorbedor gas de cola
bleacher
ESPECIFICACIONES Catalizador Está constituido por mallas muy finas de una aleación de platino/rodio (90/10) que se sitúan muy juntas una sobre la otra. En la partida de la planta, el catalizador tiene baja porosidad, por lo que la transferencia de masa es muy baja. Después de unos días de operación, el platino se vuelve más poroso y alcanza su máxima eficiencia. Posterior a esto, si se detecta una disminución de la conversión, se debe a la contaminación o pérdida de platino.
Equipos Filtros y Mezcladores Para obtener la mayor conversión posible de amoniaco en el catalizador y lograr una vida útil más larga de este, las materias primas deben ser purificadas y el aire debe estar muy limpio para evitar el envenenamiento del catalizador.
Filtro de aireG104 A/B:
Un filtro de múltiples etapas se utiliza en la toma de aire de la planta de ácido nítrico y debe elimina el 99,9% de todas las partículas mayores de 0,5 micrómetros. Es de plástico y fibra de vidrio. Sus marcos son de acero inoxidable. Estos filtros de aire deben ser sustituidos periódicamente debido a la posibilidad de desgarro al sobrecargarse, además de causar una caída de presión excesiva. La vida útil del filtro depende de la carga de partículas en el aire.
Filtro de amoniacoG101 A/B:
El filtro de amoníaco líquido elimina los contaminantes sólidos (pequeñas partículas de óxido); 99,9% de las partículas mayores de 3 micrómetros son eliminadas. La filtración elimina el 99,9% de las partículas de aceite y sólidos superiores a 0,5 micrómetros. Es de fibra de vidrio y cerámica. Se considera un filtro de amoniaco en paralelo debido a la rápida saturación provocada por las impurezas de los productos.
Mezclador L101: Se utiliza para la mezcla de amoniaco y aire previa a la oxidación catalítica. Excesos locales de amoníaco en el reactor son un riesgo para la seguridad de la planta (límite de explosión) y también puede causar el sobrecalentamiento del catalizador. Una mezcla deficiente, disminuye la conversión del amoníaco a monóxido de nitrógeno y aumenta la pérdida de platino de los catalizadores.
Compresores y Turbinas El equipo utilizado consiste en un compresor de aire de dos fases J104 y J105, una turbina de gas de cola y una turbina de vapor. Son utilizados para entregar y comprimir los gases y el suministro de la potencia de accionamiento necesaria para este fin. La turbina de gas de cola JT105puede proporcionar 35-100% de la energía de compresión necesaria para el proceso, dependiendo del grado de precalentamiento. El resto procede de la turbina de vapor JT104.
Intercambiadores de Calor Al inicio del proceso se utiliza un intercambiador de tubo y coraza para la evaporación del amoniaco, utilizando agua, la cual es a su vez se enfría. Luego de la reacción exotérmica del reactor, los gases calientes se enfrían en un tren de intercambio de calor, donde se utiliza la energía liberada para calentar otros gases del proceso. Los intercambiadores de calor de esta zona también son de tubo y coraza, pasando siempre el gas de reacción por los tubos. Es importante mantener lo más bajo posible la caída de presión para asegurar un balance energético favorable para la planta en su conjunto.
Reactor R101 Este reactor es de lecho fijo, utiliza un catalizador de platino/rodio, con el fin de oxidar el amoniaco rápidamente, a temperaturas los 950en [°C], con un se rendimiento que bordea el 95%. Además de la corriente decercanas amoniacoa (10,3% volumen) circula un flujo de aire previamente calentado.
Torre de absorciónE101 Es utilizada para la absorción de los óxidos de nitrógeno y la consecuente formación de ácido nítrico. Consiste en una columna con serpentines de enfriamiento en el interior, razón por la cual es de bandejas de platos y no de tipo empacada.
Bleacher E102 Consiste en una columna de stripping empacada que elimina los NOx contenidos en el ácido.
RESUMEN DE FUNCIONES DE LAS UNIDADES PRINCIPALES
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS
Se ha comentado con anterioridad que la materia prima, amoniaco, debe ser transportada desde proveedores extranjeros por vía marítima. Su recepción deberá hacerse en un terminal portuario y se deberá contar con una cañería de acero a través de la cual transferirá el amoniaco refrigerado desde el buque hasta los estanques de la planta. Debido a las propiedades físicas del amoniaco, se deberá cuidar que la cañería se encuentre aislada térmicamente durante todo el recorrido.
DIMENSIONES ESTIMADAS
