Producción de Urea a Partir de Gas Natural

Ingeniería Química

Análisis y Síntesis de Procesos Químicos

INDICE Pág. I. ASPECTOS GENERALES: 1.1.- Resumen Ejecutivo ……………………………………...................................…3 problema………………....………………………………..…. ………………………..….....3 1.2.- Formulación del problema………………....……… Objetivos…………………………………….........……………………………. ........…………………………….......3 1.3.- Objetivos…………………………………….

1.3.1. Objetivo gen eral……………………….……………….............................3 1.3.2. Objetivos específicos……………………........………… específicos……………………........………………………. …………….......4

1.4.- Justificación…………………………………………………………………… ......4 Limitaciones……………………… ……………………….......……………..…… ……….......……………..…….....5 1.5.- Alcances y Limitaciones………

1.5.1. Viabilidad………………………………………….....................................5 1.5.2. Lugar…………………………………… Lugar…………………………………………………............. ……………...............................6 1.5.3. Tiempo………………………………… Tiempo………………………………………………............. ……………................................7 1.5.4. Financiación…………………… Financiación…………………………………………………… ………………………………….. …....…..….8

II. CUERPO DEL INFORME.INFORME.Introducción……………………………...………………………………….……...9 …………………………….……...9 2.1.- Introducción……………………………...…… Antecedentes…………………………………..…............ …..…...........................................10 2.2.- Antecedentes……………………………… Requerimientos………………………………… ……………………............. …..........................................11 2.3.- Requerimientos……………… equerimientos Técnicos……………………….... Técnicos………………………..................................11 2.3.1. Requerimientos 2.3.2. Requerimientos Económicos……………… ........................................22 2.3.3. Requerimientos Requerimientos Ambientales……………… Ambientales……………………………….… ……………….…...............23

2.3.4. Tratamiento de ef luentes…………………………………..……. ............24 2.4.- Definición conceptual del Proceso………………… .………………..…...….....26 2.4.1. Operaciones Operaciones Unitarias Principales………………………… Principales…………………………..................26 2.4.2. Fortalezas y Debilidades Debilidades Ambientales……………………….…...........26 Recuperación de Subproductos………………………………… Subproductos…………………………………...........27 2.4.3. Recuperación 2.4.4. Confinamiento Confinamiento de desechos………………………………..…. desechos………………………………..…..............27 Técnico del Proceso……………………………. Proceso…………………………….......... .............................27 2.5.- Análisis Técnico

2.5.1. Diagramas de Proce Proce so PBD y PFD……………………….................27 Diagrama de flujo f lujo BFD ………………….. ........................28 2.5.1.1.- Diagrama

2.5.1.2.- Diagrama de flujo PFD…………………...... .....................29 2.5.2. Tablas de balance técnico, de materia y Energía………………........29

Espinoza zorrilla ever angel

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2.6.- Fundamentos del Proceso…………………………………………….................30 2.6.1. Reacciones químicas principales……………………………. .................30 2.6.2. Antecedentes Antecedente s termodinámicos……….……………………….. termodinámico s……….………………………..... ... ...........36 f lujos………………...............40 ……………...............40 2.7.- Estructura de reciclo y purgas del diagrama de flujos…

2.8.- Estructura General del Sistema de separa ción……………………..................41 2.9.- Red de intercambiadores de calor (análisis Pinch para integración energética)…………….................................................................................43

2.10.- Resultados de Análisis de las Etapas P rincipales……………………............44 2.10.2. Criterios de escalamiento………………………………… escalamiento…………………………………….................45 ….................45 Cálculos……………………………….................46 .................46 2.11.-Memoria de Análisis y Cálculos……………………………… Comentario y Conclusiones……………… Conclusiones………………………………………….................59 ………………………….................59 2.12.- Comentario Bibliografía…………………………………………………..…………… ……………..……………............60 ............60 2.14.- Bibliografía……………………………………

2.15.- Anexos...........................................................................................................60


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Análisis Y Diseño Diseño de una Planta Industrial Industrial del Proceso de Producción de Urea Urea a Partir de Gas Natural I. ASPECTOS GENERALES GENERALES Resumen Ejecutivo: El presente perfil de diseño nos da a conocer el proceso de obtención de urea, partiendo como materia prima el gas natural proveniente de la planta de fraccionamiento de pisco, el presente perfil de diseño contiene: 

Balance de materia materia del Proceso de de 550.251 ton de gas natural por día se obtendrá 1750.090 ton de urea por día.



Análisis Pinch del del proceso aprovechando aprovechando la energía a utilizar utilizar sin desperdiciar desperdiciar energía.



Diagrama de procesos y de bloques.



Características del del producto y de la materia materia prima prima a utilizar. utilizar.



Características principales principales de los equipos equipos y procesos a realizarse realizarse en la obtención de urea.

1.1 FORMULACION DEL PROBLEMA 

¿Es posible desarrollar el análisis del proceso para obtener urea utilizando como materia prima el gas natural?



¿Qué tipo de tecnología tecnología se utilizara utilizara para el análisis análisis y diseño de obtención de urea utilizando como materia materia prima el gas gas natural?



¿Cómo se aplicara los conocimientos adquiridos para analizar y comprender el proceso de obtención de urea utilizando como materia prima el gas natural?



¿Qué parámetros de calidad ambiental debe cumplir el proceso de obtención de la urea utilizando como materia prima el gas natural?



¿La urea como producto producto cumple cumple con las normas técnicas técnicas peruanas peruanas para su comercialización?



¿Qué conocimientos y experiencias se alcanzarán al finalizar dicho trabajo?

1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL 

Elaborar Elaborar una propuesta de diseño de

una planta

industrial para la

producción de urea a partir de gas natural. Espinoza zorrilla ever angel

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1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Buscar la información información existente existente para analizar los diferentes tipos de tecnología para obtener Urea a partir del del gas natural y aplicar aplicar la tecnología adecuada para realizar un buen proceso.



Analizar, evaluar y entender las etapas etapas del proceso de producción de urea a partir del gas natural, determinando sus ventajas y desventajas.



Estudiar los efectos sobre el medio ambiente de la producción industrial de urea y analizar los métodos preventivos y correctivos correspondientes.



Adquirir nuevos conocimientos conocimientos que nos integre como profesionales profesionales en el desarrollo de este proyecto para desempeñar como futuros ingeniero químico en el campo competitivo.

1.3 JUSTIFICACION: El ingeniero debe tener la habilidad para aplicar sus conocimientos a situaciones prácticas con el propósito de lograr productos y sub productos terminados que sean benéficos para la sociedad. Sin embargo, al hacer estas aplicaciones, el ingeniero químico debe admitir las implicancias económicas y ambientales con el fin de lograr un impacto ambiental negativo. El sustento legal del presente perfil de diseño se basa en la ley Nº 29163 y LEY Nº 26221. Con la aprobación del reglamento de la ley Nº 29163, ley de promoción para el desarrollo de la industria petroquímica, se promueve el desarrollo de la petroquímica, el cual establece normas para el desarrollo de las actividades petroquímicas, petroquímicas, a partir de los componentes del gas natural, el articulo 1º prioriza prioriza la producción producción de urea y fertilizantes bajo criterio criterio de responsabilidad socio-ambiental. En la actualidad con la explotación del gas de camisea es necesario elaborar un proyecto para la instalación de una planta productora de urea como una forma de aprovechamiento de dichas fuentes de gas natural y así disminuir las importaciones relacionadas relacionadas a este producto.[3] Espinoza zorrilla ever angel

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Dado que el estado con la ley

Nº 29163 y La ley orgánica de

hidrocarburos (LEY Nº 26221) que norma las actividades de hidrocarburos hidrocarburos en el territorio nacional, el estado promueve al desarrollo de las actividades de hidrocarburos. Con el apoyo de estas normas legales mencionadas se podrá realizar con más énfasis esta propuesta de rediseño.[2]

Actualmente en el Perú no existen industrias dedicadas a la elaboración elaboración de amoniaco a partir del gas natural y por ende ninguno de sus derivados como por ejemplo fertilizantes (urea), los cuales son importados de diferentes partes de Latinoamérica como México, Brasil, Argentina, etc. Teniendo en cuenta que el gas natural es menos contaminante que los combustibles sólidos y líquidos. Por un lado, como cualquier otro combustible gaseoso, no genera partículas sólidas en los gases de la combustión, produce menos CO2 (reduciendo así el efecto invernadero), menos impurezas, como por ejemplo azufre (disminuye la lluvia ácida), además de no generar humos y es el mas limpio de los combustibles [1] Para lo cual es necesaria la elaboración de

un proyecto pro yecto para la

instalación de una planta productora de amoniaco y derivados (fertilizantes urea). http://]www.minem.gob.pe/ Fuente: [1] http://]www.minem.gob.pe/ [2] http://www.perupetro.com.pe/le http://www.perupetro.com.pe/legal02-s.asp#top gal02-s.asp#top

[3] http://www.elperuano.com.pe/

1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES LIMITACIONES 1.4.1. Viabilidad: El Perú cuenta con reservas de gas natural como el de Camisea en Cuzco, el cual es materia prima principal principal para la producción producción de urea a nivel industrial; así como camisea hay también reservas de gas natural en el Perú que existen en la actualidad, que se mencionan en la tabla Nº1 y en la tabla Nº2; al comparar estas tablas de reserva de gas natural del 2000 con el 2006, vemos que que hay materia prima para para nuestra propuesta de rediseño. La presencia de este tipo de reservas facilita la posibilidad de producir urea en nuestro propio país, lo cual favorece el presente perfil de proyecto. Espinoza zorrilla ever angel

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Tabla Nº 1: www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversi hivos/dgm/inversiones/confe_hor ones/confe_hora_ a_ gas.ppt[1 ] Fuente: www.minem.gob.pe/arc

Tabla Nº 2: www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversi hivos/dgm/inversiones/confe_hora_ ones/confe_hora_ gas Fuente: www.minem.gob.pe/arc gas.ppt

1.4.2. Lugar: El proyecto se pretende desarrollar en el Perú, ya que contamos con la materia prima Principal. El lugar que sugerimos para su instalación será en la ciudad de pisco ya que ahí esta la planta de fraccionamiento fraccionamiento del gas natural de la compañía Pluspetrol, operadora del Consorcio Camisea. http://www.universia.edu.pe/noticias/princ noticias/principales/destaca ipales/destacada.php?id=6 da.php?id=61446 1446 Fuente: http://www.universia.edu.pe/


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1.7.3. Tiempo: El tiempo de duración para la elaboración del perfil del proyecto será de 9 semanas según lo descrito en el Cronograma de actividades, según la tabla nº 04. PLAN DE TRABAJO

Cronograma De Actividades (Diagrama de Gantt) TITULO DEL PROYECTO: “Análisis

Y Diseño de una Planta Industrial del

al ” Proceso de Producción Producc ión de Urea a Partir de Gas Natur al

ACTIVIDAD PROGRAMADA

SEMANAS: Semestre académico 2008 - II 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Búsqueda bibliografía del tema del proyecto X X X X X X X Elaboración de una propuesta de proyecto X X Elaboración de diagrama de procesos X X X X Análisis de rendimiento de un proceso Análisis de grados de libertad Análisis de grado de reacciones químicas Análisis de un sistema de separación Diseño del Sistema de integración de energía del proceso Síntesis del proceso Asesoría metodológica X X Exposiciones de Avancé X X Presentación de borradores X X X X Presentación Espinoza zorrilla ever angel

X X X X

X X X X

X X

X X X X X

X

X

X X

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del informe final Tabla nº 03: Cronograma de actividades 1.7.4 Inversión y Financiamiento Financiamiento El costo del trabajo esta referido en la tabla nº 04.

Tabla Nº 4: Costo del trabajo (Aprox.)


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II. CUERPO DEL INFORME: 2.1. INTRODUCCION INTRODUCCION El presente informe tiene como como finalidad Elaborar Elaborar una propuesta propuesta de rediseño de una planta industrial para la producción de Urea a partir del gas natural, para lo cual debemos previamente analizar y comprender comprender los procesos tradicionales de producción de amoniaco y CO 2 a partir de gas natural como también las tecnologías nuevas utilizadas en la síntesis del amoniaco y CO 2,para producir urea como producto principal así mismo, debemos estudiar los efectos sobre el medio ambiente de la producción industrial de amoniaco y analizar los métodos de prevención correspondientes, todo esto posibles gracias a nuestros conocimientos básicos de materias científicas tales como cinética química y diseño de reactores, fenómenos de transporte, cálculos numéricos, termodinámica, termodinámica, transferencia de masa y calor, etc., así como programas de simulación computarizados que nos ayudan a resolver problemas matemáticos con facilidad. Las razón por las cual se elaboró el presente informe es porque actualmente en el Perú no existen industrias dedicadas a la elaboración de urea debido a que no se contaba con grandes fuentes de gas natural el cual es la materia prima mas utilizada para la producción producción de este. Para desarrollar desarrollar una industria de producción producción de fertilizantes como lo es la urea se tiene la disponibilidad de materias primas, una buena ubicación geográfica para desarrollar la planta en cuestión y el acceso a mercados de alto crecimiento. En la actualidad con la e xplotación xplotación del gas de camisea camisea e s necesario elaborar un perfil de diseño para la instalación de una planta productora de urea como una forma de aprovechamiento aprovechamiento de dichas fuentes f uentes de gas natural. natural. La urea, cuya formula química es (NH 2)2CO, ha pasado a ser la principal forma de fertilizante en el mundo; puede ser elaborado haciendo lo reaccionar con Dióxido de Carbono (CO 2) y Amoniaco (NH 3) a alta temperatura y presión. Hoy en día es el fertilizante nitrogenado de uso más extendido y crecimiento más sostenido a nivel mundial, debido a que es el fertilizant f ertilizante e más eficiente en términos de costos para el suministro de nitrógeno el cuál es esencial en el metabolismo metabolismo de la planta. Por su alto contenido en nitrógeno es económico para producir.


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2.1 ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS: TITULO: Análisis Análisis Y Re-Diseño de una Planta Industrial Industrial del Proceso Proce so de Producción de Urea a Partir de Gas Natural Ubicación Geográfica Local ----------Cuzco

Ica

Nacional

Piura

Internacional

Temas relacionados

Observaciones -----------------------------------------------------------Proyecto del Gas Natural de Es la principal reserva de Camisea gas natural, localizado en . El desarrollo del proyecto contempla la región sur oriental del la producción de amoníaco con fines país, estimada en 10.94 industriales y el desarrollo de billones de pies cúbicos. fertilizantes nitrogenados. nitrogenados. .El grupo chileno Sigdo Koppers y el grupo peruano Brescia, acordaron invertir de manera conjunta en el desarrollo del primer proyecto petroquímico de amoniaco y nitrato de amonio en Perú; a iniciativa representa unos US$650 millones y su construcción culminaría durante el año 2011.

se abastecerá de gas natural proveniente de la planta de fraccionami f raccionamiento ento de pisco este proyecto de realizara en el departamento de ica

.Perú erigió su primera planta de Al no contar con suficiente suficiente amoniaco en Talara (Piura) en 1973, materia Prima (Gas aunque posteriormente. por Natural) se cerro la planta problemas de suministro de gas fue de Urea sacado de servicio en 1991

Fertinitro I. Venezuela Complejo de fertilizantes Fue un proyecto puesto en nitrogenados , que incluyen dos marcha el 27 de marzo de plantas de amoniaco con producción producción 1998 en el Complejo Complejo José diaria de 1.8 MTA y dos plantas de Antonio Anzoátegui Anzoátegui urea granular de producción diaria de 2.2 MTA Brasil


FAFEN - Fábrica de Fertilizantes Es la mayor productora de Nitrogenados. Es responsable del urea de Brasil, con una 64% de la producción nacional de capacidad instalada de 1 urea (principal producto de la unidad), millón 750 mil toneladas el fertilizante nitrogenado que más se por año. utiliza en el mundo.

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México

PEMEX Petroquímica Empresa que elabora, comercializa y distribuye productos petroquímicos petroquímicos selectos, en crecimiento continuo y maximizando su valor económico, con calidad, seguridad, respeto al medio ambiente

Argentina

PROFERTIL S.A La planta de Profertil, está diseñada para la producción de Urea, a partir de la combinación de amoníaco y anhídrido carbónico, en un reactor construido específicamente para resistir las condiciones de presión y temperatura.

Actualmente opera opera a un 25% de su capacidad Complejo cuenta con los siguientes complejos: Petroquímico Independencia, Independencia, el Complejo Petroquímica Cangrejera,etc Profertil visualiza al ambiente como un sistema complejo del que forma parte, y cuya influencia se extiende a las condiciones de vida de la sociedad en la que convergen y participan dinámicamente, dinámicamente, condiciones y funciones de los medios naturales e intereses sociales.

Tabla Nº 5. Fuente: http://www.pequiven.com/pqv_new/fertinitrosp. http://www.pequiven.com/pqv_n ew/fertinitrosp.php php http://www.profertil.com.ar/nuestros-productos.jsp http://www.sigdokoppers.cl/noticias/ http://www.sigdoko ppers.cl/noticias/noticias.htm noticias.htm https://www.ptq.pemex.com/portal/Pa https://www.ptq.pemex .com/portal/PagSubMenuVi gSubMenuVisita.aspx?IdMen sita.aspx?IdMenu=1&IdsMenu= u=1&IdsMenu=7 7 Tesis de la San Marcos “Estudio de prefactibildad de la producción de Urea” Verificar Fichas Bibliográficas en el anexo A-1

2.2 REQUERIMIENTOS: REQUERIMIENTOS: 2.2.1 Aspectos Técnicos: 2.2.1.1Aspectos Técnicos síntesis de amoniaco: Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. original. Las modificaciones modificaciones más importantes están relacionadas relacionadas con la fuente f uente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco.


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Tabla nº 06: Cuadro de comparaciones técnicas de procesos de producción de amoniaco. Fuente: http://www.textoscientificos.com/quimica/amoniac http://www.textoscientificos.com/qui mica/amoniaco/produccio o/produccion n http://www.patentesonline.com.v http://www.patentes online.com.ve/patente.pesq e/patente.pesquisar.do?pesquis uisar.do?pesquisa=conversion a=conversion%20de% %20de% 20oxido&inicio=40 20oxido&inici o=40 - 17k 17k – – 

Conclusiones: En base al análisis de la tabla nº 06, el proceso a analizar seria el de reformado con vapor con catalizador de oxido de hierro debido a su gran utilización a nivel mundial, su bajo costo de producción y su operación a condiciones seguras, además además de la basta información q hay acerca de él.


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2.2.1.2Aspectos Técnicos síntesis de amoniaco:

Tabla Nº 7. Cuadro de comparaciones técnicas de procesos de producción de urea. Fuente: www.ictp.csic.es/downloads/mem50ictp.pdf www.ictp.csic.es/downloads/mem 50ictp.pdf Tesis de la San Marcos “Estudio de prefactibildad de la producción de Urea”

Conclusiones: Por las ventajas que ofrece se empleará la tecnología argentina, argentina, como esta tecnología no tienen antecedentes en nuestro país, y menos aun, en su uso a escala industrial, la necesidad de instalar e implementar una planta de investigación investigación y desarrollo desarrollo pionero es prioritario. Ya que que éste otorgaría la información básica para establecer la factibilidad factibilid ad de de cualquier proyecto industrial en esta área, lo que demostraría demostraría que es posible y realizable la obtención del nuevo producto. Para darnos una idea de la probable dimensión de la planta a continuación continuación se detallará la disposición de la planta de producción producción de urea a realizar:


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Tabla Nº 8. Área del proyecto industrial Fuente: “Datos de autor y bibliografía”


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2.2.2 Análisis De Materia Prima Y Productos: a) materias primas: 

gas natural: El gas natural es un combustible de origen fósil que se extrae del subsuelo. Es más ligero que el aire y los expertos coinciden a la hora de calificarlo como la energía por excelencia del siglo XXI. Este combustible ocupa el tercer lugar en el ranking de fuentes de energía más utilizadas en el mundo y representa la quinta parte del consumo energético mundial. mundial. Se denomina gas natural a una mezcla de gases, cuyos componentes principales son hidrocarburos gaseosos, (en particular particu lar el metano que aparece en en una proporción superior al 70%). El gas natural se encuentra en la naturaleza en las llamadas “bolsas de gas “, bajo tierra, cubiertas por capas impermeables

que impiden su

salida al exterior. exterior. El gas natural natural se puede encontrar acompañando acompañando al crudo en pozos petrolíferos (gas natural asociado) o bien en yacimientos exclusivos de gas natural (gas natural no asociado). asociado). No existe una teoría rigurosa sobre su formación pero se puede puede asegurar que proviene de un proceso proceso análogo al de la formación del petróleo. petróleo.

FAMILIAS DE GASES. Cuando un gas es capaz de reaccionar con el oxígeno del aire de forma rápida y con desprendimiento desprendimiento de energía energía térmica térmica (proceso de combustión) se denomina gas combustible. Los combustibles gaseosos se clasifican en diferentes diferentes familias. La Norma española española UNE 60.002 60.002 clasifica clasific a los gases combustibles combustible s según un parámetro llamado índice de Wobbe, cociente entre el Poder Calorífico Superior y la raíz cuadrada de la densidad densidad relativa relativa del gas


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PRIMERA FAMILIA. Índice de de Wobbe comprendido comprendido entre 5.700 y 7.500

Kcal /m3(n).

Pertenecen a esta familia el gas manufacturado, manufacturado, el gas de coquería, y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe.

SEGUNDA FAMILIA. Índice de Wobbe

comprendido comprendido entre entre 9.680 y 13.850 13.850 Kcal/m3.

Pertenecen a esta familia los gases naturales

y las mezclas

hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe (aire propanado).

TERCERA FAMILIA. Índice de Wobbe comprendido comprendido entre 18.500 y 22.070 22.070 Kcal/m3. Pertenecen a esta familia familia los GLP (gases licuados licuados del petróleo), petróleo), propano, butano...

COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL. Más del 70 % del gas natural es METANO, al que acompañan otros hidrocarburos hidrocarburos saturados como el etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de otros gases. La composición del gas natural oscila según la procedencia del mismo MAR DEL

ARGENTINA

LIBIA

NORTE METANO

CH4

92%

91,2%

86,5%

ETANO

C2H6

3,5%

7,4%

12,4%

PROPANO

C3H8

0,7%

0,8%

0,3%

BUTANO

C4H10

0,3%

0,1%

----

3,5%

0,5%

0,8%

OTROS


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DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE. La Distribución y el transporte del gas natural desde los yacimientos hasta los puntos de consumo se realiza de dos formas:

1.

Mediante canalización de gas (Gasoductos) (Gasoductos )

2.

Mediante su transporte y almacenamiento en estado liquido.

Transporte Transport e y distribución distrib ución mediante canalizaciones canalizac iones de gas (GN). La distribución distribu ción del gas natural natural en estado gaseoso por tuberías se realiza a diferentes d iferentes presiones. 

Alta presión B: Presiones mayores de 16 Bares.



Alta presión A: Presiones comprendidas comprendidas entre 4 y 16 Bares.



Media presión presión B: Presiones comprendidas comprendidas entre 0,4 y 4 Bares.



Media presión presión A: Presiones Presiones comprendidas comprendidas entre 0,05 0,05 y 0,4 Bares.



Baja presión: presión: Presiones inferiores inferiores a 0,05 0,05 Bar.

Transporte de gas natural en estado líquido (GNL) 

Licuación del gas natural.



El GNL se transporta transport a y almacena en unas condiciones de presión y temperatura de – 163ºC (estado criogénico) para que los recipientes solo tengan que soportar la presión hidrostática. hidrostática.



Se conoce con el nombre nombre de estado criogénico aquel en el que se encuentra e ncuentra un fluido a muy baja temperatura.



El GNL se transforma transfo rma en gas en los vaporizadores vaporizadores alimentados por algún fluido caliente (agua, aire, vapor...).

FUENTE: http://www.dcgasextremadura.es/index.htm


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Ingeniería Química 


M. P. Principal: gas natural. 

concentración concentración de azufre menor a 10 ppm.



concentración concentración de metano no menor a 94% en volumen. (previamente fraccionad f raccionado). o). proveedor: planta de fraccionamiento de Pisco- Perú.





M. P. Secundaria: 

Dióxido de Carbono:

Propiedad Masa molecular molecular Gravedad específica Densidad crítica Concentración en el aire Estabilidad Líquido Sólido Constante de solubilidad de Henry Solubilidad en agua

Valor 44.01 1.53 a 21 oC 468 kg/m3 370,3 * 107 ppm Alta Presión < 415.8 kPa Temperatura < -78 oC 298.15 mol/ kg * bar 0.9 vol/vol a 20 oC

FUENTE: Libro química Orgánica General



Amoniaco:

El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula está compuesta por un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) y cuya fórmula química es NH3. El nombre de amoníaco deriva del nombre dado a 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.

Propiedades físico químicas del amoníaco: 

Gas incoloro en condiciones condiciones normales



Temperatura de solidificación –77,7ºC


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

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

Efectos tóxico tóxico s

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. 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 ultimo se utilizan esferas semirefrigeradas a presiones intermedias (4atm) y 0ºC estas esferas también tienen capacidades

intermedias

entre

los

almacenamientos

a

temperatura ambiente y los refrigerados. refrigerados. FUENTE:

Resumen de la tesis de Producción de Urea Urea – – UNMSM UNMSM Libro química Orgánica General



Aire atmosférico: 

Extraído de la atmósfera.



Micro filtrado, libre de impurezas y de agentes tóxicos.



Precalentado a 600 ºC en un horno de calefacción.


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b) productos: 

FUENTE:

Libro química Orgánica General 

FUENTE:

P. Principal: Urea Granulada.

P. Secundarios: 

N2 y H2, los cuales son separados y regresados al proceso de síntesis.



Recuperación Recuperac ión de NH 3



Recuperación Recuperac ión de CH 4

Manual del ingenier ingeniero o químico


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Ingeniería Química 


Agua de desecho: El agua que sale del proceso se dirige a la planta de tratamiento de agua, y el después de pasar por el tratamiento cumple los limites permisibles para ser desechado al desagüe

CARACTERISTICA

LIMITE PERMISIBLE

Aluminio

0.200

Arsénico

0.050

Bario

0.700

Cadmio

0.005

Cianuros

0.070

Cloro Residual Libre

0.20 - 1.50

Cloruros

250.000

Cobre

2.000

Cromo Total

0.050

Dureza total

500.000

Fenoles o compuestos fenolicos

0.300

fierro

0.300

Fluoruros

1.500

Benceno

10.000

Etil benceno

300.000

Tolueno

700.000

Xileno

500.000

Manganeso

0.150

Mercurio

0.001

Nitratos

10.000

Nitritos

1.000

Nitrógeno amoniacal

0.500

PH

6.5 - 8.5

FUENTE: Norma oficial NOM – – 127 – – SSA1 – – 1994, salud ambiental. Para uso de consumo Humano. Limites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización

2.2.3 Aspectos Aspectos Económicos: Perfil de Inversión Inversión Económica (%)


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Tabla Nº 9

2.2.4 Aspectos Ambientales Ambientales y Sociales En las plantas de producción de urea descritas aquí son de esperar impactos ambientales en los ámbitos aire, aguas, suelo, así como emisiones sonoras. Por regla general, sin embargo, existen para todas las instalaciones de este tipo procedimientos cuya aplicación permite limitar los daños.


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Tabla Nº 9.

Tabla Nº 10

2.2.5 Tratamiento de Efluentes:

2.2.5.1 Emisiones gaseosas: Depuración de gases con el proceso de condensación inerte antes de la salida de humos a la atmósfera. Espinoza zorrilla ever angel

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

En la torre de granulación y aire para recuperar la planta de urea y NH3. 

De reducción de polvo mediante la producción de nitrato de amonio granular en lugar de producto. 

Bolsa de filtración de aire cargado de polvo de puntos de transferencia, pantallas, máquinas de embolsado, etc., junto con un sistema de reciclaje de disolución para el proceso.

2.2.5.2 Líquido de las emisiones: Tratamiento de aguas residuales de proceso y de la recuperación recuperación de condensados de urea, CO2 y NH3. 

Mejora de la evaporación calentador, mejorando el separador de diseño para reducir al mínimo la urea arrastre. 

Suministro de suficiente capacidad de almacenamiento para la planta de inventario para atender la planta y alterar las condiciones de cierre. 

Provisión de tanques sumergidos para recoger plantas de lavado, etc. de los drenajes para reciclar a la sección de tratamiento de aguas residuales. 

El uso de sellos mecánicos para bombas.

2.2.6 SERVICION AUXILIARES:

SERVICIOS Energía AUXILIARES Agua


PROVEEDOR Edelnor Poso

DESTINO Toda la planta Tratamiento Tratami ento de Agua

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MATERIA PRIMA


Gas Natural

PRODUCTO PRINCIPAL (UREA)

Planta de Fraccionamiento (Pisco)

----------------------



Desulfurisador Desulfurisador y producción de Gas de síntesis



50% mercado nacional y 50% mercado internacional

PRODUCTO SECUNDARIO

----------------------

--------------------------

RESIDUOS O EFLUENTES

----------------------

Previo tratamiento

Tabla: Nº 10


Página - 25 -



2.3 DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE OPERACIONES Y PROCESOS: 2.3.1 Operaciones y Procesos Principales:

2.3.2 Fortalezas y Debilidades Ambientales

Tabla: Nº 12


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2.3.3 Recuperación De Subproductos: La recuperación de los subproductos se hace por medio de una separador, el cual separa parte del N2 y el H2 remanentes de la reacción de síntesis y los devuelve a la línea de proceso, la otra parte de los subproductos son enviados a un sistema de recuperación recuperación el cual seleccionará seleccionará los compuestos uno por uno, obteniéndose: 

N2 y H2, los cuales son son devueltos a la línea línea de proceso. proceso.



NH3, el cual es purificado y envasado para comercializarlo, comercializa rlo,

FUENTE: Manual del ingeni ingeniero ero Químico

2.5.4 Confinamiento De Deshechos: Deshechos: La fabricación de UREA es un proceso muy limpio no existen vertidos

líquidos. Los vapores de proceso son utilizados como fuente de energía calorífica para calentar calentar

otras corrientes corrientes principalmente principalmente las corrientes de

proceso luego de esto se condensan y regresan a los generadores de vapor.

2.4 ANÁLISIS TÉCNICO DEL PROCESO: 2.6.1 Diagramas del proceso, BFD Y PFD:


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A) BFD:

Gas Natural

2 H

Pre-Calentamiento

Desulfuracion

Gas Limpio

Aire Filtro

agua s i s e t n i S e d s a G

Deposito

Aceite

PreCalentamie nto

Reformador Primario

Generador de vapor de agua

Reformador Secundario

Cambio de Alta Temperatura

I. de calor

Cambio de Baja Temperatura

Separacion (G/L)

A 2 E O D C

Absorcion de CO2

Metanaciòn

Compresor

I. de calor

O 2 H

Vapor de agua

PreCalentamiento

Urea+ Carbamato+ aceite

l r e o d d a a z i d i l a l t a a S C

Tanque de equilibrio Tank flash

Reactor de Urea

Reactor de Sintesis

Mezcla

l r e o d d a a z d i l a a r t t n a C E

Torre de descomposicion Stripping

Condensador compresor

Gas de purga Separador

3 H N

compresor CO2 aceite Solución de Urea decantador

Concentracion De Urea


Granulacion De Urea

Gránulos de Urea

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2.5.-FUNDAMENTO 2.5.-FUNDAMENTO DEL PROCESO: 2.5.1 Fundamentos de la síntesis del amoniaco Reacciones químicas principales:

A)

Desulfuración:

- Reacciones en fase gaseosa: - Hidrogenación: Hidrogenació n:

R-SH + H2

RH + H2S

-r R-SH = K R-SH H2 - Adsorción:

H 2S + ZnO

H2O + ZnS

-r H2S = K H2S ZnO

B)

Reformador primario:

Estas reacciones se llevan a cabo en reactores y catalizados por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de H2. Reacciones fuertemente endotérmica. Reacciones en fase gaseosa: Para:

CH4 + H2O

CO + 3H2

ΔH = 206 kj/mol

r CH4 = -K1 CH4 H2O + K2 CO H23 G

Para:

= H – T* S

CH4 + 2H2O

CO2 + 4H2

ΔH = 166 kj/mol

r CH4 = -K1 CH4 H2O2 + K2 CO2 H24 G S = S


= H – T* S

productos - S reactivos

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C)


Reformador secun dario:

Tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

ΔH = -802 kj/mol

-r CH4 = K CH4 O22 D)

Etapa de con versión:

Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO2 por reacción con vapor de agua: CO + H2O ↔ CO2 + H2

ΔH = -41 kj/mol

r CH4 = - K1 CO2 H2+ K2 CO H2O G

= H – T* S

E) Etapa de elimin ación del CO2:

Seguidamente el CO 2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con Dienatolamina a contracorriente, luego regenerándose en la torre de desorcion. desorcion. Así se obtiene el CO2 que reaccionara reaccionara con NH3 para la la formación de la Urea F) Etapa de metanización:

Las trazas de CO (0,2%) y CO 2 (0,09%), que son peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en CH 4. Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300 ºC).


CO + 3H2

CH4 + H2O

CO2 + H2

CH4 + 2H2O

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G) Sín te si s de am o níac o :

N2 (g) + 3 H2 (g)

r NH 3

2 NH3 (g)

 N 2  H 2 3 / 2  K 1  NH 3 2 G

 K 2

 H

= -92.22 kJ/mol-1

 NH 3   H 2 3 / 2

= H – T* S

2.5.2 Fundamentos de la síntesis de la Urea: La reacción de síntesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar.) y el nivel térmico óptimo (190 ºC) en un reactor construido en acero inoxidable especial. La reacción se produce entre el amoníaco, el CO 2 y la solución reciclada de carbamato, proveniente de la etapa de absorción. Antes de ingresar al reactor, el CO 2 es comprimido hasta 200 atm, mediante un compresor eléctrico y el amoníaco hasta 145 atm. El NH 3 y el CO2 reaccionan rápida y exotérmicamente, en una primera etapa, para formar el carbamato, que luego se deshidrata a urea + agua. Esta reacción logra cerca del 100% en condiciones normales. Descom posic ión del carbamato.

No todo el Carbamato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La fracción que se descompone para formar Urea en relación a la cantidad total que ingresa al reactor se denomina conversión. La conversión de Carbamato en Urea en el reactor está en el orden de 70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbamato que se forman, sólo 70 Kg. pasan a Urea. El resto debe reciclarse permanentemente permanentemente y en forma continúa al reactor para lograr una conversión total. Como habíamos visto, el carbamato se forma mucho más rápido que la urea. Al ser altamente corrosivo, su manejo es muy difícil. Por ésta razón, lo que se hace es degradarlo nuevamente a NH 3 y CO2 para luego volver a formarlo.


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La reacción de descomposición: descomposición: NH2 – COONH4 (l (l)

2NH3 (g) + CO2 (g)

Se logra de dos formas: 1.

Bajando la presión y temperatura, temperatu ra, se desplaza el equilibrio hacia los

reactivos. Luego la mezcla gaseosa se vuelve a comprimir causando su recombinación. Si hay amoníaco en exceso, este se separa en forma gaseosa de la solución de carbamato. Para disminuir los costos totales de la recompresión, esta se realiza en dos etapas. 2.

La otra forma es mediante el stripping del amoníaco, amoníaco, desplazando desplazando la

reacción hacia productos. Al bajar la presión parcial del reactivo, el sistema evoluciona hacia su equilibrio degradando el carbamato. Esta forma tiene la ventaja de poder hacerse a la presión de síntesis, lo que reduce el costo de recompresión.

B .-Sínt es is de ur ea.

El carbamato se deshidrata a urea mediante:

1.-Concentración La corriente de Urea y agua obtenida en las etapas de Descomposición, la cual contiene aproximadamente 70% de Urea, es concentrada al 80% en un concentrador de vacío mediante la aplicación de calor externo utilizando vapor de agua. Esta corriente se denomina Urea de Sintesis, y es bombeada hacia la unidad de Evaporación.

2.-Evaporación La corriente proveniente del Concentrador se sigue concentrado en dos etapas de Evaporación, la primera de Espinoza zorrilla ever angel

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ellas (se concentra hasta 95 %) operando a 0.3 Kg/cm2 absolutos y la segunda (se concentra hasta 99.8 %) a muy alto vacío, para lograr la evaporación del agua sin descomponer térmicamente la Urea. Un equipo clave de esta etapa es un eyector de importantes dimensiones que permite lograr los niveles de vacío requeridos. requeridos. Se obtiene de este modo una corriente de Urea fundida a 132 °C con muy bajo contenido de agua, del orden de 0.5%. Esta corriente es enviada a la Torre de Prilling para la formación de perlas de Urea.

3.-Granulación Luego se pasa al perlado de Urea (formación de pequeñas perlas del orden de 2 – 4 mm de diámetro) se realiza en la Torre de Perlado (Torre de Prilling).

C.-Reaccio C.-Reaccio nes Químic as Princ ipales en la pro du cc ión de urea



Análisis de las reacciones químicas qu ímicas Las reacciones químicas que se llevan en el proceso son: 2NH3 (l) + CO2 (l)

NH2

COONH4 (l)


NH2 NH2

COONH4 (l) CO

NH2 (l) + H2O (l)

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Ecuación Estequiometria: Estequiometria: 2A + B

C

Cinética de Reacción: 2A + B

 B A2 r C  K 1 C 

C

 K 2

C   A2

El equilibrio de la reacción 1 dependen, en gran medida a la presión y la temperatura, los cambios de volumen debido a que las grandes Tener lugar. Esta reacción sólo puede ocurrir a una presión que está por debajo de la presión de carbamato de amonio. En la que comienza la disociación o, por el contrario, la presión de funcionamiento funcionamiento del reactor reactor se debe mantener mantener por encima encima de La presión de vapor de carbamato de amonio. 

Tipo de reactor El tipo de reactor que se utilizara en la producción de urea a partir de amoniaco amoniaco es un REACTOR

CSTR; ya que en será con

agitación, ya que todos los puntos en reactor tendrán la misma concentración. concentración. Y porque la reacción se realiza en fase liquida



Efectos de las las condiciones de operación del reactor Los efectos que se dan en el rendimiento del reactor radican en las variables operacionales; siendo estas la temperatura, presión y concentración.


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La producción de la Urea se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 – 190 ºC y 160 Kgf/cm 2 absoluta, una relación N/C de 3,6 – 3,8 con un tiempo de de residencia de alrededor de 45 minutos minutos y un grado de conversión (en un paso) del 50 – 60 %. Esta operación combina la formación de carbamato (exot., rápida) en su parte inferior, por la alimentación de CO 2 y NH3 y la descomposición del carbamato en urea (mucho más lenta y endotérmica). 

Tamaño del reactor C A = C A0(1-X A) SI : X A = 55 % Por ser CSTR: V

=

X A

F AO

- r A

V = 0.55 * F AO - r A

2.5.3-Antecedentes Termodinám T ermodinámicos icos:

La reacción entre el gas del nitrógeno y el gas de hidrógeno para producir el gas del amoníaco es exotérmica, es exotérmica, lanzando lanzando 92.4kJ/mol de la energía en 298K (25oC). N2 (g) + 3 H2 (g) Calculando la

2 NH3 (g)

G: G


= H – T. S

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Por Principio de Le Chetalier: 

el aumento de la presión hace la posición del equilibrio moverse a la derecha dando por resultado un porcentaje más alto del amoníaco puesto que hay más moléculas del gas en el lado de la mano izquierda de la ecuación (4 en total) que allí está en el lado derecho de la ecuación (2). El aumento de la presión significa que el sistema ajusta para reducir el efecto del cambio, es decir, para reducir la presión teniendo pocas moléculas moléculas del gas.



disminuir la temperatura hace la posición del equilibrio moverse a la derecha dando por resultado una producción más alta de amoníaco puesto que la reacción es exotérmica (calor de los lanzamientos). La reducción de la temperatura significa que el sistema ajustará para reducir al mínimo el efecto del cambio, es decir, producirá más calor puesto que la energía es un producto de la reacción, y por lo tanto producirá más gas del amoníaco también Sin embargo, el índice de la reacción en temperaturas más bajas es extremadamente lento, así que una temperatura más alta se debe utilizar para acelerar la reacción que da lugar a una producción producción más baja de amoníaco.

Mientras que la temperatura aumenta, la constante de equilibrio disminuye mientras que la producción de amoníaco disminuye.



Temperatura (oC) 25 200 300 400 500

Keq 6.4 x 102 4.4 x 10-1 4.3 x 10-3 1.6 x 10-4 1.5 x 10-5

Se aumenta la temperatura significa que más moléculas el reactivo tienen suficiente energía para superar la barrera de la energía a reaccionar (energía de activación) así que la reacción es más rápida en temperaturas más altas (solamente la producción de amoníaco más bajo según lo discutido arriba). Una gama de temperaturas de 400-500oC es un compromiso diseñado para alcanzar una producción aceptable del amoníaco (10-20%) dentro de un período aceptable.


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En 200oC y las presiones sobre 750atm hay una conversión casi 100% de reactivo al producto del amoníaco. Puesto que hay dificultades asociadas a contener cantidades más grandes de materiales en esta alta presión, presiones más bajas de alrededor 200 atmósferas se utilizan u tilizan industrialmente. Usando una presión alrededor de 200atm y una temperatura alrededor de 500oC, la producción de amoníaco es 10-20%, mientras que los costes y las preocupaciones preocupaciones de seguridad seguridad en biulding y durante la operación de la planta se reducen al mínimo

Durante la producción industrial del amoníaco, la reacción nunca alcanza equilibrio mientras que la mezcla del gas que sale del reactor se refresca para licuefactarse y para quitar el amoníaco.


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2.5.4 Mecanismo de Regeneración de Reactivos: Reactivos: 2.5.4.1Reactivo 2.5.4.1Reactivo a Regenerar Dietanolamina: Dietanolamina: La solución de DEA RICA proveniente proveniente del fondo de la torre absorbedora y el separador separador de gas combustible se alimenta al tanque de desorción (o de flasheo) con el fin de eliminar los hidrocarburos líquidos y parte de los gases ácidos retenidos por la DEA que por efecto de presión se encuentren disueltos en esta solución. La amina rica acumulada en el tanque de desorción, se envía por diferencia de presiones al Intercambiador de calor DEA RICA / DEA POBRE, donde se calienta por medio de contracorriente de DEA pobre procedente del Rehervidor de la torre regeneradora. regeneradora. Una vez precalentada, la Amina pasa al filtro de DEA RICA tipo cartucho, con la finalidad de eliminar los sólidos y partículas de sulfuro presentes en la solución de DEA, formados por el ensuciamiento de la Amina con el gas. Una vez filtrada la solución continúa hacia la torre regeneradora. La DEA rica procedente del filtro es alimentada al plato No. 3 de la torre regeneradora la cual consta de 20 platos de los cuales los 18 de la parte inferior son para efectuar la regeneración de la solución absorbente y en los dos restantes, fluye agua a contracorriente con los gases ácidos con el fin de llevar a cabo el lavado de éstos y evitar pérdidas de DEA por arrastre. El gas ácido saturado con agua sale del domo de la torre regeneradora hasta unos 49°c aproximadamente condensándose de esta manera los vapores de agua. Una corriente de inhibidor de corrosión es suministrada a la línea de alimentación del enfriador, con la finalidad de de minimizar la la corrosión en este equipo. equipo. La mezcla de ácidos-agua condensada, entran al acumulador de reflujo de la torre regeneradora donde se lleva a cabo la separación de esta mezcla, los gases ácidos son e enviados al quemador a control de presión al quemador y el agua acumulada en este recipiente, se retorna al plato superior de la torre regeneradora en forma de reflujo siendo utilizado para determinar y eliminar el calor de la parte superior de la columna, para que se condensen los compuestos más pesados. La solución de dietanolamina regenerada que sale por el fondo de la torre, entra al rehervidor que actúa como un plato más de la misma torre; la solución es enviada al Rehervidor con la finalidad de elevarle la temperatura produciéndose produciéndose de esta manera los vapores necesarios para el Agotamiento de los ácidos, los cuales salen por la parte superior del Rehervidor Rehervidor retornándose a la torre regeneradora donde a contracorriente son la solución solución de Amina Rica descendente la despojan de los gases ácidos. El tanque de balance actúa como tanque de carga para las bombas de inyección de dietanolamina. En este tanque se tiene una alimentación de gas combustible para mantener una presión interna constante y proporcionar una carga neta positiva a las bombas. La DEA POBRE, es Espinoza zorrilla ever angel

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succionado del tanque de balance por las bombas de Amina tipo reciprocante de tres pistones, con el fin de mandar la solución al domo de la torre absorbedora, la presión de descarga de las bombas es de 84.1 Kg/cm2. , en la descarga de las bombas se cuenta con un cartucho que sirve para inyectar agente antiespumante, que controle la formación de Espuma en la torre absorbedora.

2.6 Estructura de reactores, reactores, reciclo reciclo y purgas del diagrama diagrama de flujos. En el proceso de obtención de la producción de amoniaco se observaron las siguientes etapas principales:

Proceso de producción Recepción de materia prima

F

Preparación de la alimentación del reactor

reciclo

reactor

Preparación de la alimentación del separador

Separación Separación de d e productos R

P

separador

Donde: F: alimentación P: producto

Control ambiental

R: reciclado D: desecho D


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2.7 ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA DE SEPARACIÓN: 2.7.1 Sistema de separación de líquido – Gas El sistema de separación será indirecto ya que se utiliza material externo en la corriente del proceso. Esto sucede en la torre de absorción en la posible separación del CO2.

Método Algoritmico y Euristico

Nº componentes N

Nº subgrupos (N(n+1)/2)-N

Nª sub

Nº de posibles

problemas

secuencias

((N-1)N(N+1))/6

(2(N-1))!/ (2(N-1))!/ (N!(N1)!)

4

NC NSG NSP NS

6

10

5

=4 =6 =10 =5

Las corrientes se enumeran de acuerdo a la solubilidad con respecto ala dietanolamina el mas soluble es el CO2.

A = CO2 B = CO C = N2 D = H2

Vemos que nuestro problema es Hibrido es algoritmico y euristico los posibles arreglos que se pueden dar son los siguientes


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D

D

D, B

D, B, C

B

D, C

B

A, B, C, D

D, B, C

B, C

D, B, C

C

A, B, C, D

C

A, B, C, D

C

B

A

D

A

A

Vemos que los siguientes siguientes arreglos arreglo s no forma parte de nuestro problema asi que de los 6 arreglos mencionados escogemos uno de los 3 primeros para esto vemos las características fisicoquímicas de las sustancias.

D

D

D, B

D, B, C

D, C

B

D, A, B, C

B

D, B, C


D, B, C

C

D, A, B, C

C

D, A, B, C

C

A

B, C

B

A

D

A

Página - 42 -



2.9 Resultados de Análisis de las Etapas Principales: 2.9.1 Análisis Conceptual Básico: a)

Fuente: Libro Introducción a la química industrial - Página 422 b)

A B C D E

= = = = =

Amoniaco dióxido de Carbono Carbamato de amonio Urea H2O

Componentes Estado A

Liquido

B

Liquido

Lugar de donde Proviene Proviene del Reactor R - 290 de la síntesis del N2 y H2 Se forma como Sub- Producto en la síntesis del amoniaco y pasa por un proceso de absorción y desorcion para recuperarlo

C

Liquido

Se Forma en la Primera Reacción para luego descomponerse en agua y Urea

D

Liquido

Producto Principal de la Reacción

E

Liquido

Se Forma en la Reacción


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c)

2.9.3 Criterios de escalamiento: escalamiento: Predicción de tendencias


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2.10 Memoria Memoria de análisis análisis y cálculos: a. Reactor de conversión (R-230): Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO 2 por reacción con vapor de agua, esta reacción es exotérmica. Rx. Gral.:

CO + H2O ↔ CO2 + H2

ΔH = -41 kj/mol

1. Esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO a aprox. 400ºC con Fe3O4.Cr 2O3 como catalizador → 75% de la conversión. Definición De Variables: y CO2 = 0

y CO = 0 Cv

y

N2 = 0

TP:

y

H2 = 0

PP:

y

CH4 = 0

y

H2O = 1

V

16

HTS HTS

T F:

400 ºC

400ºC

TV:

R-230

PF:

PV:

F

CF

17

y

CO2

y

CO

y

N2

y

H2

y

CH4

y

H2O = 0


P

18

CP

y

CO2

y

CO

y

N2

y

H2

y

CH4

y

H2O

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P F : presión de de mezcla de alimentación. alimentación.

TF : temperatura de mezcla de alimentación, 400 º C. P V : presión de de vapor de agua. agua.

TV : temperatura de vapor de agua. salida del reactor. reactor. P P : presión de salida

TP : temperatura de salida del reactor. CF: y CO2 : CO2 de alimentación. y H2 : hidrógeno de alimentación. alimentación. y N2 : nitrógeno de alimentación. alimentación. y CO : CO de alimentación. alimentación. y CH4 : metano de alimentación. CV:

y H2O : vapor de agua.

CP: y CO2 : CO2 a la salida del reactor. y H2 :hidrógeno a la salida del reactor. y N2 : nitrógeno a la salida del reactor. y CO : CO a la salida del reactor. y CH4 : metano de a la salida del reactor. y H2O : vapor de agua a la salida del reactor. Para Todo i = 1,2,3,4,5,6. CO2 CO N2 H2 CH4 H2O

= = = = = =

1 2 3 4 5 6

2. Cálculo De Nº De Variables:

Nv = 3(nc+2)+Q+W = 3(6+2)+1 Nv = 25


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3. Análisis De Relacio Relacio nes Indep endien tes:

EQUIPO:__R-230__________

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1.Balance d materia 1.1. Balance global 1.2. Balance de componentes

1

mF+ mV = mP + r’ x w Y x mF + Y mV = Y *mP + Y xr’ x w

NC - 1

2. Balance de energía en ergía  E

2.1. B. E. Térmica

 (Cp.17 T .17  Cp.16 T .16  Qv)  (Cp.18 T .18 )   H Rx

1

T

1

 Rx. Química : CO + H 2O ↔ CO2 +

1

Tf = 400 ºC

2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico 3.2. R. E. Químico

H2

4. Relaciones explícitas Flujo Temperatura Presión

Composición

10

5. Relaciones implícitas Flujo Temperatura Presión Composición

6

En F(H2O = 0) ; En V(CO2, CO, H2, H2, N2, CH4 = 0)

NC + 19 Cálculo De Grados De Libertad:

GL = NV - NR Espinoza zorrilla ever angel

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GL = 25 – NC - 19 = 6 – 6 = 0 B) Horno de calefacción: 

El gas q sale del tanque de almacenamiento almacenamien to sale temperaturas temperatu ras muy bajas por haber estado el estado liquido por medio de licuefacción para su mejor manejo y almacenamiento; por tanto, es necesario calentarlo antes de pasarlo a la etapa de desulfuración, para esto se hace fluir por medio de un horno de calefacción con gas natural, elevándose la temperatura del gas hasta unos 400 ºC, que es necesario para llevar una mejor reacción de desulfuración, el hidrógeno adherido al gas reacciona con el azufre contenido en él para así luego ser adsorbido por un lecho catalítico.

1. Definición De Variables GAS GA S ES DE CO MBUS MBUS TION TION

Q-120

T G:

400 ºC

PG: T F:

5

PF: F= 529,192 TM/dia CF

yH y CH

4

Q

G CG

yH y CH 2

4

2

4

FUEL


TF : temperatura de mezcla de alimentación. de la mezcla a la la salida del horno. horno. P G : presión de

TG : temperatura de la mezcla a la salida del horno, 400 º CF:

alimentación. y CH4 : metano de alimentación. alimentación. y H2 : hidrógeno de alimentación.


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CG:


y CH4 : metano a la salida del horno. y H2 : hidrógeno a la salida del horno.

Para Todo i = 1,2. CO2 CO

= =

1 2

Cálculo De Nº De Variables: Nv = 2(nc+2)+Q+W = 2(2+2)+1 Nv = 9

An álisis De Relaciones Independ ientes:

EQUIPO:__Q-120_________

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1.Balance d materia 1.1. Balance global

1

1.2. Balance de componentes

mF = mG mF x Yi = mG x Yi

2. Balance de energía en ergía 2.1. B. E. Térmica

1

Hf *F *F – Hg*G + Q = 0

Flujo

2

F = G = 529.192 TM/Dia

Temperatura

1

TG = 400 ºC

2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico 3.2. R. E. Químico Qu ímico

4. Relaciones explícitas


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Presión

Composición

4

5. Relaciones implícitas Flujo Temperatura Presión Composición 9

Cálculo De Grados De Libertad: GL = NV - NR GL = 9 – (9) GL = 0 C) Reformador secundarios (R-230): El gas de salida del reformador reformador R-220 se mezcla con una una corriente de aire en este 2º equipo, de esta manera aportamos el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. CH4 + 2O 2

CO2 + 2H2O

En resumen, después de esta etapa la conversión del hidrocarburo hidrocarburo es de 99% aprox.


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1. Definición De Variables:

CP

T F:

800 ºC

PF:

y

CO2

y

CO

y

H2

y

CH4

R-220

F T A:

A

1000 ºC

PR:

11 600 ºC

R 14

PA: CA

T R:

Q

10

y

N2 = 0.79

y

O2 = 0.21

CR

y

CO2

y

CO

y

H2

y

CH4

y

N2

y

O2


TF : temperatura de mezcla de alimentación, 800 º C. P A : presión del aire.

TA : temperatura del aire, 600 ºC. P R : presión de salida salida del reactor. reactor.

TR : temperatura de salida del reactor. CF:

CA:

y CO2 : CO2 de alimentación. alimentación. y H2 : hidrógeno de alimentación. alimentación. y CO : CO de alimentación. alimentación. y CH4 : metano de alimentación.

y N2 : Nitrógeno de aire. y O2 : Oxigeno de aire.

CR: Espinoza zorrilla ever angel

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reformador. y CO2 : CO2 a la salida del reformador. reformado. y H2 : hidrógeno a la salida del reformado. reformado. y N2 : nitrógeno a la salida del reformado. reformado. y CO : CO a la salida del reformado. y CH4 : metano a la salida del reformado. y O2 : Oxigeno a la salida del reformador. Para Todo i = 1,2,3,4,5,6. CO2 CO N2 H2 CH4 N2 H2O

= = = = = =

1 2 3 4 5 6

Cálculo De Nº De Variables: Nv = 3(nc+2)+Q+W = 3(6+2)+1 Nv = 25 An álisis De Relaciones Independ ientes :

EQUIPO:__R-230___

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1.Balance d materia mF + mA = mR + x r’ x w 1.1. Balance global 1.2. Balance de componentes componentes

1 NC -1

Yi x mF + Yi mA = Yi *mR + Yi x r’ x w

2. Balance de energía en ergía 2.1. B. E. Térmica

1

HF + H A = HR + Q

1

 Rx Qca. , CH 4 +

2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico 3.2. R. E. Químico

2O2

CO2 + 2H2O

4. Relaciones explícitas Flujo Espinoza zorrilla ever angel

2

A = 1371.424 TM/Dia, TM/Dia, F = 2260.01 TM/Dia Página - 53 -



Temperatura

3

TF = 800 ºC, T A =600 ºC, T R = 1000 ºC

Presión En A: y N2 = 0.79 , y O2 = 0.21 Composición

6

5. Relaciones implícitas Flujo Temperatura Presión Composición

6

En R(O2 = 0) ; En A(CO 2, CO, CH4, H2 =0) , En F (N2, O2 = 0)

NC + 19

Cálculo De Grados De Libertad: GL = NV - NR GL = 3NC + 7 – NC-19 = 2 NC – 12 = 2*6-12 = 0

D) Reactor De De Síntesis Síntesis (R-290): (R-290): 

El comportamiento comportamiento del acero frente al hidrógeno hidrógeno a altas presión presión y temperatura temperatura es un factor determinante para la construcción de un horno de síntesis. El hierro a elevadas temperatura y presión es permeable al hidrógeno, que en estas condiciones es capaz de eliminar al carbono con formación de hidruros. Con esto el acero pierde resistencia y después de un cierto tiempo de funcionamiento el horno puede rajarse y explotar. Para impedirlo se construye el horno con hierro dulce pobre en carbono. Este apenas tiene resistencia a la presión y tampoco puede evitar que el H2 se difunda a través, pero estas dificultades pueden salvarse si se reviste este tubo con un segundo de acero al cromo-níquel, resistente a la presión y se procura simultáneamente que el hidrógeno que se difunda a través del primero se pueda eliminar del espacio entre ambos con facilidad y a baja presión.



condiciones termodinámicas termodinámicas de trabajo: 

temperatura media (500oC)



alta presión (250 atmósferas, 351kPa)



Rx. Exotérmica, con intercambio de calor.


Página - 54 -

Ingeniería Química 


un catalizador (un catalizador poroso del hierro preparado reduciendo la magnetita). N2 (g) + 3 H2 (g)

2 NH3 (g) ;

H = -92.22 kjmol

-1

Este reactor produce un amoníaco, NH3 (g), producción producción de aproximadamente aproximadamente 10-20%. 10 -20%.

TP: 500 ºC

1. Definición De Variables

PP:200 atm P Ent. Catalizador

32

3

R-280

2

CP

200 atm

3

=0

Q

2

CF

2

4

350-500ºC y NH yN yH y CH Ar y Ar

y NH yN yH y CH y Ar Ar

2

4

salida Catalizador

31

F T F: PF: 200 atm

FIG Nº 06. mezcla de alimentación, alimentación, 200atm. P F F : presión de mezcla

TF: temperatura de mezcla de alimentación. P s salida del reactor. reactor. s : presión de salida

Ts: temperatura de salida del reactor.

CF: alimentación = 0. y NH3 : amoniaco de alimentación y N2 : nitrógeno de alimentación. Espinoza zorrilla ever angel

Página - 55 -



alimentación. y H2 :hidrógeno de alimentación. alimentación. y CH4 :metano de alimentación. alimentación. y Ar : argón de alimentación.

CP: y NH3 : amoniaco producido. remanente. y N2 : nitrógeno remanente. y H2 : hidrógeno remanente. y CH4 : metano a la salida del reactor. salida del reactor y Ar : argón a la salida Para Todo i = 1, 2, 3, 4, 5. NH3 N2 H2 CH4 Ar

= = = = =

1 2 3 4 5

Calculo De Nº De Variables: Nv = 2(nc+2)+Q+W Nv = 2(5+2) +1= 15

An álisis De Relaciones Independ ientes:

EQUIPO:___R-280_________

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1

mF = mP + r’ x w

NC – 1

Yi x mF = Yi *mP + Yi x r’ x w

1

HF * F - HP * P + AH Rex = 0

1.Balance d materia 1.1. Balance global 1.2. Balance de componentes

2. Balance de energía en ergía 2.1. B. E. Térmica 2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico Espinoza zorrilla ever angel

Página - 56 -



3.2. R. E. Químico

1

 Rx. Qca.: N2 (g)

+ 3 H2 (g)

2 NH3 (g)

4. Relaciones explícitas Flujo

2

Fi = Pi = 5977.851 TM/dia , según tabla nº 07.

Temperatura Temperat ura

1

TP = 500 ºC

Presión

2

PP = PF = 200 atm

Composición Composic ión

1

Y NH3 = 0.25

5. Relaciones implícitas Flujo

0

Temperatura

0

Presión

0

Composición Composic ión

1

En F (NH3 = 0)

10

Cálculo De Grados De Libertad: GL = NV - NR GL = 15 – NC - 9 = 15 – 5 – 9 = 1 Análisis de Grado libertad del Reactor de urea R-290



F1 Y

CO2

Y

NH3

F3

Y UREA Y3H2O 3 Y CARBAMATO Y3 CO2 Y3 NH3

F2


Página - 57 -



NV=3(NC+2) +1= 3NC + 7

Relaciones Independientes Balance General Balance de Componente

Nº

Descripción

1

F1 + F2 + F3 = F4 + r’ x w

NC - 1 Yi xF1 +Yi x F2 +Yi x F3 =Yi x F4 + Yi x r’ x w

Balance de Energía B.E. calorica

1

B.E. Mecánica

0

 E T

 (Cp1T 1  Cp 2T 2  Qv)  (Cp3T 3  H ) Ri

Relación Equilibrio Tco. R.E.Fisico R.E.Químico

1 2

Relaciones Implícitas F P T C

0 0 0 4

Y3 CARB.= Y3NH3=Y3H2O = Y3CO2= 0

Relaciones Explícitas F P T C

2 2 2 3

P= 200 BAR T1=200 ºC Y1CO2 =Y2NH3 =Y3 UREA= 1


NH3 +CO2

UREA +AGUA

  

Página - 58 -



NC + 17

DOF=NV-NR DOF= 3NC + 7 -NC – 17 = 2 NC - 10= 2*(5) – 10= 0

2.11 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES Falto más información con respecto a la



producción de Urea ya que no se encontraron libros con respecto a reacciones sólidas. Se recomendaría estudiar mas afondo sobre la



naturaleza de las Reacciones de Descomposición. Es un proceso limpio a comparación con otros



combustibles como el petróleo, genera menos contaminación. contaminación. La producción de Urea de este fertilizante es muy



usado en el Perú y es de mucha utilidad utilidad para el uso agrónomo. La producción de Urea ayudara al progreso del



país.

2.12 COMENTARIOS 

El proceso de producción producción de Urea Urea a partir del Gas natural es un proceso proceso que toma tiempo y dedicación.



Las tecnologías modernas modernas se pueden pueden adaptar a nuestra nuestra realidad, como vimos todo esta en base al presupuesto que se cuente o al nivel que se quiera producir Urea.



Se ha adquirido de alguna manera conocimientos conocimient os sobre como es el análisis de un proceso productivo, comprendiendo comprendiendo los conceptos muy importantes.



El trabajo realizado realizado nos ayudara ayudara como base base para un posible posible proyecto de investigación a realizarse en el futuro.


Página - 59 -



2.13 BIBLIOGRAFÍA: BIBLIOGRAFÍA: 2.13.1Bibliografía General: 

PERRY, ROBERT H., GREEN, DON W. Manual del ingeniero químico. Ed. McGrawHill, 1999.  Principios de Operaciones Unitarias (segunda edición) Alan S. Foust, Leonard Leonard A. Wenzel, Curtis W. Clump, Clump, Louis Maus Bryce Andersen. Editorial continental S.A – S.A – México. México.

2.1.1. Bibliografía Específica: 

Facultad de Ingeniería Química, B. Universidad Autónoma de Puebla, Ciudad Universitaria C. P. 72570, Puebla, México.



UNIVERSIDADE DE VIGO. Departamento Departamento de Ingeniería Química – Química – España.



Tesis de la universidad San Marcos Producción De urea.

2.1.2. Bibliófilas Electrónicas: 

www.alche.com



www.es.espacenet.com



www.Rebanadas de la realidad.gov



http://]www.minem.gob.pe/



http://www.perupetro.com.pe/le http://www.perupetro.com.pe/legal02-s.asp#top gal02-s.asp#top



http://www.elperuano.com.pe/



www.minem.gob.pe/archivos/ www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversi dgm/inversiones/confe_hor ones/confe_hora_ a_ g as .p pt[1]



www.minem.gob.pe/archivos/ www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversi dgm/inversiones/confe_hor ones/confe_hora_ a_ g as .p pt



http://www.universia.edu.pe/no http://www.universia.edu.pe/noticias/princip ticias/principales/destacad ales/destacada.php?i a.php?i d=61446

   

http://www.pequiven.com/pqv_n http://www.pequiven.com/pqv_new/fertinitrosp. ew/fertinitrosp.php php http://www.profertil.com.ar/nuestros-pr http://www.profertil.com.ar/nuestros-productos.jsp oductos.jsp http://www.sigdokoppers.cl/notic http://www.sigdokoppers.cl/noticias/noticias.htm ias/noticias.htm https://www.ptq.pemex.com/portal/P https://www.ptq.pemex.com/portal/PagSubMenuVi agSubMenuVisita.aspx?IdM sita.aspx?IdM enu=1&IdsMenu=7  http://www.dcgasextremadura.es/index.htm


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Página - 62 -

Producción de Urea a Partir de Gas Natural

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