ES2242163T3 - Procedimiento de produccion de acido nitrico. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la producción de ácido nítrico de una concentración de 50 a 76% a partir de amoniaco y gas con contenido en oxígeno a presión según el procedimiento de una sola compresión o de dos compresiones, caracterizado porque u la expansión del gas residual se lleva a cabo en al menos dos etapas con la obtención de trabajo, u estando dispuesto entre dos etapas de expansión al menos un dispositivo para el calentamiento del gas residual relajado previamente a una temperatura superior a 450ºC, que usa el calor de escape procedente del proceso de producción de ácido nítrico.

Description

Procedimiento de producción de ácido nítrico.

La invención se refiere a un procedimiento especialmente rentable para la producción de ácido nítrico del 50 y al 76 por ciento aproximadamente, mediante la combustión de amoniaco con un gas con contenido en oxígeno, en especial aire, a presión, aprovechando al mismo tiempo el calor de reacción para la obtención de energía útil que se proporciona en forma de vapor o energía eléctrica.

La producción de ácido nítrico en una concentración comprendida en el intervalo del 50 al 76 por ciento se realiza habitualmente en instalaciones según el proceso de Ostwald, descritas, por ejemplo, en la publicación "Anorganische Stickstoffverbindungen" de Mundo/Weber, Carl Hanser Verlag Munich Viena 1982, una tirada aparte de "Winnacker/Küchler, Chemische Technologie, vol. 2; Anorganische Technologie I, 4ª edición", así como en el documento WO 01/68520 A1.

En este caso se distingue entre procedimientos de una sola compresión y de dos compresiones: En los procedimientos de una sola compresión primero se comprime el aire a una presión media (aproximadamente 5 bar) o alta (aproximadamente 12 bar), después se mezcla con amoniaco que se encuentra a presión y después la mezcla se quema catalíticamente. Tras el enfriamiento, el óxido de nitrógeno formado se provee de aire secundario comprimido y se absorbe en solución acuosa, formándose ácido nítrico. El gas que queda, denominado en lo sucesivo gas residual, se purifica, se relaja y se emite a la atmósfera.

En los procedimientos de dos compresiones se realiza otra compresión adicional después de la combustión catalítica y el enfriamiento siguiente, para poder hacer funcionar la absorción a una presión mayor que la combustión.

Tanto la compresión de una o más etapas del gas usado, generalmente aire, como también la relajación del gas residual se realizan habitualmente mediante turbocompresores o turboexpansores que trabajan todos con potencia acoplada, compensándose las frecuencias de giro diferentes mediante engranajes. Puesto que el trabajo obtenido en la relajación normalmente no es suficiente para el funcionamiento de la compresión, se requiere energía impulsora adicional.

Según el estado de la técnica, para proporcionar esta energía impulsora adicional se usa un impulso eléctrico o bien una turbina de vapor optimizada energéticamente, que se hace funcionar con partes del vapor que se obtiene durante el enfriamiento del gas rico en óxido de nitrógeno tras la combustión catalítica en dispositivos generadores de vapor. Este impulso auxiliar también se usa para iniciar el proceso, y los expertos lo consideran imprescindible.

El inconveniente es, sin embargo, el consumo de vapor de la turbina de vapor, que supone aproximadamente un tercio o la mitad de la producción total de vapor. Esto es válido especialmente cuando el vapor generado se puede usar para otro fin, por ejemplo en el marco de una instalación para la concentración de ácido nítrico o para la electrificación o para fines de calefacción u otros fines, si la instalación para la producción de ácido nítrico se encuentra dentro de un mayor complejo de instalaciones. Sin embargo, si se quiere prescindir de la turbina de vapor, la potencia del expansor del gas residual debe aumentar hasta tal punto que su potencia suministrada corresponda al consumo de potencia del compresor. Cuando se usa la tecnología correspondiente al estado de la técnica convencional, esto conduce a dificultades prácticamente insuperables.

El objetivo de la invención consiste, por lo tanto, en configurar una instalación de ácido nítrico de tal manera que se pueda suministrar más energía útil de alta calidad en forma de vapor de proceso o energía eléctrica a consumidores externos. Asimismo debe poderse prescindir del funcionamiento regular de una turbina de vapor y poner la cantidad de vapor ahorrada a disposición de otro uso, o bien el funcionamiento regular de la turbina de vapor debe servir esencialmente para la generación de corriente y no como impulso para el compresor. Además se debe crear una posibilidad para poder prescindir totalmente y de forma rentable de una turbina de vapor.

La invención alcanza el objetivo

\bullet llevando a cabo la expansión del gas residual en al menos dos etapas con la obtención de trabajo,

\bullet estando dispuesto entre dos etapas de expansión al menos un dispositivo para el calentamiento del gas residual relajado previamente a una temperatura superior a 450ºC, que usa el calor de escape procedente del proceso de producción de ácido nítrico.

Sorprendentemente se observó que el trabajo que se puede obtener así en los turboexpansores es el justo para impulsar el o los turbocompresores. Esto es sorprendente en cuanto a que la división de una etapa de expansión en varias etapas de expansión está relacionada forzosamente con una disminución del rendimiento térmico total de precisamente esta expansión, especialmente cuando se lleva a cabo todavía un calentamiento intermedio. Esto resulta de las leyes termodinámicas del proceso de la turbina de gas abierta, denominado en los sucesivo proceso de Joule, que se caracteriza por la disposición en serie de compresión adiabática, suministro de calor isobárico, relajación adiabática y evacuación de calor isobárica por expulsión de los gases de desecho.

El parámetro más importante en el proceso de Joule es el rendimiento térmico \eta, que en las máquinas térmicas relaciona la potencia P con la corriente térmica Q suministrada: \eta = P/Q. En el proceso de Joule ideal existe para el rendimiento térmico para un gas dado únicamente una dependencia de la relación entre la presión antes de la compresión y la de después de la compresión. Es válido: \eta = 1 - (p_{1}/p_{2})^{n} con n = 1 - 1/\kappa (\kappa = exponente isentrópico), p_{1} es la presión inicial y p_{2} la presión final. El rendimiento térmico es independiente de la cantidad de calor suministrada.

Sin embargo, si la expansión se divide en dos etapas y se suministra calor entre ellas, el rendimiento térmico total sólo puede disminuir. Si se observa un proceso termodinámico cíclico en el que entre las presiones p_{1} y p_{2} se ajusta una presión p_{m} a la cual se suministra una parte del calor, \eta = 1 - (p_{1}/p_{2})^{n} ya sólo es válido para la primera etapa de expansión, para la segunda etapa de expansión es válido \eta = 1 - (p_{1}/p_{m})^{n}, en la que p_{1}/p_{m} es mayor que p_{1}/p_{2}. Esta menor relación de presiones para la segunda etapa de expansión provoca, pues, un rendimiento térmico menor de la segunda etapa de expansión en comparación con la primera etapa de expansión. Por lo tanto, también es válido para cualquier suma que el rendimiento total tenga que disminuir. Lo mismo también es válido de forma análoga para cualquier expansión de varias etapas.

Puesto que el proceso de producción de ácido nítrico se puede representar aproximadamente mediante un proceso cíclico de este tipo - el suministro de calor se lleva a cabo en este caso mediante la liberación de la entalpía de la reacción, así como mediante sistemas de transferencia de calor - resulta para el experto que la división de la expansión en varias etapas con calentamiento intermedio en realidad debería conducir a una disminución del rendimiento térmico total y, con ello, también de la proporción del calor evacuable que se puede convertir en energía impulsora. Por lo tanto, existía el prejuicio de que mediante una expansión de varias etapas no se podía proporcionar en total más energía impulsora que mediante una expansión de una sola etapa.

Sin embargo, en el caso del proceso de producción de ácido nítrico se observó que la disminución del rendimiento del expansor por razones termodinámicas no presenta efectos sobre el rendimiento térmico total de la instalación. En comparación con una expansión de una sola etapa, una expansión de dos etapas presenta, a igual suministro de calor total al gas residual, una mayor temperatura del gas residual después de la última etapa de expansión, pero el calor de este gas residual se vuelve aprovechable en una instalación de ácido nítrico debido a esta mayor temperatura y se puede usar. De este modo, la disminución esperada del rendimiento total se sobrecompensa porque se vuelve aprovechable una proporción claramente mayor del calor de escape. Éste anteriormente había que emitirlo a la atmósfera porque se encontraba en un nivel de temperatura tan bajo que no era aprovechable económicamente.

Asimismo se observó que más allá del consumo propio de los impulsos para la compresión, las etapas de expansión también pueden generar exceso de energía mecánica si la temperatura a la que se introduce el gas residual en las etapas de expansión se ajusta a por encima de 450ºC, en especial en el intervalo de 500ºC y 600ºC. Resultó especialmente rentable una temperatura de 535ºC, siempre que el exceso de energía impulsora deba usarse para la generación de energía eléctrica. La temperatura óptima en cuanto a la rentabilidad, sin embargo, depende de diversas maneras de las condiciones presentes concretamente y ha de hallarse en cada caso individual. En particular, la energía mecánica también se puede usar, además de para la generación de corriente, para el impulso de una máquina frigorífica o de otros consumidores. Con la demanda específica de tales consumidores adicionales también se altera la temperatura necesaria de entrada de gas de las correspondientes etapas de expansión, pudiendo ser también diferentes las temperaturas de entrada de gas en las diferentes etapas de expansión.

En una configuración de la invención, la temperatura de entrada de gas de las etapas de expansión asciende, por lo tanto, a entre 500ºC y 600ºC, preferentemente a 535ºC, suministrándose energía impulsora a otros consumidores adicionales.

En otra configuración de la invención está previsto que con el exceso de energía impulsora se impulse un generador para la generación de energía eléctrica. Muy preferentemente se usa para ello un motogenerador que por su potencia también es capaz de realizar él solo la compresión al arrancar la instalación. De este modo resulta innecesario el uso de una turbina de vapor.

Si ya existe una turbina de vapor, por ejemplo en el caso de un reequipamiento de una instalación existente según el estado de la técnica convencional, también existe la posibilidad de usar la turbina de vapor adicionalmente para la generación de energía eléctrica y lograr de este modo un claro aumento de la producción de energía eléctrica.

La invención se ilustra a continuación mediante un ejemplo. En la Fig. 1 se muestra un diagrama de bloques del proceso de producción de una instalación para la generación de ácido nítrico al 68 por ciento según el procedimiento de dos compresiones, con los elementos fundamentales compresión, combustión, obtención de vapor, absorción y la expansión del gas residual de acuerdo con la invención, en este ejemplo en dos etapas, así como los dispositivos de transferencia de calor internos correspondientes y el aprovechamiento del exceso de energía. No se representan los dispositivos para la purificación del gas, la filtración, el ajuste fino de la temperatura, la regulación, así como el suministro de aire secundario o similares.

El aire 1 se comprime en la compresión previa 2, y una parte de él se quema como aire de combustión 3 en la combustión catalítica 4 junto con el amoniaco 5, generándose un gas 6 rico en NO que presenta una temperatura de aproximadamente 900ºC. Este gas 6 rico en NO primero se enfría ligeramente en el evaporador parcial/recalentador 7, el gas 8 rico en NO se aprovecha después en los intercambiadores de calor gas/gas 9 y 10 para calentar el gas residual (véase más adelante) y finalmente se enfría en el evaporador parcial/economizador 11. En el evaporador parcial/economizador 11 se genera primero a partir de agua de alimentación 14 una mezcla de agua/vapor 12, a partir de la cual se obtiene después el vapor 13 en el evaporador parcial/recalentador 7. El gas de NO 15 enfriado se recomprime en la compresión 16 de NO. El gas de NO 17 recomprimido se enfría en el intercambiador de calor gas/gas 18 y se transforma en ácido nítrico 20 en la absorción 19.

El gas residual 21, prácticamente exento de óxidos de nitrógeno, se calienta después a 535ºC en los intercambiadores de calor gas/gas 18, 22 y 10 y se introduce en la primera etapa de expansión 23, donde se relaja parcialmente a una presión adecuada suministrando energía impulsora. En este proceso se enfría el gas residual. El calor del gas residual 24 convertido en energía impulsora se sustituye después en el intercambiador de calor gas/gas 9, fluyendo el gas residual 25 calentado de nuevo a 535ºC a la segunda etapa de expansión 26, donde se relaja a presión ambiental suministrando energía impulsora. El gas residual 29 relajado se vuelve a enfriar en el intercambiador de calor gas/gas 22 y se emite a la atmósfera, pudiendo y debiéndose disponer naturalmente entre los pasos individuales diferentes medidas, no representadas aquí, para la purificación del gas.

Las etapas de compresión compresión previa 2 y compresión de NO 16, así como las etapas de expansión 23 y 26, se disponen preferentemente sobre un árbol motor 27, eventualmente también unidas entre sí con engranajes, poniendo este árbol motor 27 la energía impulsora obtenida en las etapas de expansión a disposición de las etapas de compresión. La disposición de las etapas de compresión y de expansión sobre este árbol motor 27 no está limitada a la de la representación elegida en la Fig. 1, sino que también se puede elegir de otra manera. El exceso de energía se conduce a un generador 28 que genera a partir de él energía eléctrica que, al igual que el vapor 13 generado, se puede suministrar a consumidores externos.

La siguiente tabla proporciona un resumen de las cantidades de energía individuales en el caso de un funcionamiento favorable sin obtención de energía eléctrica, en la que las cantidades de energía se refieren en cada caso a una tonelada de ácido nítrico producido (kWh por t de HNO_{3}) y los valores negativos indican energía consumida y los positivos, energía suministrada:

Instalación de ácido nítrico	Construcción convencional	Presente invención
1150 toneladas por día de HNO_{3} (100%)	Relajación de una sola etapa	Relajación de varias etapas
Entrada en el expansor	430ºC	535ºC
Trabajo de compresión	-386,1 kWh/t de HNO_{3}	-386,1 kWh/t de HNO_{3}
Trabajo de expansión	285,9 kWh/t de HNO_{3}	386,1 kWh/t de HNO_{3}
Impulso auxiliar	100,2 kWh/t de HNO_{3}	no procede
Exportación de energía	200 kWh/t de HNO_{3}	250 kWh/t de HNO_{3}

Lista de símbolos de referencia

1

aire

2

compresión previa

3

aire de combustión

4

combustión catalítica

5

amoniaco

6

gas rico en NO

7

evaporador parcial/recalentador

8

gas rico en NO

9

intercambiador de calor gas/gas

10

intercambiador de calor gas/gas

11

evaporador parcial/economizador

12

agua/vapor

13

vapor recalentado

14

agua de alimentación

15

gas de NO enfriado

16

compresión de NO

17

gas de NO recomprimido

18

intercambiador de calor gas/gas

19

absorción

20

ácido nítrico

21

gas residual

22

intercambiador de calor gas/gas

23

primera etapa de expansión

24

gas residual parcialmente relajado

25

gas residual calentado de nuevo

26

segunda etapa de expansión

27

árbol motor

28

generador

29

gas residual relajado

30

atmósfera.

Claims (4)

1. Procedimiento para la producción de ácido nítrico de una concentración de 50 a 76% a partir de amoniaco y gas con contenido en oxígeno a presión según el procedimiento de una sola compresión o de dos compresiones, caracterizado porque

\bullet la expansión del gas residual se lleva a cabo en al menos dos etapas con la obtención de trabajo,

\bullet estando dispuesto entre dos etapas de expansión al menos un dispositivo para el calentamiento del gas residual relajado previamente a una temperatura superior a 450ºC, que usa el calor de escape procedente del proceso de producción de ácido nítrico.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de entrada de gas de las etapas de expansión asciende a entre 500ºC y 600ºC, y preferentemente a 535ºC, y se suministra energía impulsora a otros consumidores.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque con el exceso de energía impulsora se impulsa un generador para la generación de energía eléctrica.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque se usa un motogenerador que por su potencia es capaz de realizar él solo el trabajo de compresión al arrancar de nuevo la instalación.