ES2242163T3 - Procedimiento de produccion de acido nitrico. - Google Patents
Procedimiento de produccion de acido nitrico.Info
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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} |
- 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.
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