ES2397632A2 - Planta combinada - Google Patents

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Abstract

Se proporciona una planta combinada. La planta combinada suministra de forma continua hidrógeno y nitrógeno a una instalación de síntesis de amoniaco que sintetiza de forma continua amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno, incluyendo la planta combinada: una instalación de producción de hidrógeno para adquirir energía solar y producir hidrógeno utilizando una parte de la energía solar adquirida; una instalación de producción de nitrógeno para producir nitrógeno a partir de aire y suministrar el nitrógeno a la instalación de síntesis de amoniaco; y una instalación de almacenamiento de hidrógeno para almacenar el hidrógeno producido por la instalación de producción de hidrógeno y suministrar el hidrógeno producido a la instalación de síntesis de amoniaco.

Description

Planta combinada.
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere a una planta combinada.
TÉCNICA ANTERIOR
El calentamiento global durante los últimos años se está convirtiendo en un problema cada vez más grave. Se considera que la principal causa del mismo es la emisión a la atmósfera de dióxido de carbono (C02) o compuestos similares procedentes de combustibles fósiles, tal como el petróleo y el gas natural, que se han usado en grandes cantidades como fuente de energía durante el siglo XX.
Por otro lado, al aumentar la demanda de energía, el agotamiento de los combustibles fósiles, hasta ahora considerados inagotables, se está convirtiendo en una realidad, y el precio se está incrementando a una velocidad mucho más elevada de la que se podía esperar. En un futuro próximo, cada vez será más difícil para la humanidad depender de los combustibles fósiles.
Como energía alternativa a los combustibles fósiles, tales como el petróleo y el gas natural, se están desarrollando estudios en la actualidad sobre la energía del carbón, la energía de la biomasa, la energía nuclear y la energía solar.
Sin embargo, en el caso de la energía del carbón como energía alternativa, la combustión del carbón emite una gran cantidad de dióxido de carbono y se cree que esto puede llegar a ser un problema. Una solución a este problema podría ser adquirir el dióxido de carbono en la combustión y almacenarlo bajo tierra y hay en curso numerosas investigaciones sobre este asunto, aunque el almacenamiento estable a largo plazo no está garantizado y además, los lugares adecuados para el almacenamiento están distribuidos de forma desigual. Por otro lado, el coste de la captura es muy elevado y transferir el dióxido de carbono e inyectarlo en la tierra sería un problema. Además, la posibilidad de que la combustión de carbón derive en un problema medioambiental debido a la generación de óxido de azufre (SOx), humo y emisiones similares también se convertirá en un problema.
La energía de la biomasa como energía alternativa, en particular, los biocombustibles tales como el etanol, está siendo recientemente foco de atención. Sin embargo, se necesita gran cantidad de energía para producir y
concentrar etanol a partir de cultivos vegetales, y esto es algunas veces poco ventajoso desde el punto de vista de la eficiencia energética. Más aún, el uso de maíz, soja, caña de azúcar o similares como materia prima de los biocombustibles, provoca un encarecimiento de alimentos y piensos, puesto que dichos cultivos también se utilizan en la alimentación humana y animal. Por consiguiente, la energía de la biomasa no puede considerarse una fuente de energía sustancial salvo para áreas tales como Brasil.
No es de esperar un progreso significativo y global izado del uso de la energía nuclear como energía alternativa ya que no se ha encontrado una solución satisfactoria para el tratamiento de los residuos radiactivos generados en las centrales nucleares y existe una fuerte opsición a su uso por el miedo a que proliferen las centrales nucleares. Más bien al contrario, la energía nuclear como energía alternativa puede ir disminuyendo a medida que se van desmantelando reactores nucleares.
Como se ha descrito antes, la energía del carbón, la energía de la biomasa y la energía nuclear no van a conseguir solucionar los problemas de sostenibilidad y de generación de dióxido de carbono que están conduciendo al calentamiento global. Por consiguiente, la energía solar es una fuente de energía ideal.
SUMARIO DE LA INVENCiÓN
La energía solar es muy potente como energía alternativa, pero su utilización en la actividad social se encuentra con los problemas de que (1) la densidad de energía de la energía solar es baja y, (2) el almacenamiento y transferencia de energía solar son complicados. Sin embargo, una vez que se solucione el problema (2) relativo al almacenamiento y la transferencia de energía solar, puede asegurarse una extensa zona tal como el desierto y la posibilidad de usar una extensa zona elimina el problema de la baja densidad de energía.
Para resolver el problema anteriormente descrito, es necesario convertir la energía solar en energía química que es fácil de almacenar y transferir. Aunque pueden ser factibles diversas sustancias, considerando la capacidad de manipulación, seguridad, utilización de infraestructuras existentes y aplicación como energía, el amoníaco parece ser el más adecuado. El método de producción de amoniaco incluye: adquirir energía solar y producir hidrógeno en una instalación de producción de hidrógeno a partir de agua mediante el uso de una parte de la energía solar adquirida; producir nitrógeno a partir de aire en una instalación de producción de nitrógeno; almacenar el hidrógeno producido en una instalación de almacenamiento de hidrógeno; y sintetizar de forma continua amoníaco en una instalación de síntesis de amoniaco a partir del hidrógeno producido y el nitrógeno producido.
BREVE DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se describe a continuación con referencia a los dibujos adjuntos. La Fig. 1 es una vista que ilustra un ejemplo de la planta de producción de amoniaco. La Fig. 2 es una vista que ilustra un ejemplo del colector de luz de tipo plato parabólico. La Fig. 3 es una vista que ilustra un ejemplo del colector de luz solar de tipo torre. La Fig. 4 es una vista que ilustra un ejemplo del colector de luz de tipo cilindro parabólico. La Fig. 5 es una vista que ilustra un ejemplo de la instalación de producción de hidrógeno. La Fig. 6 es una vista que ilustra un ejemplo de la instalación de almacenamiento de hidrógeno. La Fig. 7 es una vista que ilustra otro ejemplo de la instalación de almacenamiento de hidrógeno. La Fig. 8 es una vista que ilustra un ejemplo de la instalación de producción de nitrógeno. La Fig. 9 es una vista que ilustra un ejemplo de la instalación de producción de nitrógeno para producir nitrógeno por separación criogénica. La Fig. 10 es una vista que ilustra un ejemplo de la instalación de síntesis de amoniaco. La Fig. 11 es una vista que ilustra otro ejemplo de la instalación de síntesis de amoniaco. La Fig. 12 es una vista que ilustra un ejemplo de la cantidad de luz captada. La Fig. 13 es una vista que ilustra un ejemplo del aparato de control para llevar a cabo los cálculos de la cantidad de producción de amoniaco y controlar
la cantidad de producción de amoniaco. La Fig. 14 es una vista que ilustra un ejemplo del flujo de procesos para llevar a cabo los cálculos de la cantidad de producción de amoniaco y controlar la cantidad de producción de amoniaco. La Fig. 15 es una vista que ilustra un ejemplo del flujo de proceso para ilustrar el balance de materia de la planta de amoniaco. La Fig. 16 es una vista que ilustra el balance de materia en el flujo de proceso mostrado en la Fig. 15. La Fig. 17 es una vista que ilustra un ejemplo de la planta combinada para suministrar un gas de síntesis a una instalación 400 de síntesis de amoniaco.
DESCRIPCiÓN DE LAS REALIZACIONES
En lo que se refiere al almacenamiento y transferencia de energía solar, se considera el amoníaco (NH 3) como un combustible líquido que puede producirse a partir de agua, aire y energía solar y que es fácil de almacenar y transferir.
La producción mundial de amoniaco es en la actualidad aproximadamente de 150 millones de toneladas al año, y una gran cantidad del amoniaco se utiliza fundamentalmente como fertilizante. Aparte de dicho uso actual en grandes cantidades en el mercado, se cree que el amoniaco tiene una aceptación social suficientemente alta.
El amoníaco tiene características físicas similares a las de los GLP y licua fácilmente por debajo de aproximadamente 8,106 x 105 Pa a temperatura ordinaria, y su almacenamiento y transferencia tiene resultados satisfactorios y no son particularmente problemáticos. Además, el amoniaco se define como una sustancia no inflamable que tiene poca capacidad de ignición, baja velocidad de combustión incluso cuando arde, y un estrecho intervalo de combustión y, por tanto, se considera que su manipulación no plantea problemas particulares.
La densidad de energía del amoniaco es aproximadamente la mitad que la de la gasolina y casi igual que la del metanol pero, en términos de poder calorífico con una razón de mezcla teórica, el amoniaco es equiparable a la gasolina y aplicable satisfactoriamente como combustible también para un cuerpo móvil. Además, el amoniaco puede ser suministrado a una planta de energía térmica localizada en una zona remota mediante un depósito o similar y puede ser quemado en lugar de gas natural o carbón y se considera en la teoría que la eficiencia de la combustión de amoniaco supera a la del gas natural y el carbón.
En la combustión de amoniaco, se puede llevar a cabo una reacción de combustión representada por la siguiente fórmula 1.
2NH3 + 3/202 --7 N2+ 3H20 + (poder calorífico) (fórmula 1)
Es decir, no se produce dióxido de carbono en la combustión de amoniaco y, por tanto no contribuye al problema del calentamiento global.
A continuación se describen las realizaciones haciendo referencia a los dibujos.
Un ejemplo de planta de producción de amoniaco para sintetizar amoniaco mediante el uso de energía solar se describe haciendo referencia a la Fig. 1. Como se muestra en la Fig. 1, la planta 10 de producción de amoniaco tiene una instalación 100 de producción de hidrógeno, una instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno, una instalación 300 de producción de nitrógeno y una instalación 400 de síntesis de amoníaco.
La instalación 100 de producción de hidrógeno es una instalación para adquirir energía solar y producir hidrógeno a partir de agua mediante el uso de la energía solar adquirida. En la instalación 100 de producción de hidrógeno, se usa la energía solar como fuente de energía para la producción de hidrógeno por lo que el hidrógeno es producido durante el día, cuando se irradia energía solar, y se detiene de noche, cuando no se irradia energía.
La instalación 300 de producción de nitrógeno es una instalación para producir, a partir del aire, nitrógeno, que es una parte del gas de síntesis de la instalación 400 de síntesis de amoniaco. En la instalación 300 de producción de nitrógeno no se usa directamente energía solar y, como se describirá más adelante, se produce nitrógeno utilizando energía eléctrica externa o la combustión de hidrógeno, de modo que dicha instalación puede funcionar continuamente día y noche si se le suministra una fuente de energía externa o hidrógeno.
La instalación 400 de síntesis de amoniaco es una instalación para sintetizar amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno. En la instalación 400 de síntesis de amoniaco, se sintetiza continuamente amoniaco día y noche.
La instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno es una instalación para almacenar el hidrógeno producido en la instalación 100 de producción de
hidrógeno y suministrar continuamente hidrógeno a la instalación 400 de síntesis de amoniaco y, dependiendo del caso, a la instalación 300 de producción de nitrógeno.
De este modo, en la instalación 100 de producción de hidrógeno, la producción de hidrógeno se detiene de noche, pero en la instalación 400 de síntesis de amoniaco, se sintetiza amoniaco continuamente día y noche. Si el funcionamiento de la instalación 400 de síntesis de amoniaco se hace intermitente para sincronizarlo con el funcionamiento de la instalación 100 de producción de hidrógeno, se produce una pérdida de energía debido al proceso de arranque y al proceso de parada de la instalación 400 de síntesis de amoniaco. Por tanto, la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno almacena al menos parte del hidrógeno producido durante el día en la instalación 100 de producción de hidrógeno, y suministra incluso de noche el hidrógeno almacenado a la instalación 400 de síntesis de amoníaco, por lo que la planta 10 de producción de amoníaco permite que la instalación 400 de síntesis de amoniaco sintetice amoniaco de forma continua. Mediante el funcionamiento continuo de la instalación de síntesis de amoniaco, se puede reducir la pérdida de energía que ocurre como resultado del funcionamiento intermitente de la instalación de síntesis de amoniaco, es decir trabajando durante el día y deteniéndose durante la noche.
A continuación se describen de forma ordenada y detallada las respectivas instalaciones en la planta 10 de producción de amoniaco.
Instalación 100 de producción de hidrógeno
La instalación 100 de producción de hidrógeno es una instalación para adquirir energía solar y producir hidrógeno mediante el uso de parte de la energía solar adquirida.
Instalación 100 de producción de hidrógeno (Adquisición de energía solar)
El método para adquirir energía solar, además de un método de simple recepción de luz solar, incluye un método para captar la luz de modo que se aumente la densidad de energía. Por ejemplo, se pueden utilizar los siguientes colectores de luz (1) a (3)
(A1) Tipo plato parabólico
La Fig. 2 es una vista que ilustra un ejemplo de colector de luz de tipo plato parabólico. El colector de luz de tipo plato parabólico mostrado en la Fig. 2 tiene unos medios reflectores 141 en forma de plato que captan la luz por reflejo de la luz solar 20 y unos medios 142 receptores de luz que reciben la luz captada, y la energía térmica solar se adquiere en los medios 142 receptora de luz. La energía solar térmica obtenida en los medios 142 receptores de luz puede servir para accionar directamente un motor Stirling debido a su alta temperatura o puede transferirse a una porción requerida mediante el uso opcional de un medio calorífico tal como metal alcalino fundido (por ejemplo, sodio metálico fundido), sal fundida, aceite y vapor de agua. El colector de luz de tipo plato parabólico es adecuado para una instalación relativamente pequeña y preferentemente se usa en un intervalo de energía térmica solar de aproximadamente 10 kWa varios cientos de kW. En general, el colector de luz de tipo plato parabólico tiene una elevada potencia de captación de luz, por lo que se puede obtener una fuente de calor de alta temperatura, igualo superior a 2000 oC, con este colector, pero el coste es más elevado que el de los tipos de colectores de luz que se describen más adelante en esta memoria.
(A2) Tipo torre solar
La Fig. 3 es una vista que ilustra un ejemplo del colector de luz de tipo torre solar. El colector de luz 150 de tipo torre solar mostrado en la Fig. 3 tiene una pluralidad de medios reflectores 151 que captan la luz al reflejarse la luz solar 20 y unos medios 153 receptores de luz que reciben la luz captada, y la energía térmica solar se adquiere en los medios 153 receptores de luz. Los medios 153 receptores de luz están dispuestos en lo alto de una torre 152 receptora de luz. Los medios 151 reflectores se controlan para que miren a los medios 153 receptores de luz a lo largo del movimiento del sol. La energía térmica solar obtenida en los medios 153 receptores de luz se puede transferir a una porción requerida utilizando opcionalmente unos medios caloríficos. El colector de luz solar tipo torre es adecuado para una planta grande de 10 MW hasta varios cientos de megavatios. En general, el colector solar de tipo torre tiene una gran potencia de captación de luz, y se puede obtener una fuente de calor de alta temperatura, igual o superior a 1000 oC pero el coste de construcción de la torre es elevado.
(A3) Tipo cilindro parabólico
La Fig. 4 es una vista que ilustra un ejemplo del colector de luz tipo cilindro parabólico. El colector de luz tipo cilindro parabólico mostrado en la Fig. 4 tiene unos medios 161 reflectores que captan la luz por reflejo de la luz solar 20 Y unos medios 162 receptores de luz que reciben la luz captada, y la energía térmica solar se adquiere en los medios 162 receptores de luz. La energía térmica solar obtenida en los medios 162 receptores de luz se puede transferir a una porción requerida haciendo fluir opcionalmente un medio calorífico a través de una trayectoria 163 por la que fluye medio calorífico. Los colectores de luz de tipo cilindro parabólico se caracterizan por su estructura sencilla y de bajo coste y son adecuados, en general, para una instalación grande de varios cientos de megavatios, pero la potencia de captación de luz es baja y la fuente de calor obtenida es una fuente de calor de baja temperatura de 400 a 600 oC.
Como se ha descrito antes, cada tipo de colector de luz tiene sus propias características. Por consiguiente, en la instalación 100 de producción de hidrógeno se puede utilizar uno cualquiera de estos colectores de luz o una combinación de los mismos. De forma específica, la energía térmica solar para una fuente de calor de alta temperatura se puede obtener mediante un colector de luz que tenga un gran poder de captación de luz (por ejemplo, un colector de luz de tipo plato parabólico y/o un colector de luz solar de tipo torre), mientras que la energía térmica solar, por ejemplo, para una fuente de calor de baja temperatura, o para energía eléctrica, se puede obtener mediante un colector de luz que tiene un bajo poder de captación de luz (por ejemplo, un colector de tipo cilindro parabólico).
Por ejemplo, se puede considerar que la energía térmica solar obtenida por un colector de luz que tiene una alto poder de captación de luz puede ajustarse a 1/2 o menos, por ejemplo, de 1/3 a 1/2, de la energía térmica solar total obtenida por un colector de luz que tiene un elevado poder de captación de luz y un colector de luz que tiene un pequeño poder de captación de luz. A la vista del coste total de la instalación de captación de luz, a veces se prefiere limitar de este modo la proporción de colector de luz que tiene una elevada potencia de captación de luz, cuyo coste generalmente es alto.
Instalación 100 de producción de hidrógeno (Método de producción de hidrógeno)
En lo que se refiere al método para producir hidrógeno a partir de agua utilizando una parte de la energía solar adquirida, se puede usar una diversidad de métodos. De forma específica, por ejemplo, se pueden usar los siguientes métodos (81) a (86) de descomposición de agua. Los métodos (81) a (84) están orientados a disminuir la temperatura de reacción necesaria para la reacción de descomposición de agua, y el método (85) está orientado a elevar el factor de utilización de la energía luminosa.
(81) Método de pirólisis directa
Éste es uno de los métodos más básicos, y consiste en descomponer el agua directamente en hidrógeno y oxígeno a alta temperatura mediante la reacción representada por la siguiente fórmula 2.
(fórmula 2)
Esta reacción requería originalmente una grados centígrados pero se puede producir aproximadamente 2000 oC utilizando un catalizador.
temperatura a una te de mper miles atura de de
(82) Método de oxidación/reducción de un metal
Con el fin de reducir la elevada temperatura requerida en (81), existe un método para descomponer agua con la intervención de una tercera sustancia. Un ejemplo típico del mismo es un método que implica la intervención de cinc y, en este caso, la relación es como sigue.
Zn + H20 --7 ZnO + H2 (aproximadamente 400 OC) (fórmula 3)
ZnO --7 Zn + 1i02 (aproximadamente 1700 OC) (fórmula 4)
(Reacción total) H20 --7 H2 + 1i02
Este método requiere dos clases de fuentes de calor, es decir, una fuente de calor a alta temperatura (aproximadamente 1700 OC) Y una fuente de calor a baja temperatura (400 OC).
(83) Método I-S (yodo-azufre) Como método para disminuir la temperatura de reacción más que en el método (82), se conoce un método del ciclo I-S. En el método I-S, se descompone térmicamente ácido yodhídrico o ácido sulfúrico obtenido haciendo reaccionar agua como material de partida con compuestos de yodo (1) Y azufre (S), calentando hasta aproximadamente 850 oC, con lo que se produce hidrógeno y oxígeno. Las reacciones son como sigue.
(fórmula 5) 2H20 + S02 + 12 --7 H2S04 + 2HI (aproximadamente 130 OC) (fórmula 6) 2HI --7 H2 + 12 (aproximadamente 400 OC) (fórmula 7) Reacción total: H20 --7 H2 + 1i02 Este método requiere dos clases de fuentes de calor, es decir, una
fuente de calor a alta temperatura (850 OC) Y una fuente de calor a baja temperatura (400 OC).
(B4) Método del ciclo UT-3
Como método para reducir la temperatura de reacción más que en el método (B2), se conoce el método del ciclo UT-3. Las reacciones son como sigue.
CaBr2 (s) + H20 (g) --7 CaO (s) + 2HBr (g) (700 a 750 OC)
(fórmula 8)
CaO (s) + Br2 (g) --7 CaBr2 (s) + Ii02 (g) (500 a 600 OC)
(fórmula 9)
Fe304 (s) + 8HBr (g) --7 3FeBr2 (g) + 4H20 (g) + Br2 (g) (200 a 300 OC)
(fórmula 10)
3FeBr2 (s) + 4H20 (g) --7 Fe304 (s) + 6HBr (g) + H2(g) (550 a 600 OC)
(fórmula 11)
Cuando se suman las cuatro reacciones representadas por las fórmulas 8 a 11, queda una reacción que hace que el agua se descomponga en hidrógeno y oxígeno, y el resto de compuestos se hacen circular en el ciclo. Cada reacción transcurre a la temperatura mostrada en las fórmulas 8 a 11 y, por tanto, con el fin de promover el ciclo, puede ser suficiente una energía térmica de hasta 750 oC.
Como se ha descrito antes, en todas las reacciones de (B1) a (B4) para producir hidrógeno a partir de agua utilizando calor se requiere, en al menos parte de la reacción, una fuente de calor a una temperatura relativamente alta.
La fuente de calor a una temperatura relativamente alta se puede proporcionar utilizando directamente la energía térmica solar adquirida como fuente de calor y, en este caso, al menos una parte de la energía térmica solar requerida puede obtenerse mediante un colector de luz que tiene un alto poder de captación de luz, por ejemplo, un colector de luz de tipo plato parabólico y/o un colector de luz solar de tipo torre.
(B5) Hidrólisis por fotocatalizador
Éste es un método para la descomposición electroquímica del agua mediante el uso energía luminosa en lugar de energía térmica. Cuando se aplica luz solar a un fotocatalizador en contacto con agua cerca de la temperatura ambiente, el agua se descompone generando hidrógeno y oxígeno. Un fotocatalizador típico es óxido de titanio. Sin embargo, en el caso del óxido de titanio únicamente la luz en la región ultravioleta de la luz solar contribuye a esta reacción, y la luz visible y la luz infrarroja próxima que ocupan la mayoría del espectro de luz solar no pueden ser utilizadas, lo que da lugar a una eficiencia extremadamente baja. Para solucionar este problema, se están realizando estudios sobre diversos fotocatalizadores, por ejemplo, un fotocatalizador que permite utilizar luz incluso en la región de la luz visible mezclando impurezas tales como átomos de nitrógeno o átomos de azufre. Además, se está estudiando de forma muy intensa elevar la eficiencia de la descomposición de agua combinando un material capaz de generar potencia electromotriz después de recibir luz, tal como un material que se convierte en un colorante o en un material de celdas solares con un fotocatalizador. Por otro lado, el fotocatalizador no requiere una fuente de calor de alta temperatura y probablemente conduce a un coste de planta muy bajo por superficie y por tanto, su uso es posible que se convierta en una técnica dominante cuando el área del emplazamiento tenga espacio libre.
(86) Método de electrólisis de agua
Se puede producir hidrógeno mediante la electrólisis de agua. Ejemplos del método de electrólisis de agua incluyen un método de electrólisis de agua con álcalis y un método de electrólisis de agua con electrólitos poliméricos sólidos. En el método de electrólisis de agua con álcalis, por ejemplo, se usa una solución de KOH acuoso. En el método de electrólisis de agua con electrólitos poliméricos sólidos, por ejemplo, se usa como electrólito una membrana de intercambio iónico a base de fluororresina.
Instalación de producción de hidrógeno (Descripción de la instalación)
A continuación se describe con detalle una instalación 100A de producción de hidrógeno mostrada en la Fig. 5 que es un ejemplo de la instalación 100 de producción de hidrógeno.
La instalación 100A de producción de hidrógeno tiene un aparato de reacción 130, instalaciones 150A y 160A de captación de luz, y un intercambiador de calor 170. El aparato de reacción 130 es un aparato para producir hidrógeno a partir de agua por cualquiera de los métodos (81) a (84) Y (86).
Aunque no se muestra en la Figura, el aparato de reacción 130 puede ser un aparato para la producción de hidrógeno a partir de agua por el método (B5) mediante la recepción directa de luz solar. Además, el aparato de reacción 130 tiene una pluralidad de dispositivos que tienen funciones para llevar a cabo operaciones tales como destilación, descomposición, mezcla, presurización, intercambio de calor y similares de modo que se lleve a cabo cualquiera de (B1) a (B5). El aparato de reacción 130 puede tener la función de eliminar las sustancias asociadas con la reacción de producción de hidrógeno. Por ejemplo, en el caso del método de 1-8, a veces el hidrógeno va acompañado de yoduro de hidrógeno (HI y yodo (1 2) debido a la reacción de fórmula 7. Por otro lado, en el caso del método UT-3, con frecuencia el hidrógeno va acompañado de bromuro de hidrógeno (HBr) debido a la reacción de la fórmula (11). En tal caso, es necesario eliminar el gas asociado por purificación antes de que entre en contacto con el catalizador de síntesis de amoniaco, y la purificación y eliminación se pueden llevar a cabo en el aparato de reacción 130.
La instalación 150A de captación de luz es una instalación de captación de luz que tiene un alto poder de captación de luz y corresponde, por ejemplo, a un colector 150 solar del tipo torre descrito al hacer referencia a la Fig. 3. La energía térmica solar captada en la instalación 150A de captación de luz se puede utilizar, por ejemplo, como una fuente de calor a alta temperatura para alcanzar la temperatura de reacción de 750 oC o mayor indicada en (B2) a (B4). La instalación 160A de captación de luz es una instalación de captación de luz que tiene un bajo poder de captación de luz y corresponde, por ejemplo, a un colector 160 de tipo cilindro parabólico descrito al hacer referencia a la Fig. 4. La instalación 160A de captación de luz se puede utilizar, por ejemplo, como una fuente de calor a alta temperatura para producir la baja temperatura de reacción menor que 750 oC indicada en (B2) a (B4). En términos del coste de la instalación de captación de luz en su conjunto, con frecuencia se prefiere llevar a cabo la adquisición de energía térmica solar de este modo por un colector de luz que tiene un bajo poder de captación de luz, por ejemplo, un colector de tipo cilindro parabólico. Además, en la Fig. 5, se muestran dos clases de instalaciones de captación de luz, aunque todas las temperaturas de reacción durante la reacción de producción de hidrógeno se pueden conseguir usando únicamente la instalación 150A de captación de luz.
Como se ha descrito antes, la instalación 100A de producción de hidrógeno produce hidrógeno y oxígeno a partir de agua utilizando una parte de la energía solar adquirida. El oxígeno se puede utilizar en diferentes aplicaciones o se puede liberar al aire. El hidrógeno producido se carga en la tubería 101 del aparato de reacción 130. El hidrógeno en la tubería 101 se enfría por un intercambiador de calor 170 y se carga en una tubería 102. En este tratamiento de enfriamiento, se puede llevar a cabo la recuperación de calor y/o energía con vapor de agua, o se puede enfriar el hidrógeno con agua de enfriamiento (AE) a una temperatura predeterminada para el compresor (descrito más adelante) de la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno. El hidrógeno en la tubería 102 se transfiere a presión a la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno.
A propósito, como se muestra en la Fig. 5, la instalación 100A de producción de hidrógeno puede tener una unidad 190 de generación de energía. La unidad 190 de generación de energía tiene un intercambiador 11 de calor, una turbina 192 de vapor de agua, un generador 194 de energía, un condensador 196 y una bomba 198. El intercambiador 191 de calor genera vapor de agua por el intercambio de calor del medio calorífico a alta temperatura con el agua. La turbina 192 de vapor es una turbina que rota por el vapor de agua descargado del intercambiador de calor 191. El generador de energía 194 está conectado a la turbina 192 de vapor y recupera la energía del rotor giratorio llevando a cabo la generación de energía. El condensador 196 enfría el vapor de agua descargado de la turbina 192 de vapor y lo devuelve al agua, y el agua se alimenta de nuevo al intercambiador 191 de calor mediante la bomba 198. A propósito, en el ejemplo anterior, se produce vapor usando un intercambiador 191 de calor, pero en lugar de intercambiar calor con un medio térmico, se puede emplear una configuración de producir vapor de agua directamente en el colector de luz indicado por 150 a 160.
En el caso de usar el método de electrólisis de agua de (86), el aparato 130 de reacción funciona como un aparato para llevar a cabo la electrólisis del agua. La electricidad usada para la electrólisis del agua se suministra al aparato 130 de reacción desde el generador 194 de energía.
Instalación de almacenamiento de hidrógeno
La instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno es una instalación para almacenar el hidrógeno producido en la instalación 100 de producción de hidrógeno y suministrar hidrógeno a la instalación 300 de producción de nitrógeno y a la instalación 400 de síntesis de amoniaco. Al menos parte del hidrógeno producido durante el día en la instalación 100 de producción de hidrógeno es almacenado y ese hidrógeno almacenado se suministra a la instalación 300 de producción de nitrógeno y a la instalación 400 de síntesis de amoniaco incluso durante la noche, por lo que la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno posibilita un funcionamiento continuo de la instalación de producción de nitrógeno y de la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
La Fig. 6 muestra una instalación 200A de almacenamiento de hidrógeno que es un ejemplo de la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno. La instalación 200A de almacenamiento de hidrógeno tiene un compresor 210, un intercambiador de calor 220, un depósito 240 de hidrógeno, una unidad de compresión 250A y un aparato 260A de control de presión.
La tubería 102 conectada a la instalación 100 de producción de hidrógeno está conectada a la entrada del compresor 210.
La presión en la salida del compresor 210 se puede determinar de acuerdo con la presión suministrada a un incinerador (descrito más adelante) de una turbina de gas en la instalación 300 de producción de nitrógeno y/o la presión de alimentación de gas de síntesis al recipiente de reacción (descrito más adelante) en la instalación 400 de síntesis de amoniaco. La presión en el lado de entrada del depósito 240 de hidrógeno se eleva de ese modo, por lo que se puede reducir la energía para la presurización inmediatamente antes del incinerador de la turbina de gas en la instalación 300 de producción de nitrógeno o para la presurización inmediatamente antes del recipiente de reacción en la instalación 400 de síntesis de amoniaco y al mismo tiempo, elevando la densidad de gas almacenado en el depósito 240 de hidrógeno, se puede reducir el volumen del depósito 240 de hidrógeno.
El intercambiador de calor 220 enfría el hidrógeno calentado por la presurización del compresor 210.
El depósito 240 de hidrógeno almacena hidrógeno en una cantidad suficientemente grande para suministrar hidrógeno a la instalación 400 de síntesis de amoniaco que está funcionando continuamente incluso durante la noche. En el depósito 240A de hidrógeno, se ha fijado un indicador 232 de presión (IP), y el indicador 232 de presión detecta la presión en el depósito. En la Fig. 6, se muestra un depósito 240 de hidrógeno, pero la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno puede tener una pluralidad de depósitos de modo que se almacene la cantidad necesaria de hidrógeno para el funcionamiento durante la noche de acuerdo con la cantidad de producción de amoniaco en la instalación 400 de síntesis de amoniaco. El hidrógeno almacenado en el depósito 240 de hidrógeno se carga en una tubería 201, yel
hidrógeno en la tubería 201 se transfiere a la instalación 300 de producción de
nitrógeno o a la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
La tubería 203 es una tubería que se desvía del depósito 240 de hidrógeno. En el caso de suministrar una parte del hidrógeno producido al depósito 240 de hidrógeno, se suministra hidrógeno de otro sitio a la instalación 300 de producción de nitrógeno o a la instalación 400 de síntesis de amoniaco mientras que se desvía del depósito 240 de hidrógeno.
El aparato 260A de control de presión tiene la misma configuración que el aparato de control descrito más adelante haciendo referencia a la Fig. 13. Cuando disminuye la presión en la tubería 201, el hidrógeno almacenado en el depósito 240 de hidrógeno se presuriza usando el aparato 260A de control de presión, por lo que el aparato 260A de control de presión mantiene la presión en la tubería 201. A propósito, en lo que se refiere a la presión en el depósito 240 de hidrógeno, cuando está en funcionamiento la instalación 100 de producción de hidrógeno, se suministra el hidrógeno producido y, por tanto, se puede mantener la presión, pero cuando la instalación 100 de producción de hidrógeno está parada, no se suministra hidrógeno y, además, se suministra hidrógeno a la instalación 400 de síntesis de amoniaco, como resultado, la presión en el depósito 240 de hidrógeno se reduce.
Para evitar esto, el aparato 260A de control de presión controla la presión en la tubería 201 y cuando la presión en la tubería 201 disminuye, actúa y controla la unidad 250A de compresión para mantener la presión en la tubería 201. La presión en el depósito 240 de hidrógeno disminuye de forma gradual de acuerdo con la cantidad de hidrógeno suministrada a la instalación 300 de producción de nitrógeno y a la instalación 400 de síntesis de amoniaco. Por tanto, se prefiere que la unidad 250A de compresión pueda cambiar la relación de compresión como respuesta a la reducción de presión en la tubería
201. La unidad 250A de compresión mostrada en la Fig. 6 tiene un compresor multietapa para cambiar la relación de compresión. Por ejemplo, cuando se produce la reducción de presión en la tubería 201, se cierran una válvula de control 252 y una válvula de control 255, se abren una válvula de control 251 y una válvula de control 256, se pone en marcha el compresor 253, y se suministra a la tubería 201 hidrógeno presurizado por el compresor 253. Por otro lado, cuando disminuye la presión, se cierran la válvula de control 252 y la válvula de control 256, se abren la válvula de control 251 y la válvula de control 255, se ponen en marcha el compresor 253 y el compresor 257, y se suministra a la tubería 201 hidrógeno presurizado por el compresor 253 y el compresor
257. En el compresor 253 y el compresor 257, la velocidad de rotación se puede controlar por el control del inversor de acuerdo con la presión. Si la presión de descarga del compresor puede cambiarse por el control del inversor de acuerdo con la presión de la tubería 201, la unidad 250A de compresión puede tener solo un compresor. De este modo, la presión en la tubería 201 se mantiene constante por la unidad 250A de compresión.
La Fig. 7 muestra una instalación 200B de almacenamiento de hidrógeno que es otro ejemplo de la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno. La instalación 200B de almacenamiento de hidrógeno tiene un depósito 240 de hidrógeno, una unidad 250B de compresión y un aparato 260B de control de presión.
La diferencia entre la instalación 200B de almacenamiento de hidrógeno y la instalación 200A de almacenamiento de hidrógeno es que la unidad 250B de compresión dispone tanto de una función de presurización de hidrógeno suministrado por la tubería 102 desde la instalación 100 de producción de hidrógeno como de una función de presurización de hidrógeno suministrado desde el depósito 240 de hidrógeno para prevenir la reducción de presión en la tubería 201 durante la noche y el compresor 210 mostrado en la Fig. 6 no es necesario. La configuración del equipo de la unidad 250B de compresión es la misma que la de la unidad 250A de compresión mostrada en la Fig. 6.
Durante la operación de la instalación 100 de producción de hidrógeno, el aparato 260B de control de presión abre la válvula de control 212 y la válvula de control 214 y cierra la válvula de control 216. El aparato 260B de control de presión cierra además la válvula de control 252 y la válvula de control 256 mientras que abre la válvula de control 251 y la válvula de control 255 y actúa sobre el compresor 253 y el compresor 257. De este modo, la unidad 260B de compresión presuriza y transfiera el hidrógeno producido desde la instalación 100 de producción de hidrógeno hasta el depósito 240 de hidrógeno, la instalación 300 de producción de nitrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco. Durante la parada de la instalación 100 de producción de hidrógeno, el aparato 260B de control de presión abre la válvula de control 216 mientras que cierra la válvula de control 212 y la válvula de control 214 y actúa la unidad 250B de compresión para presurizar y transferir hidrógeno en el depósito 240 de hidrógeno al depósito 240 de hidrógeno, la instalación 300 de producción de nitrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco. El funcionamiento de la unidad 250B de compresión durante la parada de la instalación 100 de producción de hidrógeno es el mismo que el de la unidad 250A de compresión.
De este modo, la unidad 250B de compresión tiene la función de presurizar el hidrógeno producido suministrado desde la tubería 102 Y la función de presurizar el hidrógeno suministrado desde el depósito 240 de hidrógeno, de modo que el compresor 210 mostrado en la Fig. 6 puede no ser necesario.
Instalación de producción de nitrógeno (Método de producción de nitrógeno) La instalación 300 de producción de nitrógeno es una instalación que incluye la función de producir el nitrógeno que se agota para una parte de un gas de síntesis en la instalación 400 de síntesis de amoniaco, a partir de aire y almacenar una parte del mismo.
La instalación 300 de producción de nitrógeno produce nitrógeno a partir de aire mediante el siguiente método (C1) o (C2). (C1) Separación criogénica
En el método de separación criogénica, se comprime aire mientras que es enfriado para crear aire líquido, y se separa nitrógeno a partir del aire líquido utilizando la diferencia de temperatura de ebullición entre el oxígeno y el nitrógeno. En el método de separación criogénica, se obtiene nitrógeno de alta pureza, pero se requiere una instalación a escala industrial y una cantidad relativamente elevada de energía.
(C2) Separación del oxígeno por combustión También se puede producir nitrógeno gas quemando el hidrógeno producido (H2) en aire y consumir el oxígeno en el aire. A propósito, la reacción de combustión de hidrógeno es una reacción exotérmica y, por tanto, también
es posible generar energía eléctrica y similar requerida en una planta 10 de producción de amoniaco utilizando el calor de reacción. <Instalación de producción de nitrógeno (Instalación para producir nitrógeno
por combustión de hidrógeno» La Fig. 8 muestra un ejemplo de la instalación de producción de nitrógeno para producir nitrógeno por combustión de hidrógeno. La instalación 300A de producción de nitrógeno tiene un aparato 310A de combustión de hidrógeno. La instalación 300A de producción de nitrógeno puede tener un aparato 320A de control de hidrógeno, una válvula de control 340, u na válvula de control 342, un intercambiador de calor 350, un aparato 360 de purificación
de gas y un equipo 380A de almacenamiento de nitrógeno.
De este modo, la instalación 300A de producción de nitrógeno produce nitrógeno quemando el hidrógeno producido y aire y suministra energía eléctrica generada por la combustión a al menos una de la instalación 400 de síntesis de amoniaco y de la instalación 100 de producción de hidrógeno.
El aparato 320A de control de hidrógeno separa el hidrógeno suministrado desde la tubería 201 usando las válvulas de control 340 y 342 en la tubería 302 para el suministro del aparato 31 OA de combustión de hidrógeno y la tubería 303 conectada a la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
El aparato 310A de combustión de hidrógeno tiene un compresor de aire 311, un incinerador 312, una turbina de gas 313, una caldera 314 de recuperación del calor expulsado, una turbina de vapor 315, un condensador 316, una bomba 318 un generador 319 de energía. El compresor de aire 311 comprime aire hasta una presión predeterminada de acuerdo con las condiciones de presión del incinerador 312. El incinerador 312 quema hidrógeno suministrado desde la tubería 302 y aire comprimido por el compresor de aire 311 para llevar a cabo la reacción de combustión del hidrógeno. A propósito, la instalación 300A de producción de nitrógeno puede obtener hidrógeno almacenado en la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno, de modo que incluso durante la parada de la instalación 100 de producción de hidrógeno, el aparato 310A de combustión de hidrógeno puede continuar su funcionamiento. Por consiguiente, no se produce la pérdida de energía asociada con el proceso de puesta en marcha y el proceso de parada del aparato 31 OA de combustión de hidrógeno.
A continuación se muestra una fórmula química cuando la combustión de hidrógeno gas está en una relación estequiométrica.
H2 + 2,4Aire -H20 + 1 ,88N2 + 0,023Ar + 0,0007C02 (fórmula 12)
De este modo, se puede producir nitrógeno para el gas de síntesis de amoniaco por el aparato 31 OA de combustión de hidrógeno y, al mismo tiempo, se puede producir un gas de síntesis de hidrógeno y nitrógeno que tiene una relación estequiométrica deseada mezclando hidrógeno gas suministrado aguas abajo desde la tubería 303 en la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
El límite de combustión de hidrógeno en aire varía de 4 a 75 (% en volumen) y la relación de mezcla de hidrógeno y nitrógeno puede variar libremente en el intervalo del límite de combustión de hidrógeno. Por consiguiente, se puede llevar a cabo la combustión de hidrógeno elevando la relación de mezcla del hidrógeno gas a aire hasta el 75% en volumen que es el límite superior del límite de combustión. Por ejemplo, se suministra un gas hidrógeno desde la tubería 303 de acuerdo con la cantidad de nitrógeno y la cantidad de hidrógeno en el gas de escape después de la combustión, y la relación de mezcla en el gas de síntesis de amoniaco se ajusta de este modo a hidrógeno:nitrógeno = 3:1. En base a estas condiciones, se suministra previamente un gas de síntesis de amoniaco desde la tubería 302 al aparato 310A de combustión de hidrógeno tal que la relación de hidrógeno:nitrógeno en el gas de escape después de la combustión llega a ser 3:1, por lo que el suministro adicional de hidrógeno gas desde la tubería 303 puede no ser necesario. Incluso en este caso, tal como se muestra por la siguiente fórmula 13, la concentración de hidrógeno en el gas introducido es todavía del 73,4% en volumen, que está en la región de combustión del hidrógeno.
6,63H2+ 2,4Aire ~H20 + 1 ,88N2 + 5,63H2 + 0,023Ar +0,0007C02 (fórmula 13)
Por otro lado, aunque no se muestra en las fórmulas 12 y 13, se produce óxido de nitrógeno (NOx) por la reacción de combustión de hidrógeno. En la síntesis de amoniaco, un compuesto que contenga oxígeno es un veneno para el catalizador y, por tanto, se elimina el NOx mediante un aparato 360 de purificación de gas descrito más adelante. La concentración de NOx en el gas de combustión se puede reducir haciendo que la cantidad de hidrógeno en base al oxígeno sea mayor que la relación estequiométrica. Por tanto, se prefiere llevar a cabo la combustión fijando la cantidad de hidrógeno en base al oxígeno para que sea mayor que la relación estequiométrica de acuerdo con la capacidad del equipo de eliminación de NOx descrito más adelante, en otras palabras, llevar a cabo la combustión de aire en un exceso de hidrógeno mayor que los constituyentes en proporciones estequiométricas.
A propósito, el aparato 320A de control de hidrógeno suministra hidrógeno para que sea quemado en el aparato 310A de combustión de hidrógeno, en una determinada relación en exceso de hidrógeno usando las válvulas de control 340 y 342 para quemar el hidrógeno. La relación de exceso de hidrógeno se puede determinar de acuerdo con al menos una cualquiera de la concentración de oxígeno y la concentración de óxido de nitrógeno en el gas de combustión y la eficiencia de generación de energía. La concentración de oxígeno y la concentración de óxido de nitrógeno en el gas de combustión se puede fijar en el aparato 320A de control de hidrógeno usando datos detectados de forma periódica, o se pueden usar los valores de detección detectados en el aparato 360 de purificación de gas descrito más adelante. Por otro lado, el aparato 320A de control de hidrógeno puede obtener la eficiencia de generación de energía de la cantidad de generación de energía del generador 319 de energía y el caudal de hidrógeno de la tubería 302.
La temperatura de combustión en el incinerador 312 es, por ejemplo, de 1100 a 1500 oC. La elevación de la eficiencia de generación de energ ía por la turbina de gas 313 origina un aumento en la presión del incinerador 312. Por esta razón, la relación de compresión de aire suministrado varía, por ejemplo, de 11 a 23. Por consiguiente, la presión de suministro de la tubería 302 que suministra hidrógeno al incinerador 312 llega a ser mayor que de 11,146 x 105 Pa a 23,06 x 105 Pa. Por consiguiente, la presión de suministro de la tubería 302 que suministra hidrógeno al incinerador 312 llega a ser mayor que 11,146 x 105 Pa a 23,06 x 105 Pa teniendo en cuenta la pérdida de carga en las conducciones. El aparato 310A de combustión de hidrógeno es un aparato de generación de energía de ciclo combinado. La turbina de gas 313 es una turbina que gira por un gas de combustión a alta temperatura y alta presión del incinerador 312. La caldera 314 de recuperación de calor expulsado es una caldera que genera vapor mediante el intercambio de calor del gas de escape a alta temperatura procedente de la turbina de gas 313 con agua. La turbina de vapor 315 es una turbina que gira por el vapor generado debido al intercambio de calor por la caldera 314 de recuperación de calor expulsado. El generador 319 de energía obtiene energía de la turbina de gas 313 y la turbina de vapor 315 y genera energía eléctrica por un rotor que gira. El condensador 316 enfría el vapor descargado desde la turbina de vapor y lo devuelve al agua, y de nuevo el agua se alimenta a la caldera 314 de recuperación de calor expulsado mediante la bomba 318.
Como se ha descrito antes, la energía eléctrica generada por el generador 319 de energía junto con la producción del nitrógeno gas se pueden usar como energía eléctrica para al menos una de la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco. Además, el calor recuperado del intercambiador de calor 350 se puede usar como fuente de calor para al menos una de la instalación 100 de producción de hidrógeno, la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno, la instalación 300 de producción de nitrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco. Por tanto, no solo se produce nitrógeno sino que también, mediante el uso de la energía debido a la combustión del hidrógeno, la planta 10 de producción de amoniaco puede continuar su funcionamiento durante el día y la noche sin recibir electricidad del exterior o reduciendo la energía eléctrica externa.
A propósito, la instalación 300A de producción de nitrógeno quema el hidrógeno producido para obtener una cantidad de nitrógeno necesaria para la síntesis de amoniaco. La instalación 300A de producción de nitrógeno quema el hidrógeno producido en una cantidad suficientemente grande para adquirir energía eléctrica determinada a partir de la energía eléctrica necesaria para al menos una de la instalación 400 de síntesis de amoniaco y la instalación 100 de producción de hidrógeno. Como resultado, la instalación 300A de producción de nitrógeno puede suministrar nitrógeno que es una materia prima del gas de síntesis de amoniaco. Esto posibilita que la planta 10 de producción de amoniaco continúe su funcionamiento día y noche sin recibir electricidad del exterior o reduciendo la energía eléctrica externa. En el caso de una elevada demanda de energía eléctrica, la cantidad de nitrógeno producida supera a veces la cantidad necesaria de nitrógeno para la síntesis de amoniaco. En dicho caso, el nitrógeno se almacena usando el equipo 380A de almacenamiento de nitrógeno como depósito amortiguador y, por otro lado, el nitrógeno en exceso se suministra al exterior con el fin de utilizarlo en otro punto distinto de la planta 10 de producción de amoniaco, a través de la tubería 305 permitiendo que el aparato 320A de control de hidrógeno controle la válvula de control 344. De este modo, se ha previsto el equipo 380A de almacenamiento de nitrógeno y el nitrógeno producido se almacena en su interior, de modo que se puede disponer de libertad para disminuir la cantidad de energía generada del aparato 310A de combustión de hidrógeno, es decir, la cantidad de producción de nitrógeno. Por ejemplo, cuando la demanda de energía eléctrica en la planta 10 de producción de amoniaco oscila o se reduce temporalmente la demanda de producción generada por el aparato 310A de combustión de hidrógeno, se puede disponer de un dispositivo amortiguador mediante el almacenamiento de nitrógeno y se puede conseguir una acción lineal como planta. Además, se puede usar una instalación de suministro de energía eléctrica más eficiente o más económica, tal como la generación de energía térmica solar o la energía eléctrica nocturna. Por otro lado, cuando se suministra al exterior un mayor exceso de nitrógeno gas desde la tubería 305, la instalación 300 de producción de nitrógeno no cuenta con la función de producir gas de síntesis de amoniaco pero si cuenta con la función como aparato para producir sencillamente nitrógeno.
El gas de combustión del intercambiador de calor 350 se suministra a la tubería 304. El aparato 320A de control de hidrógeno es un aparato para controlar la cantidad de hidrógeno suministrada a la tubería 303 y la cantidad de hidrógeno suministrada a la tubería 302. El aparato 320A de control de hidrógeno controla la cantidad de hidrógeno suministrada al incinerador 312 usando la válvula de control 340. El aparato 320A de control de hidrógeno controla la cantidad de hidrógeno en la tubería 302, por lo que se puede controlar la relación de mezcla de hidrógeno a nitrógeno en la combustión de hidrógeno.
En la síntesis de amoniaco, un compuesto que contenga oxígeno es un veneno para el catalizador y, por tanto, el C02 contenido en el aire, el agua producido por la combustión del hidrógeno y los NOx deben ser eliminados hasta concentraciones predeterminadas. Por consiguiente, el aparato 360 de purificación de gas se usa para eliminar los subproductos salvo el hidrógeno y el nitrógeno, producidos por la reacción de combustión del hidrógeno gas, de acuerdo con las condiciones en la entrada de la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
El aparato 260 de purificación de gas puede contener un equipo para la eliminación de agua (H20), la eliminación de dióxido de carbono (C02), la eliminación de oxígeno (02), la eliminación de NOx y la eliminación de peróxido de hidrógeno (H20 2). El equipo de eliminación de agua incluye un secador lleno de zeolitas. El equipo de eliminación de dióxido de carbono (C02) incluye un método para llevar a cabo la reacción y absorción usando una solución de carbonato potásico acuoso (fórmulas siguientes).
K2C03 + C02 ~2KHC03 (reacción de absorción a baja temperatura) (fórmula 14)
K2C03 + C02 ~2KHC03 (reacción de regeneración a alta temperatura) (fórmula 15)
El equipo de eliminación de oxígeno (02) incluye una reacción catalizada con H2en presencia de Pd o Pt, una membrana de separación y un método de PSA (Adsorción por Oscilación de la Presión, del inglés "Pressure Swing Adsorption"). El equipo de eliminación de NOx incluye un método de eliminación que usa amoniaco.
El aparato 360 de purificación de gas puede detectar de forma continua
la concentración de oxígeno y la concentración de óxido de nitrógeno en el gas de combustión e informar al aparato 320A de control de hidrógeno de los valores detectados.
Instalación de producción de nitrógeno (Instalación para producir nitrógeno por separación criogénica)
La Fig. 9 muestra un ejemplo de la instalación de producción de nitrógeno para producir nitrógeno por separación criogénica.
La instalación 300B de producción de nitrógeno se diferencia de la instalación 300A de producción de nitrógeno porque dispone además de un equipo 370 de separación criogénica y porque no dispone de aparato 360 de purificación de gas, pero el resto de aparatos son comunes a la instalación 300A de producción de nitrógeno. El aparato 31 OB de combustión de hidrógeno está previsto como equipo de generación de energía pero no para la producción de nitrógeno, y la energía eléctrica generada en el aparato 31 OB de combustión de hidrógeno se suministra a al menos uno del equipo 370 de separación criogénica, la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco. A propósito, la instalación 300B de producción de nitrógeno quema el hidrógeno producido en una cantidad suficientemente grande como para adquirir energía eléctrica determinada a partir de la energía eléctrica necesaria para al menos uno del equipo 370 de separación criogénica, la instalación 400 de síntesis de amoniaco y la instalación 100 de producción de hidrógeno. El aparato 320B de control de hidrógeno puede controlar la cantidad de nitrógeno que se produce en el equipo 370 de separación criogénica y suministrar a la tubería 304 de acuerdo con la cantidad de hidrógeno suministrada a la tubería 303.
La instalación 300B de producción de nitrógeno puede obtener hidrógeno almacenado en la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno, de modo que incluso durante las paradas de la instalación 100 de producción de hidrógeno, el aparato 310B de combustión de hidrógeno puede continuar su funcionamiento.
Por consiguiente, la instalación 300B de producción de nitrógeno dispone de un equipo de generación de energía para suministrar energía eléctrica generada por la combustión del hidrógeno producido y el aire a al menos uno del equipo 370 de separación criogénica, la instalación 400 de síntesis de amoniaco y la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno, lo que hace innecesario recibir electricidad del exterior y permite que la planta 10 de producción de amoniaco y el equipo 370 de separación criogénica continúen funcionando. Por consiguiente, se puede reducir la pérdida de energía asociada con el proceso de puesta en marcha y el proceso de parada del equipo 370 de separación criogénica. La instalación 300B de producción de nitrógeno puede tener un equipo 380B de almacenamiento de nitrógeno. En virtud de disponer del equipo de almacenamiento de nitrógeno, se puede almacenar el nitrógeno produciendo el mismo con el uso de energía eléctrica más eficiente o más económica. Por ejemplo, en el caso de que la planta 10 de producción de amoniaco disponga de la unidad 190 de generación de energía mostrada en la Fig. 5, se puede producir nitrógeno en el equipo 370 de separación criogénica utilizando energía eléctrica generada usando el exceso de calor solar durante el día y se puede almacenar en el equipo 380B de almacenamiento de nitrógeno. Además, cuando se pueda suministrar energía eléctrica desde el exterior, es posible producir nitrógeno adicional usando energía eléctrica nocturna y almacenar el nitrógeno.
Descripción de otros aparatos en la instalación 300B de producción de nitrógeno, que son comunes a la instalación 300A de producción de nitrógeno, se omite aquí.
En lo que se refiere al nitrógeno producido por la separación criogénica, se elimina del aire introducido el agua y el dióxido de carbono antes de que entre en una caja fría en el equipo de separación criogénica, y se licua el aire y luego se separa en oxígeno y nitrógeno. Los compuestos que contienen oxígeno en el nitrógeno gas producido aquí están en una concentración extremadamente baja y, por tanto, puede prescindirse del aparato 360 de purificación de gas. Además, el oxígeno subproducto se puede utilizar fuera de la planta 10 de producción de amoniaco 10.
Instalación de síntesis de amoniaco (Método de síntesis de amoniaco) Esta es una instalación para la síntesis de amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno. La síntesis de amoniaco se representa por la siguiente fórmula de
reacción y es una reacción exotérmica. N2 + 3H2 ~2NH3 (aproximadamente 400 OC) (fórmula 16) Como se muestra en la fórmula 16, la síntesis es una reacción que
conlleva la disminución del volumen y, por tanto, la presión de reacción es preferentemente una alta presión en vistas al equilibrio químico. Aunque la reacción de síntesis de amoniaco es una reacción exotérmica, se requiere energía en la síntesis de amoniaco porque es necesario un proceso de compresión.
Instalación de síntesis de amoniaco (Descripción de la instalación)
La Fig. 10 muestra un ejemplo de la instalación de síntesis de amoniaco. La instalación 400A de síntesis de amoniaco dispone de un compresor 420 de gas de síntesis, un intercambiador de calor 430 de gas de síntesis, un recipiente 440 de reacción, un equipo 450 de licuación y un aparato 460 de control de la síntesis de amoniaco. En la tubería 303, se ha previsto un indicador de flujo (IF) 461 para detectar el caudal de hidrógeno que fluye en la tubería 303. En la tubería 304, se ha previsto un indicador de flujo 462 para detectar el caudal de nitrógeno que fluye en la tubería 304. En la tubería 406, se ha previsto un indicador de flujo 463 para detectar el caudal de amoniaco que fluye en la tubería 406. El aparato 460 de control de la síntesis de amoniaco controla cada equipo en base al caudal de hidrógeno obtenido del indicador de flujo 461 y al caudal de nitrógeno obtenido del indicador de flujo 462 de modo que, a partir del indicador de flujo 463 se puede obtener una cantidad de amoniaco producido predeterminada que se reduce hasta un valor de consigna en base a la relación estequiométrica representada por la fórmula
16. A propósito, en el aparato 460 de control de la síntesis de amoniaco, la cantidad de producción de amoniaco predeterminada que se reduce hasta un valor de consigna se puede recibir desde un aparato 900 de control descrito más adelante.
La presión de los gases de síntesis suministrados desde las tuberías 303 y 304 se eleva por el compresor 420 de gas hasta una presión de reacción en el recipiente 440 de reacción. El gas de síntesis se descarga entonces desde el compresor 420 de gas de síntesis y se suministra a la tubería 401. El gas de síntesis en la tubería 401 se suministra en el lado de baja temperatura del intercambiador de calor 430 de gas de síntesis.
El compresor 420 de gas de síntesis es un compresor que presuriza el gas de síntesis que contiene hidrógeno y nitrógeno hasta la presión de reacción para la reacción de síntesis de amoniaco. El compresor de gas de síntesis es un compresor centrífugo multietapa o un compresor de flujo axial multietapa. En la Fig. 10, el compresor 420 de gas de síntesis está constituido por dos compresores, pero la presente invención no queda limitada a esta construcción.
El intercambiador de calor 430 de gas de síntesis es un intercambiador
de calor en el que el amoniaco gas a temperatura elevada debido a la reacción exotérmica del gas de síntesis se introduce en el lado de alta temperatura y el gas de síntesis se introduce en el lado de baja temperatura. De este modo, utilizando un amoniaco gas a alta temperatura como medio térmico, se hace innecesario suministrar externamente energía para calentar el gas de síntesis hasta la temperatura de reacción.
El recipiente 440 de reacción es un dispositivo en el que se carga un catalizador predeterminado y se lleva a cabo la reacción de síntesis de amoniaco representada por la formula (16).
El amoniaco sintetizado en el recipiente 440 de reacción se suministra a la tubería 403. La temperatura del amoniaco suministrado a la tubería 403 se reduce por el intercambiador de calor 430 de gas de síntesis y se suministra a la tubería 404. La tubería 404 está conectada al equipo 450 de licuación.
En la instalación 450 de licuación, se licua el amoniaco producido y se lleva a la tubería 406, y el gas de síntesis que no ha reaccionado se devuelve a la tubería 405, se presuriza junto con nuevo gas de síntesis mediante el compresor 420 de gas de síntesis y se carga en el recipiente 440 de reacción. El amoniaco licuado en el equipo 450 de licuación se almacena en el equipo de almacenamiento de amoniaco (no mostrado) desde la tubería 406 y se transporta por tierra y/o mar.
La Fig. 11 muestra otro ejemplo de la instalación de síntesis de amoniaco. La instalación 400B de síntesis de amoniaco tiene la misma configuración que la instalación 400A de síntesis de amoniaco descrita haciendo referencia a la Fig. 10 salvo porque la tubería 303 está conectada en el lado de una etapa posterior del compresor 420 de gas de síntesis. Por consiguiente, se omite la descripción de las construcciones similares a las del equipo 400A de síntesis de amoniaco.
El nitrógeno suministrado a la tubería 304 se suministra en la entrada del compresor de la primera etapa del compresor 420 de gas de síntesis. El hidrógeno suministrado a la tubería 303 se suministra en la entrada del compresor de la segunda etapa del compresor 420 de gas de síntesis.
La presión de nitrógeno suministrado desde la tubería 304 es la presión de descarga de la turbina de gas 313 y a su vez, es una baja presión. El hidrógeno suministrado desde la tubería 303 se suministra desde el depósito 202 de hidrógeno en el que se almacena hidrógeno comprimido y, por tanto, la presión del mismo es una presión elevada. Por consiguiente, el nitrógeno de la tubería 304 puede suministrarse a una primera etapa del compresor y el hidrógeno de la tubería 303 puede suministrarse a una segunda o posterior etapa del compresor. A propósito, en la Fig. 11, se ilustra a modo de ejemplo un compresor 420 de gas de síntesis que tiene una configuración multietapa, pero el compresor de gas de síntesis no queda limitado al compresor 420 de gas de síntesis descrito haciendo referencia a la Fig. 11.
De este modo, hidrógeno con un número de moles de hasta el triple que el nitrógeno suministrado desde la tubería 304 se carga desde la tubería 303 en el lado interno de una etapa posterior del compresor, por lo que la energía requerida por el compresor 420 de gas de síntesis se puede reducir enormemente al compararla con el caso de cargar hidrógeno en una primera etapa y presurizarlo. Como se ha descrito antes, en una planta de producción de amoniaco, la energía para la compresión del gas de síntesis constituye una parte importante de la energía que necesita el amoniaco y, por tanto, cuando se reduce la energía que requiere el compresor 420 de gas de síntesis, se puede reducir la energía que se requiere por el amoniaco.
Control de la instalación de síntesis de amoniaco
La cantidad de producción de hidrógeno en la instalación 100 de producción de hidrógeno varía dependiendo del valor de insolación y, por tanto, en la planta 10 de producción de amoniaco, la cantidad de producción de amoniaco se puede controlar de acuerdo con el valor de insolación.
La Fig. 12 es una vista que ilustra un ejemplo de la cantidad de luz de insolación captada. La curva 801 de cantidad de luz captada indica la cantidad de luz captada en verano. La curva 803 de cantidad de luz captada indica la cantidad de luz captada en invierno. La curva 802 de cantidad de luz captada indica la cantidad de luz captada en primavera y otoño. Como se muestra en las Figuras, la cantidad de luz captada es mayor en verano debido al mayor período de tiempo que hay entre el amanecer y el anochecer. Por otro lado, la cantidad de luz captada es pequeña en invierno debido al corto período de tiempo entre el amanecer y el anochecer. En el caso de que la cantidad de luz captada sea pequeña, no se obtiene a veces suficiente hidrógeno para la producción deseada de amoniaco. Además, cuando la cantidad de luz captada es grande, se produce exceso de hidrógeno. Por consiguiente, la planta 10 de producción de amoniaco controla preferentemente la cantidad de producción de
amoniaco de acuerdo con la cantidad de luz captada.
Un ejemplo de aparato de control para llevar a cabo el cálculo de la cantidad de producción de amoniaco y controlar la cantidad de producción de amoniaco se describe por referencia a la Fig. 13. El aparato 900 de control tiene unos medios de memoria 911, unos medios de procesador 912, unos medios de comunicación 913, un dispositivo 914 de memoria externa, una unidad de almacenamiento 915 y un bus o enlace común 919. Aunque no se muestra, el aparato 900 de control está conectado, a través de los medios de comunicación 913, a los dispositivos de instrumentación de la planta 10 de producción de amoniaco, al aparato 260A de control de presión o al aparato 260B de control de presión, al aparato 320A de control de hidrógeno o al aparato 320B de control de hidrógeno, y al aparato 460 de control de síntesis de amoniaco.
El aparato 900 de control almacena información de los valores de insolación, cantidad residual del depósito de hidrógeno e información de la previsión meteorológica en los medios de memoria 911. La información del valor de insolación y la información de la previsión meteorológica se pueden recibir en la red a través de los medios de comunicación 913 desde un sistema externo en el que se hace una predicción del valor de insolación y el tiempo. El aparato 900 de control obtiene la cantidad residual del depósito de hidrógeno usando la información de la presión obtenida del indicador 232 de la presión del depósito de hidrógeno. La información del valor de insolación es información para registrar el valor de insolación por hora, determinado de acuerdo con el tiempo entre el amanecer y el anochecer, que varía según las estaciones, y la predicción meteorológica y la predicción de la cantidad de luz captada y la cantidad de producción de hidrógeno usando el registro. En otras palabras, la información de insolación es información que contiene la insolación en la que, por ejemplo, como se muestra en la Fig. 12, se registra la fluctuación de la estación o tiempo.
El aparato 900 de control almacena además un programa para calcular la cantidad de producción de amoniaco y permitir que la instalación de síntesis de amoniaco produzca amoniaco en la cantidad de producción de amoniaco calculada. Los medios de procesamiento 912 del aparato 900 de control llevan a cabo una función de cálculo de la cantidad de producción de amoniaco ejecutando el programa anterior. El aparato 900 de control envía la cantidad de producción de amoniaco calculada por la función de cálculo de la cantidad de producción de amoniaco, como valor de consigna al aparato 460 de control de síntesis de amoniaco, por lo que se puede controlar la cantidad de producción de amoniaco de la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
De este modo, el aparato 900 de control calcula la cantidad de amoniaco que puede producirse en un día basándose en la información del valor de insolación, al mismo tiempo, calcula la cantidad de producción de amoniaco a partir del hidrógeno en el valor de producción calculado y, de este modo, permite que la instalación 400 de síntesis de amoniaco produzca amoniaco en la cantidad de producción de amoniaco calculada.
Un ejemplo del flujo de procesos para llevar a cabo el cálculo de la cantidad de producción de amoniaco y controlar la cantidad de amoniaco producida mediante el aparato 900 de control se describe con referencia a las Figs. 13 y 14.
Los medios de procesamiento 912 del aparato 900 de control calculan la cantidad de producción de hidrógeno usando el valor de insolación obtenido de la información del valor se insolación (8701). La cantidad de producción de amoniaco se calcula basándose en la energía térmica obtenida a partir del valor de insolación. En los medios de procesamiento 912, el caudal de hidrógeno por hora suministrado desde la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno a la instalación 300 de producción de nitrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco se calcula a partir de la cantidad de producción de hidrógeno calculado (8702). A continuación, los medios de procesamiento 912 determinan el caudal de hidrógeno a la instalación 300 de producción de nitrógeno y la instalación 400 de síntesis de amoniaco (8703). La reacción de combustión de hidrógeno se lleva a cabo para la producción de hidrógeno y generación de energía, pero el caudal de hidrógeno se determina en base al volumen dominante entre la cantidad de producción de nitrógeno y la generación de energía. En el caso de que, por ejemplo, la eficiencia de generación de energía del aparato 310 de combustión de hidrógeno es elevada y el efecto del consumo de energía de la instalación 400 de síntesis de amoniaco es elevado, la cantidad de generación de energía predeterminada se ve satisfecha con una pequeña cantidad de hidrógeno, mientras que cuando no se obtiene una cantidad de nitrógeno suficientemente grande para el gas de síntesis, el caudal de hidrógeno a la instalación 300 de producción de nitrógeno se determina para producir nitrógeno. Por otro lado, en el caso de que la demanda de energía eléctrica sea elevada, el caudal de hidrógeno a la instalación 300 de producción de nitrógeno se determina para producir nitrógeno en una cantidad más de la necesaria para el gas de síntesis y llevar a cabo generación de energía.
A propósito, el caudal de hidrógeno se puede calcular usando las fórmulas siguientes:
Ha: la cantidad de hidrógeno suministrada a la instalación 300 de producción de nitrógeno y a la instalación de síntesis de amoniaco,
Hg: el caudal de hidrógeno del gas de síntesis, He: el caudal de hidrógeno para generación de energía, Hn: el caudal de hidrógeno para producción de nitrógeno, Ng: el caudal de nitrógeno en el gas de síntesis,
a: una constante predeterminada (una constante determinada a partir de la energía eléctrica requerida para la producción de amoniaco)
b: la razón entre el hidrógeno necesario para la producción de nitrógeno y el nitrógeno, Ha =Hg + He (fórmula 21) Ha =Hg + Hn (fórmula 22) He =axHg (fórmula 23) Hn =bxNg (fórmula 24) Ng =1/3xHg (fórmula 25)
En el caso de determinar el caudal de hidrógeno con fines de generación de energía, el caudal de hidrógeno (Hg) del gas de síntesis se determina mediante la siguiente fórmula 26 obtenida usando las fórmulas 21 y 23:
Hg =Ha/(1 +a) (fórmula 26) En el caso de determinar el caudal de hidrógeno con fines de producción de nitrógeno, el caudal de hidrógeno (Hg) del gas de síntesis se determina mediante la siguiente fórmula 27 obtenida usando las fórmulas 22, 24 Y25: Hg =Ha/(1 +b/3) (fórmula 27) Los medios 912 de procesamiento determinan Ng a partir del Hg (8704) calculado y calculan además la cantidad de producción de amoniaco a partir de Hg y Ng (8705). El aparato 900 de control envía la cantidad de producción de
amoniaco así calculado como valor de consigna al aparato 460 de control de síntesis de amoniaco, por lo que se puede controlar la cantidad de producción de amoniaco de la instalación 400 de síntesis de amoniaco.
La cantidad de producción de hidrógeno y la cantidad de producción de amoniaco se calculan y controlan en base a la información del valor de insolación, y la cantidad de hidrógeno enviada a la instalación 400 de síntesis de amoniaco se calcula igualando el hidrógeno que se produce solo bajo la insolación, por lo que se puede evitar la pérdida de energía debida al funcionamiento intermitente y, a su vez, se puede producir amoniaco utilizando de forma eficiente la energía solar.
Planta combinada para el suministro de gas de síntesis de amoniaco La Fig. 17 muestra un ejemplo de la planta combinada para el suministro de un gas de síntesis a una instalación 400 de síntesis de amoniaco. La planta combinada 30 es una planta para el suministro de un gas de síntesis a la instalación 400 de síntesis de amoniaco. La planta combinada 30 tiene la instalación 100A de producción de hidrógeno, la instalación 200A de almacenamiento de hidrógeno o la instalación 2008 de almacenamiento de hidrógeno, y la instalación 300A de producción de nitrógeno o la instalación 3008 de producción de nitrógeno, que se describen con referencia a las Figs. 5 a 9, y suministra un gas de síntesis que contiene hidrógeno y nitrógeno a la instalación 400 de síntesis de amoniaco. La instalación 100A de producción de hidrógeno, la instalación 200A de almacenamiento de hidrógeno o la instalación 2008 de almacenamiento de hidrógeno, y la instalación 300A de producción de nitrógeno o la instalación 3008 de producción de nitrógeno ya se han descrito y, por tanto, su descripción se omite. En el caso de que la planta combinada 30 tenga la instalación 2008 de almacenamiento de hidrógeno, por la multifuncionalidad de la unidad 2508 de compresión, puede omitirse el compresor 210 mostrado en la Fig. 6. Además, como se describe con referencia a las Figs. 6 y 7, la presión del hidrógeno almacenado en el depósito 240 de hidrógeno se eleva de acuerdo con la presión de funcionamiento del incinerador 312, de modo que el volumen requerido del depósito 240 de hidrógeno se puede reducir. Por otro lado, como se describe por referencia a la Fig. 11, el hidrógeno se suministra a la etapa posterior del compresor 420 de gas de síntesis, de modo que la potencia de compresión del compresor 420 de gas de síntesis en la instalación 400 de
amoniaco gas se puede reducir.
Balance de materia de la planta de amoniaco
El diagrama de flujos del proceso para ilustrar el balance de materia de la planta de amoniaco se describe por referencia a la Fig. 15.
Las tuberías 201, 303, 304, 305 Y 406 son como se ha descrito en las Figs. 5 a 10. La energía eléctrica 291 es la energía eléctrica que se suministra a la instalación 200 de almacenamiento de hidrógeno desde la instalación 300 de producción de nitrógeno. La energía eléctrica 391 es la energía eléctrica que se consume por la separación criogénica en la instalación 300 de producción de nitrógeno. La energía eléctrica 491 es la energía eléctrica que se suministra a la instalación 400 de síntesis de amoniaco desde la instalación 300 de producción de nitrógeno.
Un ejemplo del balance de materia en la planta de amoniaco mostrada en la Fig. 15 se describe por referencia a la Fig. 16.
El balance de materia se calcula para los tres casos siguientes.
Caso A)
Se produce nitrógeno por la combustión de nitrógeno y la electricidad generada por la combustión de nitrógeno se usa en la instalación de producción de nitrógeno y en la instalación de síntesis de amoniaco durante 24 horas.
Caso B)
Se produce nitrógeno por combustión de hidrógeno y la electricidad generada por la combustión de hidrógeno se usa en la instalación de producción de nitrógeno y en la instalación de síntesis de amoniaco solo durante el período nocturno. Durante el día, se genera energía por la unidad 190 de generación de energía de la Fig. 5, Y la energía eléctrica necesaria en la instalación de producción de nitrógeno y en la instalación de síntesis de amoniaco se suministra desde la unidad 190 de generación de energía.
Caso C)
Se produce nitrógeno por separación criogénica y la electricidad generada por la combustión de hidrógeno se usa en la instalación de producción de nitrógeno y en la instalación de síntesis de amoniaco solo durante el período nocturno.
Las condiciones de cálculo para calcular el balance de materia son como sigue.
Valor de la producción de amoniaco: 2500 t/d
Cantidad de nitrógeno en el gas de síntesis gas: 1 860000 Nm3/d
Cantidad de hidrógeno en el gas de síntesis: 5 570000 Nm3/d
Eficiencia de generación de energía del gas de combustión de hidrógeno: 0,3
La Fig. 16 muestra la Tabla 801 de balances de materia obtenidos para los casos anteriormente descritos con las condiciones de cálculo anteriores. Como es evidente por la Tabla 801, cuando la cantidad de producción de amoniaco es constante, el caudal de hidrógeno requerido mostrado en la tubería 201 disminuye en el orden de Caso C, Caso A y Caso B. La comparación entre el Caso B y el Caso C cuando la potencia eléctrica requerida durante el período nocturno es suministrada totalmente por la instalación 300 de producción de nitrógeno revela que la cantidad de hidrógeno requerida es menor cuando el nitrógeno se produce por la combustión de hidrógeno que cuando se produce por separación criogénica.
Estos resultados se calculan en base a varias suposiciones, y se determinan las selecciones en una planta real, diferente de este cálculo, considerando un gran número de factores tales como el coste de construcción y de mantenimiento de la planta, disponibilidad de suministro de energía eléctrica externo y zona de emplazamiento.
Todos los ejemplos y condiciones divulgados en esta memoria descriptiva se describen con la intención de permitir que el lector comprenda la presente invención y no se considerará que limitan la presente invención. Aunque los ejemplos de trabajo de la presente invención se describen con detalle, se comprenderá que se pueden realizar diversas modificaciones, equivalentes y alternativas a la misma sin apartarse del alcance de la invención.

Claims (28)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Un método para la producción de amoniaco, que comprende: adquirir, mediante una instalación de producción de hidrógeno, energía solar y producir, mediante la instalación de producción de hidrógeno, hidrógeno utilizando una parte de la energía solar adquirida; producir, mediante una instalación de producción de nitrógeno, nitrógeno a partir de aire; almacenar el hidrógeno producido por la instalación de producción de hidrógeno en una instalación de almacenamiento de hidrógeno; y
    sintetizar continuamente, mediante una instalación de síntesis de amoniaco, amoniaco a partir del hidrógeno producido y del nitrógeno producido.
  2. 2.
    El método según la reivindicación 1, en el que el nitrógeno producido por la instalación de producción de nitrógeno se almacena en la instalación de almacenamiento de nitrógeno.
  3. 3.
    El método según la reivindicación 1, que comprende convertir la energía térmica generada quemando el hidrógeno producido y aire en energía eléctrica, y suministrar la energía eléctrica obtenida a al menos una de la instalación de producción de nitrógeno, la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  4. 4.
    El método según la reivindicación 1, que comprende producir nitrógeno quemando el hidrógeno producido y aire por la instalación de producción de nitrógeno, convertir la energía térmica generada por la combustión en energía eléctrica, y suministrar la energía eléctrica producida a al menos una de la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  5. 5.
    El método según la reivindicación 4, que comprende quemar, mediante la instalación de producción de nitrógeno, aire e hidrógeno en un exceso de hidrógeno mayor que la razón estequiométrica, y determinar la razón de exceso de hidrógeno en base a al menos una de la concentración de oxígeno en el gas de combustión, la concentración de óxido de nitrógeno y la eficiencia de generación de energía.
  6. 6.
    El método según la reivindicación 4, que comprende quemar, mediante la instalación de producción de nitrógeno, el hidrógeno producido en una cantidad suficientemente grande para obtener una cantidad de nitrógeno necesaria para la síntesis de amoniaco.
  7. 7. El método según la reivindicación 3, que comprende quemar,
    mediante la instalación de producción de nitrógeno, el hidrógeno producido en una cantidad suficientemente grande para adquirir energía eléctrica determinada a partir de la energía eléctrica necesaria para al menos una de la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  8. 8.
    El método según la reivindicación 6 o 7, que comprende obtener, mediante la instalación de producción de nitrógeno, el hidrógeno producido por la instalación de almacenamiento de hidrógeno.
  9. 9.
    El método según la reivindicación 3, que comprende almacenar el hidrógeno a una presión basada en la presión de combustión del hidrógeno y el aire en la instalación de producción de nitrógeno y/o la presión de reacción de la síntesis de amoniaco en la instalación de almacenamiento de hidrógeno.
  10. 10.
    El método según la reivindicación 1, que comprende calcular la cantidad de hidrógeno que puede producirse en un día en base a la información del valor de insolación solar y calcular la cantidad de producción de amoniaco en base al valor de producción de hidrógeno calculado, en el que
    en la síntesis continua de amoniaco, se produce amoniaco en la cantidad de producción de amoniaco calculada.
  11. 11.
    Un método para la producción de un gas de síntesis de amoniaco que comprende: adquirir, mediante una instalación de producción, energía solar y producir hidrógeno utilizando una parte de la energía solar adquirida; producir, mediante una instalación de producción de nitrógeno, nitrógeno a partir de aire; almacenar el hidrógeno producido por la instalación de producción de hidrógeno en una instalación de almacenamiento de hidrógeno; y
    suministrar el hidrógeno producido y el nitrógeno producido a una instalación de síntesis de amoniaco.
  12. 12.
    El método según la reivindicación 11, que comprende almacenar el nitrógeno producido por la instalación de producción de nitrógeno en la instalación de almacenamiento de nitrógeno.
  13. 13.
    El método según la reivindicación 11, que comprende producir nitrógeno quemando el hidrógeno producido y aire en la instalación de
    producción de nitrógeno, convertir la energía térmica generada por la combustión en energía eléctrica, y suministrar la energía eléctrica obtenida a al menos una de la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  14. 14.
    El método según la reivindicación 13, que comprende, en la instalación de almacenamiento de hidrógeno, almacenar el hidrógeno a una presión basada en la presión de combustión del hidrógeno y el aire en la instalación de producción de nitrógeno y/o la presión de reacción de la síntesis de amoniaco.
  15. 15.
    Una planta de producción de amoniaco para la producción de amoniaco usando energía solar, que comprende:
    una instalación de producción de hidrógeno para adquirir energía solar y producir hidrógeno utilizando una parte de la energía solar adquirida,
    una instalación de producción de nitrógeno para producir nitrógeno a partir de aire,
    una instalación de almacenamiento de hidrógeno para almacenar el hidrógeno producido por la instalación de producción de hidrógeno; y
    una instalación de síntesis de amoniaco para sintetizar de forma continua amoniaco a partir del hidrógeno producido y el nitrógeno producido.
  16. 16.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 15, que comprende una instalación de almacenamiento de nitrógeno para almacenar el nitrógeno producido por la instalación de producción de nitrógeno.
  17. 17.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 15, que comprende un equipo de generación de energía para convertir la energía térmica generada quemando el hidrógeno producido y el aire en energía eléctrica, y suministrar la energía eléctrica obtenida a al menos una de la instalación de producción de nitrógeno, la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  18. 18.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 15, en la que la instalación de producción de nitrógeno produce nitrógeno quemando el hidrógeno producido y aire, convierte la energía térmica generada por la combustión en energía eléctrica, y suministra la energía eléctrica obtenida a al menos una de la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  19. 19. La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 18, en la que la instalación de producción de nitrógeno quema aire e hidrógeno en un exceso de hidrógeno mayor que la razón estequiométrica, y la razón del exceso de hidrógeno se determina en base a al menos una de la concentración de oxígeno en el gas de combustión, la concentración de óxido de nitrógeno, y la eficiencia de generación de energía.
  20. 20.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 18, en la que en la instalación de producción de nitrógeno, el hidrógeno producido se quema en una cantidad suficientemente grande para obtener la cantidad de nitrógeno necesaria para la síntesis de amoniaco.
  21. 21.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 17, en la que la instalación de producción de nitrógeno quema el hidrógeno producido en una cantidad suficientemente grande para adquirir energía eléctrica determinada a partir de la energía eléctrica necesaria para al menos una de la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  22. 22.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 20 o 21, en la que la instalación de producción de nitrógeno obtiene el hidrógeno producido de la instalación de almacenamiento de hidrógeno.
  23. 23.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 17, en la que la instalación de almacenamiento de hidrógeno almacena el hidrógeno a una presión basada en la presión de combustión del hidrógeno y el aire en la instalación de producción de nitrógeno y/o la presión de reacción de la síntesis de amoniaco.
  24. 24.
    La planta de producción de amoniaco según la reivindicación 15, que comprende un aparato de control para calcular la cantidad de hidrógeno que puede producirse en un día basándose en la información del valor de insolación solar, calcular la cantidad de producción de amoniaco en base al valor de producción de hidrógeno calculado, y dejar que la instalación de síntesis de amoniaco produzca amoniaco en la cantidad de producción de amoniaco calculada.
  25. 25.
    Una planta combinada para el suministro continuo de hidrógeno y nitrógeno a una instalación de síntesis de amoniaco que sintetiza de forma continua amoniaco a partir de hidrógeno y nitrógeno, comprendiendo la planta combinada:
    una instalación de producción de hidrógeno para adquirir energía solar y producir hidrógeno utilizando una parte de la energía solar adquirida;
    una instalación de producción de nitrógeno para producir nitrógeno a partir de aire y suministrar el nitrógeno a la instalación de síntesis de amoniaco; y
    5 una instalación de almacenamiento de hidrógeno para almacenar el hidrógeno producido por la instalación de producción de hidrógeno y suministrar el hidrógeno producido a la instalación de síntesis de amoniaco.
  26. 26. La planta combinada según la reivindicación 25, que comprende
    una instalación de almacenamiento de nitrógeno para almacenar el nitrógeno 10 producido por la instalación de producción de nitrógeno.
  27. 27. La planta combinada según la reivindicación 25, en la que la instalación de producción de nitrógeno produce nitrógeno quemando el hidrógeno producido y aire, convierte la energía térmica generada por la combustión en energía eléctrica, y suministra la energía eléctrica obtenida a al
    15 menos una de la instalación de síntesis de amoniaco y la instalación de producción de hidrógeno.
  28. 28. La planta combinada según la reivindicación 25, en la que la instalación de almacenamiento de hidrógeno almacena el hidrógeno a una presión basada en la presión de combustión del hidrógeno y el aire en la
    20 instalación de producción de nitrógeno y/o la presión de reacción de la síntesis de amoniaco.
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