ES2502539T3 - Procedimiento para la producción de ácido nítrico mediante una planta de producción regulable en función de la carga - Google Patents

Procedimiento para la producción de ácido nítrico mediante una planta de producción regulable en función de la carga Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la producción de ácido nítrico de una concentración en el intervalo de 50 a 76% a partir de amoniaco y gas que contiene oxígeno según el procedimiento mono-presión o de presión dual, en el que la combustión del amoniaco usado se realiza con aire de proceso comprimido, que se comprimió en al menos un compresor (3), y el gas nitroso formado con la combustión se absorbe al menos parcialmente con agua, con lo que se genera ácido nítrico, y el gas residual no absorbido se expande con el fin de obtener trabajo de compresión en al menos un expansor de gas (7), formando el compresor (3), el expansor de gas (7), uno o dos compresores de NO (5, 6) y la turbina de vapor (1) un grupo de máquinas accionado por un eje común, caracterizado porque a baja carga se alimenta al menos una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico al menos a un expansor de gas (7).

Description

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DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la producción de ácido nítrico mediante una planta de producción regulable en función de la carga
La presente invención se refiere a un procedimiento para la producción de ácido nítrico, en cuyo marco a baja carga una parte del aire de proceso comprimido se alimenta evitando el proceso químico para la recuperación de energía a un expansor de gas. La invención se refiere también a un equipo para la producción de ácido nítrico.
Para la producción de ácido nítrico se hace reaccionar por lo general en primer lugar amoniaco NH3 con aire y se genera óxido de nitrógeno:
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O + 907,3 kJ.
El óxido de nitrógeno NO generado a este respecto se oxida luego dando dióxido de nitrógeno NO2:
2NO + O2 → 2NO2 + 113,1 kJ.
A continuación se absorbe el dióxido de nitrógeno NO2 así obtenido en agua y se genera el ácido nítrico:
4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3 + 256,9 / 93,3 kJ.
De este modo es muy posible que se absorba el dióxido de nitrógeno NO2 obtenido del agua, alcanzando una absorción por lo general a una presión elevada, preferiblemente a presiones entre 400 y 1400 kPa (4 a 14 bar).
El oxígeno necesario para la reacción del amoniaco usado como materia prima se alimenta por lo general en forma de oxígeno del aire. A efectos de alimentación se comprime el aire de proceso en un compresor y se aplica una presión que se ajusta tanto a la reacción de oxidación como también a la reacción de absorción.
De forma sorprendente la energía para la compresión del aire se obtiene por una parte mediante descompresión del gas residual que sale de la absorción hasta presión ambiente y por otra parte con el uso del calor liberado en las reacciones. Las plantas de ácido nítrico construidas en las distintas realizaciones se ajustan a los requerimientos especiales respectivos de su respectivo lugar.
Las plantas de ácido nítrico de una sola línea alcanzan normalmente capacidades nominales de 100 a 1.500 toneladas de producción diaria de ácido nítrico. Con el desdoble de parte de la reacción se pueden alcanzar en una línea hasta 2.000 toneladas, y en optimización adicional también hasta 3.000 toneladas de producción diaria.
Si la producción diaria requerida es baja o poseen una localización con comparativamente bajos precios de energía, entonces se opera el ácido nítrico preferiblemente según el procedimiento de mono-presión alta. En este procedimiento tienen lugar la combustión del amoniaco y la absorción de los óxidos de nitrógeno a aproximadamente la misma presión de aproximadamente 1000 kPa (10 bar). Si se requieren capacidades nominales mayores y/o concentraciones de ácido superiores, entonces una planta de ácido nítrico ejecutada según el procedimiento de presión dual representa una solución más económica. El ácido nítrico producido del 60 al 68% se comercializa como tal (por ejemplo, para la fabricación de fertilizantes o plásticos) o se concentra.
En el procedimiento de presión dual la combustión del amoniaco usado se realiza con una primera presión, a saber, con una presión baja –en comparación con la presión de absorción–. Los gases nitrosos formados en la combustión, también denominados gas nitroso, se llevan en general tras el enfriamiento por la compresión de gas nitroso a la segunda presión, la presión de absorción.
Las plantas habituales previas con combustión a presión normal y absorción a media presión se encuentran hoy en día superadas por los procedimientos mono-presión y de presión dual más económicos. El ácido nítrico producido se designa también como ácido nítrico azeotrópico, ya que se puede obtener en una destilación posterior eventual un ácido tal mediante a la formación de un azeótropo solo en una concentración máxima de ácido nítrico del 68%. Para la superación de este límite se han prescrito en la bibliografía una gran cantidad de procedimientos.
En el documento EP 0 945 400 se describe por ejemplo un procedimiento de presión dual para la producción de ácido nítrico. La combustión del amoniaco usado se realiza a una primera presión baja mediante aire de proceso comprimido, a continuación el gas nitroso formado por la combustión se absorbe al menos parcialmente con agua a una segunda presión comparativamente mayor que la primera, con lo que se forma ácido nítrico. Al gas residual no absorbido se le reduce la presión de la segunda presión a la presión ambiente en un expansor de gas residual con el fin de obtener trabajo de compresión.
En general las plantas para la realización del procedimiento descrito previamente comprenden una línea de equipos, que comprende al menos un compresor de aire, al menos un compresor de gas nitroso así como al menos una
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turbina de expansión y al menos una turbina de vapor. Estas partes de la planta de ácido nítrico forman un grupo de máquinas que se accionan con un eje común. Este grupo de equipos se acciona mediante la turbina de vapor por una parte y la turbina de expansión (un expansor de gas residual) por otra parte. Estos cuatro equipos turbo acoplados entre sí con una línea de eje están ejecutados normalmente en modo constructivo axial. El grupo de máquinas no es regulable discrecionalmente en intervalos de carga baja ya que esto se ve impedido por motivos termodinámicos y mecánicos.
De este modo se puede restringir, por ejemplo, el rendimiento de un compresor por lo general como máximo al 70 a 80% de su rendimiento máximo. La carga media típica de un grupo de máquinas como se describió previamente se encuentra por tanto en el intervalo de aproximadamente 70 a 80%.
Por tanto para poder reaccionar de forma rápida y flexible en mercados oscilantes, se operan frecuentemente varias plantas de pequeño tamaño, que en el caso de una demanda menor de ácido nítrico se paran sucesivamente. La operación de varias plantas de pequeño tamaño en paralelo conduce a este respecto a costes crecientes; la conexión y desconexión conduce a un elevado desgaste de los componentes de la planta, lo que conlleva igualmente a costes elevados.
Un objetivo de la presente invención consiste en optimizar los procedimientos mono-presión y de presión dual conocidos para la producción de ácido nítrico, de modo que pueda realizarse en un intervalo de carga mayor. Además un objetivo de la invención consiste en proporcionar plantas para la realización de tales procedimientos.
La invención consigue los objetivos proporcionando un procedimiento para la producción de ácido nítrico con una concentración en el intervalo de 50 a 76% a partir de amoniaco y gas que contiene oxígeno según el procedimiento de mono-presión o de presión dual, en el que la combustión del amoniaco usado se consigue mediante aire de proceso comprimido, que se comprimió en al menos un compresor.
El gas nitroso formado con la combustión se absorbe al menos parcialmente con agua, con lo que se genera ácido nítrico. El gas residual no absorbido se expande con el fin de recuperar trabajo de compresión en uno o también varios expansores de gas, preferiblemente a presión ambiente. El procedimiento se caracteriza porque a baja carga se alimenta al menos una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico al menos a un expansor de gas.
Como gas que contiene oxígeno se usa frecuentemente aire, puede ser también ventajoso usar aire enriquecido con oxígeno (por ejemplo, con un contenido en O2 de 22 a 50% en volumen).
La invención se refiere de forma particular a un procedimiento a escala industrial para la producción de ácido nítrico de una concentración en el intervalo de 50 a 76% a partir de amoniaco y gas que contiene oxígeno según el procedimiento de mono-presión o de presión dual, en el que la combustión del amoniaco usado se consigue con aire de proceso comprimido, que se comprimió en al menos un compresor (3), y el gas nitroso formado con la combustión se absorbe al menos parcialmente con agua, generándose ácido nítrico, y el gas residual no absorbido se expande con recuperación del trabajo de compresión en un expansor de gas (7), caracterizado porque a baja carga se alimenta al menos una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico a un expansor de gas (7).
La invención se refiere de forma particular a un procedimiento en el que se realiza la producción del ácido nítrico según el procedimiento de presión dual.
La invención se refiere también a un procedimiento que se realiza en una planta que comprende uno o dos compresores de NO (5, 6).
La invención se refiere de forma particular a un procedimiento, llevándose a cabo el procedimiento en una planta que comprende al menos 2 expansores de gas.
La invención se refiere de forma particular a un procedimiento en el que una parte del aire de proceso comprimido se alimenta evitando el proceso químico a al menos un expansor de gas (7), que está conectado aguas arriba o aguas abajo a un expansor de gas (8) adicional, en el que se absorbe el gas residual no absorbido.
La invención se refiere también a un procedimiento en el que se calienta al menos una parte del aire de proceso comprimido que se alimenta evitando el proceso químico al expansor de gas (7).
La invención se refiere de forma particular a un procedimiento que se lleva o se puede llevar a cabo en una planta que comprende al menos un equipo de absorción (21) para la absorción de gas nitroso en agua, que puede ser operado en un intervalo de carga de 35 a 100%.
Es además objeto de la invención un equipo para la realización de un procedimiento como el descrito anteriormente. Este equipo puede comprender preferiblemente una turbina de vapor, al menos un compresor de aire, al menos un 3 10
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compresor de NO (5) y al menos un expansor de gas (7), pudiendo realizarse una alimentación de aire (dirigida) preferiblemente por un conducto de derivación (37) y un control en distintas aberturas de entrada del o de los expansor(es) de gas (7).
Con ayuda del procedimiento de acuerdo con la invención se pueden configurar plantas para la producción de ácido nítrico rápidamente y con ahorro de material con cambio de carga en la producción de ácido nítrico. De este modo al alimentar con carga baja al menos una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico directamente a al menos un expansor de gas, puede aprovecharse de forma ventajosa la energía de compresión contenida en el aire de proceso comprimido para la operación del grupo de máquinas (por ejemplo, que comprende los compresores de la planta) o bien para la operación de la planta.
El término “baja carga” significa en el marco de la presente invención que se alimenta ya con una carga a la planta que se encuentra por debajo del 100% de carga completa de la planta (por ejemplo, por debajo de 80% o por debajo de 75%), una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico al menos a un expansor de gas.
Según una forma de realización preferida de la invención se reduce con menor demanda de ácido nítrico en primer lugar el grupo de máquinas (compresor y turbinas) a un intervalo de carga de aproximadamente 75% y con intervalos de carga menores se alimenta una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico a al menos un expansor de gas. Según una forma de realización preferida adicional de la invención se reduce el intervalo de carga del grupo de máquinas (compresor y turbinas) solo mínimamente y al menos una parte del aire de proceso comprimido se alimenta evitando el proceso químico al menos a un expansor de gas.
La proporción del aire de proceso comprimido que se alimenta (por ejemplo por una derivación) evitando el proceso químico al expansor varía, referido a la cantidad total del aire de proceso comprimido, en función de la carga de la planta. Por lo general en reducción de carga se regula a menos en primer lugar el compresor de aire con un regulador de torsión hasta un intervalo de carga hasta aproximadamente 70%, y luego la línea de máquinas en otro 50%, de modo que se alimentan al proceso químico en total aproximadamente 35% en volumen pero también como mínimo 20% en volumen del aire de proceso comprimido.
La cantidad de aire correspondiente al 50% en volumen del aire total se alimenta evitando el proceso químico al menos a un expansor de gas. El ajuste de cantidad del gas nitroso alimentado desde el compresor de NO al proceso químico se realiza con reciclado desde la parte a presión a la parte de succión del compresor, preferiblemente por al menos una válvula de regulación.
El término “carga” o bien “intervalo de carga” significa en el marco de la presente invención la variación de la capacidad de producción de la planta para la producción de ácido nítrico.
Con “evitar el proceso químico” se entiende en el sentido de la invención que la parte del aire de proceso comprimido, que no se usa para la síntesis de ácido nítrico, se alimenta sin conversión química al o a los expansor(es) de gas.
Según una forma de realización preferida de la invención se calienta la parte del aire de proceso comprimido antes de la alimentación al expansor de gas. A tal fin se calienta adicionalmente al menos una parte del aire de proceso comprimido conducido evitando el proceso químico con uso de eliminación de calor del proceso de producción, por ejemplo, con un intercambiador de calor, con lo que el procedimiento de acuerdo con la invención es aún más eficiente.
El procedimiento para la producción ácido nítrico se puede llevar a cabo en general según el procedimiento de mono-presión o el procedimiento de presión dual. Según una forma de realización preferida de la invención se lleva a cabo el procedimiento según el procedimiento de presión dual. La realización del procedimiento de acuerdo con la invención según el procedimiento de presión dual tiene la ventaja de que se pueden conseguir mayores concentraciones de ácido nítrico con una presión de absorción alta y además un mejor rendimiento de combustión con baja presión de absorción.
Según la invención la planta para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención comprende un grupo de máquinas que es accionado por un eje común, y comprende una turbina de vapor, un compresor de aire, un compresor de NO así como un expansor de gas.
Para poder llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la invención en plantas existentes para la producción de ácido nítrico, se pueden reequipar estas por ejemplo con un conducto de derivación regulable entre el compresor de aire y el expansor de gas, que sirva para el accionamiento de la línea de máquinas. Por tanto se puede llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la invención de modo y forma sencillos también en plantas existentes para la producción de ácido nítrico mediante una transformación simple. Son objeto de la invención también equipos para la realización de un procedimiento para la producción de ácido nítrico, como se describió anteriormente. En una realización especial de la invención se realiza la alimentación de aire en el (o bien en los) expansor(es) de gas
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mediante al menos un control de entrada variable. Preferiblemente la alimentación puede realizarse (por ejemplo en función de la presión) en distintas entradas del expansor de gas (7, 8) respectivo. De este modo se pueden equipar en un expansor de gas también varias aberturas de alimentación.
Según una forma de realización preferida de la invención la planta comprende para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención un grupo de máquinas, que comprende una turbina de vapor, un compresor de aire, dos compresores de NO y uno (o varios) expansores de gas.
De este modo es posible que el procedimiento de acuerdo con la invención se lleve a cabo en este caso en una planta que comprenda dos compresores de NO, en el caso de un menor aprovechamiento de la planta en el intervalo de carga de aproximadamente 50% se desconecta uno de los dos compresores de NO. Con dos compresores de NO presentes se pueden configurar estos de forma igual o distinta. La ventaja del uso de dos compresores de NO en comparación con el uso de un compresor de NO se encuentra también en que en el intervalo de carga medio se pueda desconectar uno de los compresores, mientras que en plantas con solo un compresor se debe conducir una parte del NO comprimido al circuito, con lo que puede llegarse en los circuitos correspondientes a cantidades muy altas de ácido diluido, lo que altera en el proceso la accesibilidad a una concentración de ácido producto del 68%.
Según la invención la planta para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención comprende al menos un expansor de gas (por ejemplo, 1, 2 ó 3 expansores), preferiblemente un expansor de gas de varios ejes o dos de un eje. La ventaja de una realización del procedimiento de este tipo se encuentra en la mejor regulabilidad de la planta en su conjunto. En el caso en el que el expansor se componga de dos equipos, el primer equipo por ejemplo puede operarse con el aire de proceso comprimido en exceso y el segundo equipo mediante el gas proceso o a la inversa.
Como ya se citó en la parte introductoria de la descripción, la formación de ácido nítrico se realiza mediante absorción de óxidos de nitrógeno en forma de gas con un índice de oxidación > 2 en solución acuosa. Los óxidos de nitrógeno se proporcionan a este respecto como el denominado gas nitroso, que se obtuvo por ejemplo mediante la combustión de amoniaco con aire de proceso comprimido. Los equipos para la absorción de óxidos de nitrógeno o bien del gas nitroso deben proporcionar una superficie de interfase lo mayor posible entre el gas nitroso y la solución acuosa para favorecer la transferencia de sustancia de óxidos de nitrógeno. Adicionalmente se deben proporcionar equipos correspondientes para la retirada del calor liberado en el marco del procedimiento de acuerdo con la invención.
En el marco del procedimiento de acuerdo con la invención los equipos de absorción de la instalación para la producción de ácido nítrico se regulan en lo referente a su flexibilidad y la flexibilidad del grupo de máquinas.
El procedimiento se lleva a cabo por tanto según una forma de realización de la invención en una planta para la producción de ácido nítrico que comprende uno o varios equipos de absorción para la absorción de gas nitroso en agua, cuyo intervalo de carga se ajusta al intervalo de carga del grupo de máquinas. El intervalo de carga en el que es o son operables el equipo de absorción o los equipos de absorción se encuentra por lo general en el intervalo de 35 a 100%.
Los equipos de absorción comprenden según una forma de realización general de la invención componentes que permiten la realización del procedimiento de acuerdo con la invención por un intervalo de carga de 35 a 100%.
Los componentes dispuestos en los equipos de absorción son según una forma de realización preferida de la invención platos, seleccionados del grupo de platos de válvulas, platos de burbujas, platos perforados y platos túnel así como combinaciones de los tipos de platos citados previamente. Según una forma de realización preferida de la invención los equipos de absorción comprenden además platos perforados. El uso de los tipos de platos anteriormente citados permite la realización del procedimiento de acuerdo con la invención en un intervalo de carga muy amplio de 35 a 100%. De forma ventajosa se pueden evitar con el uso de estos tipos de platos también cortocircuitos e interrupciones.
Según una forma de realización preferida adicional de la invención se usan para la realización de este procedimiento de acuerdo con la invención columnas de pared divisoria.
La invención se aclara a continuación más detalladamente en cuatro ejemplos con una respectiva figura.
Referencias:
1 Turbina de vapor
3 Compresor de aire
5 Compresor de NO 5
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6 Segundo compresor de NO 7 Expansor 8 Segundo expansor 9 Silenciador
5 11 Intercambiador de calor 13 Aire de proceso 15 Atmósfera 17 NH3 19 Quemador de NH3
10 21 Absorbedor 23 Agua 25 Gas residual 27 NH3 29 HNO3, al 68 %
15 31 tambor colector de vapor 33 Desgasificador de HNO3 35 HNO3, al 68 % 37 Conducto de derivación Las figuras acompañantes, figura 1 a figura 4, aclaran la invención mediante los ejemplos de realización. Estas
20 muestran: Figura 1 un esquema de conexiones de una planta de presión dual típica con compresor de aire 3, un compresor de NO 5, un expansor 7 así como una turbina de vapor 1. El aire de proceso 13 se reparte tras el compresor de aire 3, una mitad se conduce por la síntesis al compresor de NO 5 y a continuación a la columna de absorción 21. Para operar el compresor de NO 5 en un punto de 25 operación manejable, se instala una derivación que alimenta de nuevo por succión la cantidad de gas en exceso de la zona de presión. La otra parte del aire de proceso 13 previamente repartido se descomprime directamente en una alimentación intermedia en el expansor 7. La alimentación puede realizarse aquí en una entrada en el expansor 7, esta pude realizarse sin embargo también de forma variable por varios orificios de entrada separados al expansor 7. 30 Figura 2 un esquema de conexiones para una planta de presión dual típica para la producción de ácido nítrico. La figura 2 comprende la figura 1 con la diferencia de que el expansor 7 se compone de dos equipos, el expansor 7 y el expansor 8. Uno se acciona con el aire de proceso 13 en exceso, el segundo mediante el gas de proceso que proviene del procesamiento. De aquí resultan las ventajas relativas a la regularidad de la planta en su conjunto. 35 Figura 3 una variante del esquema de conexiones mostrado en la figura 1 con la diferencia de que el compresor de NO 5 no presenta por una parte derivación, sino que está equipado con dos partes 5, 6. En el caso de carga al 100% operan ambas en paralelo, en caso de carga al 50% trabaja solo una de ellas y aporta el 50% del gas de proceso al procesamiento. La segunda va vacía o se desacopla. De este modo resultan ventajas en cuanto a la regulabilidad y al rendimiento de la 40 planta en su conjunto. La realización del compresor de NO 5, 6 puede tener lugar como monomodal o como turbooperación. El expansor 7 está realizado interiormente de forma análoga a la variante 1. Figura 4 una variante del esquema de conexiones mostrado en la figura 3 con la diferencia de que el expansor 7 se compone, de forma similar a como se muestra en la figura 2, de 2 equipos 7, 8. 45 6

Claims (8)

  1. E10784463
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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la producción de ácido nítrico de una concentración en el intervalo de 50 a 76% a partir de amoniaco y gas que contiene oxígeno según el procedimiento mono-presión o de presión dual, en el que la 5 combustión del amoniaco usado se realiza con aire de proceso comprimido, que se comprimió en al menos un compresor (3), y el gas nitroso formado con la combustión se absorbe al menos parcialmente con agua, con lo que se genera ácido nítrico, y el gas residual no absorbido se expande con el fin de obtener trabajo de compresión en al menos un expansor de gas (7), formando el compresor (3), el expansor de gas (7), uno o dos compresores de NO (5, 6) y la turbina de vapor (1) un grupo de máquinas accionado por un eje común, caracterizado porque a baja
    10 carga se alimenta al menos una parte del aire de proceso comprimido evitando el proceso químico al menos a un expansor de gas (7).
  2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la producción del ácido nítrico se realiza según el procedimiento de presión dual.
  3. 3.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el procedimiento se lleva a cabo en 15 una planta que comprende al menos dos expansores de gas.
  4. 4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la parte del aire de proceso comprimida se alimenta evitando el proceso químico a al menos un expansor de gas (7), que está conectado aguas arriba o aguas abajo a un expansor de gas (8) adicional, en el que se expande el gas residual no absorbido.
  5. 5.
    Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se calienta al menos una parte del 20 aire de proceso comprimido, que se alimenta evitando el proceso químico al expansor de gas (7).
  6. 6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el procedimiento se lleva a cabo en una planta que comprende al menos un dispositivo de absorción (21) para la absorción de gas nitroso en agua, que se puede operar en un intervalo de carga de 35 a 100%.
  7. 7. Equipo para la realización de un procedimiento para la producción de ácido nítrico según una de las 25 reivindicaciones 1 a 7.
  8. 8. Equipo según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende una turbina de vapor, al menos un compresor de aire, al menos un compresor de NO (5) y al menos un expansor de gas (7), pudiendo realizarse una alimentación de aire mediante un conducto de derivación (37) y un control en diferentes orificios de entrada del o de los expansor(es) de gas (7).
    30
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ES10784463.1T 2009-11-06 2010-11-05 Procedimiento para la producción de ácido nítrico mediante una planta de producción regulable en función de la carga Active ES2502539T3 (es)

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