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PROCESO DE OBTENCION DE AMONIACO A PARTIR DEL GAS NATURAL

1. INTRODUCCION

El objetivo general de este trabajo es el conocimiento del proceso de producción de amoniaco, lo cual implica la descripción detallada de las tecnologías aplicadas a la producción del mismo.

El proceso de obtención de amónico consta de una serie de etapas, la primera de ellas es la etapa de Hidrodesulfuración, la cual tiene como finalidad el acondicionamiento del gas natural que ingresara a la planta de amoniaco. Esta etapa se efectúa por medio de dos procesos catalíticos (Hidrogenización y Desulfuración).

Previamente acondicionado el gas natural es enviado a la etapa de reformación, que consta de un reformador primario y un reformador secundario, antes de que este gas acondicionado ingrese al reformador primario debe ser calentado y mezclado con vapor para ser transformado en gas de síntesis. El gas de síntesis es enviado al reformador secundario para ser mezclado con aire precalentado, parte de este y otros gases se queman y se emplean para generar vapor y precalentar el gas natural de alimentación.

El gas de síntesis es enviado a la etapa de extracción de CO2, donde se procede a la extracción del mismo. El metano resultante es inerte y el agua es condensada. Así, la mezcla purificada de hidrógeno y nitrógeno con una relación molar de 3H2:1N2 es comprimida a la presión seleccionada para la síntesis del amoniaco.

2. OBJETIVOS

Conocer las propiedades generales (físicas y químicas) del amoniaco. Conocer las aplicaciones del amoniaco. Conocer las diferentes tecnologías para la obtención de amoniaco. Explicar la tecnología HALDOR TOPSOE A/S. Explicar la tecnología KELLOG BROWN &. ROOT. Explicar el proceso KBR kaap plus. Conocer las características técnicas para el diseño de construcción de la planta

de amoniaco en Bulo Bulo, Provincia Carrasco de Cochabamba.

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3. MARCO TEORICO

3.1. AMONIACO

El amoniaco es un compuesto de nitrógeno e hidrogeno. En condiciones de temperatura y presión ambiente es un gas toxico, incoloro, corrosivo, sofocante y altamente irritante. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Es más liviano que el aire y posee características de inflamabilidad. El amoniaco en cualquiera de sus presentaciones es higroscópico. Es soluble en disolventes orgánicos y sobre todo se disuelve fácilmente en agua donde genera el ión Amonio y forma soluciones alcalinas. Industrialmente el amoniaco está disponible como gas licuado envasado en cilindros de alta presión, y también en estado líquido en tanques adecuados para ello.

Formula: NH3

Peso Molecular: 17,03 g/mol Composición: N: 82,25 % y H: 17,75 %.

3.2. ORIGEN DEL AMONIACO

En 1784 BERTHOLLET descubrió que el amoniaco estaba formado por nitrógeno e hidrógeno. En 1795 HILDEBRANDT intentó su síntesis a partir de la homogenización de sus elementos a temperatura ambiente. A principios del siglo XIX se empezaron a realizar experimentos para sintetizar amoniaco con la ayuda de catalizadores como el hierro. En 1913 se establece la primera planta de producción de amoniaco a escala industrial.

3.3. PROPIEDADES FÍSICAS

Gas incoloro en condiciones normales Temperatura de solidificación : –77,74ºC Temperatura normal de ebullición : –33,4ºC Calor latente de vaporización a 0ºC : 302 kcal/kg Presión de vapor a 0ºC : 4,1 atm. Temperatura crítica : 132,4ºC Presión crítica : 113 atm. Densidad del gas (0ºC y 1atm) : 0,7714 g/l

3.4. PROPIEDADES QUÍMICAS

Acidez : 9,24 Solubilidad en agua : 89,9 g/ 100 ml (0ºC).

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3.5. APLICACIONES DEL AMONIACO

Como producto terminado se emplea en diferentes industrias, entre ellas se pueden

mencionar:

Textiles: Se usa en fibras sintéticas y artificiales, las cuales son el resultado de

transformaciones químicas; también como tintes para textiles, nuevos

materiales como el nylon.

También es usado para la fabricación de fertilizantes nitrogenados, tales como:

Amoniaco Anhidro: Es el amoniaco puro no contiene agua. Se le añade anhidro

para distinguirlo de otros productos.

Urea: Se utiliza como fertilizante agrícola, se aplica al suelo el cual provee

nitrógeno que es esencial en el metabolismo de la planta donde el grano se

hidroliza y se descompone. La urea se obtiene a partir de dióxido de carbono y

amoniaco, tal como se muestra en la siguiente reacción:

2NH3 + CO2 H2N (CO)NH2 + H2O

Nitrato de Amonio: Es una sal formada por iones de nitrato y de amonio, se

obtiene por la neutralización del ácido nítrico con el amonio, tras la evaporación

del agua; dicho compuesto es incoloro e higroscópico y altamente soluble en el

agua. Se obtiene mediante la siguiente reacción:

NH2 + HNO3 NH4 NO4

Sulfato de amonio (SAM): Es una sal, se utiliza como floculante, también es un

excelente componente para la llamada precipitación fraccionada, otro de sus usos

es como fertilizante nitrogenado, se obtiene por la siguiente reacción:

2NH3 + H2 SO4 (NH4)2 SO4

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El amoniaco es la materia prima base para la industria mundial de fertilizantes basados en

nitrógeno y el compuesto principal para la manufactura de seis productos principales:

Urea, Nitrato de Amonio, Sulfato de Amonio, Fosfatos de Amonio, Acido Nítrico y

Soluciones Nitrogenadas. A escala mundial, 85–90% del amoniaco se consume como

fertilizantes nitrogenados.

Los mayores productores de amoniaco en orden descendente son:

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4. MARCO PRACTICO

La mayor parte del amoniaco producido se obtiene a partir del gas de síntesis pero tomando en cuenta las materias primas que pueden dar lugar a la mezcla CO/H2 son:

Gas natural Nafta Fuel-Oíl Carbón

4.1. TECNOLOGIAS PARA LA OBTENCION DE AMONIACO A PARTIR DEL GAS NATURAL

Existen diferentes tecnologías o licencias que se aplican para la obtención de amoniaco a partir del gas natural entre las más conocidas se encuentran:

Licencia HALDOR TOPSOE A/S Licencia KELLOGG BROWN & ROOT, INC. Licencia LINDE AG. Licencia UHDE GMBH.

Diferenciándose entre ellas por los catalizadores (todos a base de hierro) y el tipo de reactor empleado (verticales u horizontales, de flujo axial o radial).

4.2. TECNOLOGIA HALDOR TOPSOE A/S

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4.2.1. APLICACIÓN

Para producir amoniaco desde un rango variado de alimentación de hidrocarburos que va desde gas natural hasta las naftas pesadas usamos la tecnología HALDOR TOPSOE de baja energía para la obtención de amoniaco.

4.2.2. DESCRIPCION DEL PROCESO

Gas natural u otra alimentación de HC es comprimido (si es requerido), desulfurizado, mezclado con vapor de proceso y convertido en gas de síntesis. La sección de reformado comprende un pre reformador (opcional, pero brinda beneficios particulares cuando la alimentación son hidrocarburos pesados o nafta) y además comprende un reformador secundario, donde se añade aire al proceso. La cantidad de aire es ajustada para obtener la relación de 3:1 de H2 respecto al N2 como es requerido para la reacción de síntesis de amoniaco. El reformador tubular con vapor es propiedad de TOPSOE. Después de la sección de reformado, el gas de síntesis pasa a la sección de alta y baja temperatura, el CO2 es removido y después es metanizado.

El gas de síntesis es comprimido a una determinada presión (Presión de Síntesis), típicamente rondando entre 140 y 220 Kg/cm2 y convertido en amoniaco en un LOOP usando convertidores de síntesis con flujo radial, puede ser de 2 lechos S-200, de tres lechos S-300 o el concepto de S-250 usando el convertidor S-200 seguido de un súper calentador de vapor y un convertidor S-50 de un solo lecho. El amoniaco producto es condensado y separado por refrigeración. El esquema de este proceso es flexible, y cada planta de amoniaco será optimizado para diferentes condiciones locales mediante el ajuste de varios parámetros de proceso. TOPSOE suministra todos los catalizadores usados en los pasos del proceso catalítico para la producción de amoniaco.

4.2.3. PLANTAS COMERCIALES

Más de 60 plantas usan la tecnología HALDOR TOPSOE para la obtención de amoniaco.

Desde 1990, 50 % de la producción de amoniaco ha sido basada en la tecnología TOPSOE.

La capacidad de las plantas construidas de la última década está en un rango de 650 MTPD y 2050 MTPD, siendo esta la planta de amoniaco la más grande del mundo.

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4.3. TECNOLOGIA KELLOGG BROWN & ROOT, INC.

DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA OBTENCIÓN DE AMONIACO PROCESO KELLOGG BROWN & ROOT, INC. (KRT)

4.3.1. DESCRIPCIÓN DE LAS ETAPAS

4.3.1.1. REFORMACIÓN CATALÍTICA

Después de la extracción de azufre, el reformador primario del vapor convierte cerca del 70 % de la alimentación de hidrocarburo en gas de síntesis. El metano es mezclado con vapor y pasado por encima de un catalizador del níquel. Las principales reacciones de reformación son:

El proceso de reformación catalítica del hidrocarburo vapor produce gas crudo de síntesis por reformación del vapor a baja presión. Las reacciones son endotérmicas, así el suministro de calor para el reformador es requerido para mantener la temperatura deseada de reacción. Los gases saliendo del reformador son CH4, 6 % mol; CO, 8 %; CO2, 6 %; H2, 50 %; Y H2O, 30 %. La presión de operación está entre 20 – 35 bar, y los gases saliendo del reformador contienen cerca de 6 % de CH4. Esto representa aproximadamente 30 % de la entrada inicial de gas natural. La figura 1, muestra el proceso de reformación catalítica.

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En el reformador secundario, es introducido aire para suministrar el nitrógeno para tener una relación 3:1 Hidrógeno H2 y Nitrógeno N2 en el gas de síntesis. El calor de combustión del gas parcialmente reformado suministra la energía para reformar el hidrocarburo alimentado restante. El vapor producto reformado es empleado para generar vapor y para precalentar el gas natural alimentado.

4.3.1.2. CONVERSIÓN SHIFT Y METANACIÓN

La conversión shift involucra dos etapas. La primera tapa emplea un catalizador a alta temperatura, y la segunda emplea un catalizador a baja temperatura. Los convertidores shift, remueven el monóxido de carbono producido en la etapa de reformación, convirtiéndolo a dióxido de carbono mediante la reacción:

La reacción produce hidrógeno adicional para la síntesis del amoniaco.

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El efluente del reactor shift es enfriado y el agua condensada es separada. El gas es purificado mediante la remoción de dióxido de carbono desde el gas de síntesis mediante la absorción con Carbonato Caliente, Selexol, o Metil Etil Amina (MEA). Después de la purificación, las trazas remanentes de monóxido de carbono y dióxido de carbono son removidas en las reacciones de metanación.

La Figura 2, ilustra la conversión shift y metanación. El metano resultante es inerte y el agua es condensada. Así, la mezcla purificada de hidrógeno y nitrógeno con una relación molar de 3H2: 1N2 es comprimida a la presión seleccionada para la síntesis del amoniaco.

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4.3.1.3. PROCESO DE COMPRESIÓN

El gas de síntesis purificado es enfriado y el agua condensada es removida. El gas de síntesis es luego comprimido en una serie de compresores centrífugos con enfriamiento entre etapas hasta una presión de 150 bares. Los compresores centrífugos son accionados por turbinas a vapor usando el vapor generado en la misma planta. Esto reduce el consumo total de potencia. La Figura 3 muestra el compresor con enfriamiento entre etapas.

4.3.1.4. UNIDAD DE CONVERSIÓN

El gas de síntesis comprimido es secado, mezclado con vapor de reciclo a alta presión introducido al reactor de síntesis. La mezcla de gas es enfriada y el amoniaco líquido es removido desde el separador secundario. El vapor es calentado y pasado al convertidor de amoniaco. La alimentación es precalentada dentro del convertidor antes de ingresarlo al lecho catalítico. La reacción ocurre a 450 – 600°C sobre un catalizador de óxido de hierro. La reacción de síntesis del amoniaco entre el nitrógeno, N2 e hidrógeno, H2, es:

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La reacción además de estar en equilibrio es exotérmica. Bajas temperaturas favorecen la producción de amoniaco. Altas presiones en exceso de 21 bares son requeridas para conseguir conversión suficiente. Se consiguen conversiones de 20% – 25% de amoniaco por paso. Sin embargo, la conversión de hidrógeno por paso es mucho menor que 30%, por lo que el proceso requiere un reciclo grande de gases no reaccionados.

El vapor producto de la conversión es enfriado mediante refrigeración con amoniaco en el separador primario para condensar el amoniaco producto. Una corriente de purga es removida desde los gases remanentes para prevenir la acumulación de inertes (en particular, CH4 y Ar) en el reactor de síntesis. La Figura 4 muestra el diagrama de flujo del proceso de conversión y la Figura 5 ilustra el diagrama de flujo del proceso de una planta de amoniaco completa.

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4.3.2. APLICACIONES COMERCIALES

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KBR ofrece KAAP plus ™ para nuevas plantas de amoníaco que sinérgicamente combina las ventajas de tres tecnologías de amoníaco de KBR: Kres ™, purificador ™, y KAAP.

La tecnología más avanzada para la obtención de amoníaco KAAP ofrece un bajo costo y bajo consumo de energía de diseño de plantas, el impacto ambiental es mínimo, reduce los requisitos de mantenimiento y de operación y proporciona una fiabilidad mejorada.

4.3.2.1. DIAGRAMA ORIGINAL DEL PROCESO KELLOGG BROWN & ROOT, /AMMONIA, KAAP plus

Se utiliza para producir amoníaco a partir de materias primas de hidrocarburos usando un proceso integrado de intercambio de calor basado en la reformación de vapor a alta presión con un avanzado proceso de síntesis de amoníaco de baja presión.

Los pasos clave en el proceso de KAAP plus están reformando con la reforma del sistema de intercambiador de KBR (KRES), la purificación criogénica de gas de síntesis y de baja presión de síntesis de amoníaco utilizando catalizador KAAP.

Tras la eliminación de azufre (1), la alimentación se mezcla con vapor, se calienta y se dividió en dos corrientes. Una corriente fluye hacia el reformador autotérmico (ATR) (2) y el otro para el lado del tubo del cambiador de reformación (3), que funciona en paralelo con el ATR. Tanto convertir la alimentación de hidrocarburo en gas de síntesis bruto utilizando catalizador de níquel convencional. En la ATR, la alimentación debe parcialmente quemado con exceso de aire para suministrar el calor necesario para reformar la alimentación de hidrocarburos restante. El reformador autotérmico efluente caliente es alimentado al lado de la cáscara de los KRES de reformado intercambiador donde se suministra calor a la reacción de reforma interior de los tubos.

Shell-lado afluente del cambiador de reformación se enfría en una caldera de calor residual, donde se genera vapor de alta presión, y los flujos de los convertidores a los turnos de CO que contienen dos tipos de catalizadores: uno de (4) es un catalizador de alta temperatura y la otra (5) es un catalizador de baja temperatura. Shift reactor afluente es agua enfriada, condensada gasificado, (6) y luego es dirigido a la sección de purificación de gas. CO2 se retira del gas de síntesis utilizando un sistema de lavado húmedo CO2 tal como carbonato de potasio caliente o MDEA (Metil Di etanol Amina) (7).

Después de la retirada de CO2, la purificación final incluye metanación (8), el secado de gas (9), y la purificación criogénica (10). El gas de síntesis resultante puro se comprime en un compresor de un solo caso y se mezcla con una corriente de reciclo (11). La mezcla de gases se alimenta al convertidor de amoniaco KAAP (12), que utiliza un basado en rutenio, de alta actividad del catalizador de síntesis de amoníaco. Se prevé la conversión alta a la

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presión relativamente baja de 90 bares con un pequeño volumen de catalizador. Vapores efluentes son refrigerados por refrigeración con amoniaco (13) y gases sin reaccionar se reciclan amoníaco anhidro líquido se condensa y se separa (14) del efluente.

El consumo de energía de KBR `s KAAPplus proceso es inferior al 25 MMbtu (PCI) / tonelada corta. Eliminación del reformador primario combinado con baja presión de síntesis proporciona un ahorro de costes de capital de alrededor de 10% sobre los procesos convencionales.

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4.3.2.2. KRES (KRB INTERCAMBIADOR DEL SISTEMA DE REFORMACION)

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KRES ™ es un intercambiador de calor patentado basado en la tecnología de reformado con vapor que consiste en un precalentador y un reformador autotérmico (ATR). KRES ™ toma el lugar de un reformador primario convencional, por la alimentación de aire en exceso y alimentación de gas natural.

El ATR compacto y el KRES ocupan mucho menos espacio que un reformador convencional.

4.3.2.3. PURIFICADOR (SISTEMA DE PURIFICACIÓN CRIOGÉNICA DE GAS)

El purificador elimina las impurezas (es decir, metano, argón) a partir de gas de síntesis mediante el lavado con nitrógeno líquido mientras se ajusta el exceso de hidrógeno a nitrógeno (H2/N2) proporción de 3:1.

Proporciona un lugar limpio, seco, controla la relación H2/N2. Además ofrece beneficios para el funcionamiento de la planta entera, incluyendo:

Reducción del consumo de energía Reducción de Costos de Capital Mayor flexibilidad de operación Mayor fiabilidad de los equipos de proceso asociado

4.3.2.4. KAAP (CONVERTIDOR DE SÍNTESIS DE AMONÍACO)

El convertidor de síntesis de amoniaco utiliza un catalizador de magnetita tradicional. Todos los lechos del catalizador son de flujo radial de baja caída de presión. Este convertidor opera a 90 bares de presión, que es la mitad de la presión de funcionamiento de un circuito de síntesis de amoníaco magnetita convencional.

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4.4. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS PARA EL DISEÑO DE CONSTRUCCIÓN DE LA

PLANTA DE AMONIACO EN BULO BULO, PROVINCIA CARRASCO DE

COCHABAMBA.

El pasado 13 de Septiembre 2012, acaba de firmarse el contrato entre YPFB a nombre del Gobierno Boliviano y la empresa surcoreana Samsung Engineering Co. Ltd. para el diseño de Ingeniería, la Procura y la Construcción (IPC) de una planta para la producción de 650.000 TM/año de urea y 420.000 TM/año de amoniaco, en Bulo-Bulo, Provincia Carrasco de Cochabamba y que entrará en operación en Octubre del año 2015.

La empresa Samsung empleará las siguientes tecnologías: 650.000 TM/año de urea granulada con tecnología TOYO del Japón y 420,000 TM/año de amoniaco con tecnología KBR de USA; el costo final es de $US 844 millones financiado totalmente por el Banco Central de Bolivia, que por vez primera decide financiar un proyecto industrial nacional.

Sin embargo, debemos reconocer que tanto la TOYO (urea) como la KBR (amoniaco) son tecnologías mundialmente conocidas y tienen mucho prestigio, de manera que las plantas de urea y amoniaco en Carrasco están garantizadas para un buen funcionamiento.

5. BIBLIOGRAFIA

PETROCHEMICAL PROCESSES 2005 – HIDROCARBON PROCESSING (AXENS)

140038680-amoniaco-operaciones-unitarias-docx

Dr.-Escalera-Complejo-Petroquímico-en-Carrasco-Sep.-2012

www.kbr.com/Technologies/Process-Technologies/KBR-Advanced-Ammonia-Process-

Plus/

es.scribd.com/doc/97441324/44538233-amoniaco

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