Simulación y optimización por computadora de una planta para la obtención de amoníaco a partir de gas natural

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO. ría. Q. uí m. ica. FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA. en. ie. SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN POR COMPUTADORA DE UNA PLANTA PARA LA OBTENCIÓN DE AMONÍACO A PARTIR DE GAS NATURAL. de. In g. TESIS PARA OBTAR EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO. Br. GENOVEZ ALFARO NADIA SOFÍA Br. GUTIÉRREZ ESCARCENA LAURA ISABEL. lio te. ca. AUTORAS:. Bi b. ASESOR:. MSc. LUIS MONCADA ALBITRES. TRUJILLO-PERÚ 2006. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. In g. en. ie. ría. Ing. René Ramírez Ruíz Presidente del Jurado. Q. uí m. ica. JURADO DICTAMINADOR. Bi b. lio te. ca. de. Msc. Luis Moncada Arbitres Miembro del Jurado. Ing.Manuel Vera Henríquez Miembro del Jurado. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) ie. ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. LAURA. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. A mis padres Lucio y Nilba por su apoyo, comprensión, paciencia y por darme fortaleza en todos los momentos de mi vida.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) NADIA. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) ría. AGRADECIMIENTO. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ie. Un agradecimiento muy especial a todas las personas que nos apoyaron de alguna. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. manera u otra en la realización de nuestra investigación.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE. Pág.. ica. RESUMEN. INTRODUCCIÓN. 1. 1.. ANTECEDENTES. 2.. OBJETIVO DEL PROYECTO Y JUSTIFICACIÓN. 3.. VIABILIDAD DEL PROYECTO. 4.. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA. 5.. SIMULACIÓN DEL PROCESO EN CHEMCAD. 6.. PROCESO DE FABRICACIÓN. 7.. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS. 26. 8.. INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL. 27. 9.. EQUIPOS PRINCIPALES. 29. 10.. LAY-OUT. 40. uí m. I.. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Q. 2. 4. 5. 7. 8. 24. 11.. SEGURIDAD. 43. 12.. EVALUACIÓN ECONÓMICA. 45. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 45. ica. II. CONCLUSIONES. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA. 46. uí m. ANEXOS. 49. Q. ANEXO 1. ESTUDIO DE MERCADO. 59. ANEXO 3. TAMAÑO DE PLANTA. 66. ría. ANEXO 2. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS. 77. ANEXO 5. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA. 89. en. ANEXO 6. DISEÑO DE EQUIPOS. ie. ANEXO 4. SIMULACIÓN DEL PROCESO EN CHEMCAD. ANEXO 8. LAY OUT. In g. ANEXO 7. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. 123 169 174 186. PLANOS. 206. Bi b. lio te. ca. de. ANEXO 9 PRESUPUESTO. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. RESÚMEN. uí m. Se realizó una simulación y optimización usando el programa CHEMCAD 5.2.0 de una Planta de Amoníaco usando como materia prima al Gas Natural.. ie. ría. Q. El objetivo de este proyecto es llevar a cabo el cálculo y dimensionado de una planta para la producción de 334000 tn/año de amoníaco, a partir de gas natural como materias prima. Considerando una media de 1000 tn/día (334 días) de operación de la planta, se obtendrían 41.6 tn/h de NH3, usando el programa CHEMCAD para determinar las variables óptimas en cada etapa. El amoníaco producido será utililizado como materia prima para producir fertilizantes y otros productos.. In g. en. Se determinó cinco etapas del proceso: Reformación, Conversión, Purificación, Metanación y Lazo de Amoníaco. Para cada etapa se determinó la temperatura y presión óptima de operación usando el programa, así como balance de materia y energía además del diseño de operación de cada equipo. Además se realizó el lay out de la planta, que es la colocación de equipos en el terreno y la evaluación económica del proyecto.. de. Toda la explicación más detallada lo encontramos en los anexos del proyecto.. lio te. ca. El estudio de mercado muestra que la demanda del amoníaco en Perú es adecuada a esta cantidad, pero la viabilidad de este proyecto, desde el punto de vista económico, pasa por la exportación de una gran parte de la producción de NH3 a los países del MERCOSUR.. El costo de producción de la planta es de 156.45 $/tn de amoníaco. Este valor está por bajo el precio utilizado para la venta que es de 260 $/tn amoníaco.. Bi b. Usando el programa CHEMCAD 5.2.0 se pudo identificar cuáles parámetros controlan la velocidad de conversión, la pureza del producto, la energía expendida, y la tasa de producción.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. ABSTRACT. uí m. Simulation and optimization was carried out using the CHEMCAD 5.2.0 program of an Ammonia Plant using Natural Gas as raw material.. ría. Q. The objective of this project is to carry out the calculation and sizing of a plant for the production of 334,000 tons / year of ammonia, from natural gas as raw materials. Considering an average of 1000 tn / day (334 days) of operation of the plant, 41.6 tn / h of NH3 would be obtained, using the CHEMCAD program to determine the optimal variables in each stage. The ammonia produced will be used as raw material to produce fertilizers and other products.. en. ie. Five stages of the process were determined: Reform, Conversion, Purification, Metanation and Ammonia Loop. For each stage the optimum temperature and pressure of operation was determined using the program, as well as the balance of matter and energy in addition to the operation design of each equipment.. In g. In addition, the lay out of the plant was carried out, which is the placement of equipment in the field and the economic evaluation of the project. All the more detailed explanation is found in the annexes of the project.. ca. de. The market study shows that the demand for ammonia in Peru is adequate to this amount, but the viability of this project, from the economic point of view, involves the export of a large part of the production of NH3 to the MERCOSUR countries. .. lio te. The production cost of the plant is $ 156.45 / tn ammonia. This value it is below the price used for the sale which is $ 260 / tn ammonia.. Bi b. Using the CHEMCAD 5.2.0 program it was possible to identify which parameters control the conversion speed, the product purity, the energy expended, and the production rate.. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. I. INTRODUCCIÓN La producción de amoníaco es interesante por varias razones. Primero de todos,. uí m. después del ácido sulfúrico es el segundo producto químico producido en el mundo.. En segundo lugar es la principal materia prima para la producción de fertilizantes. Q. (alrededor del 80% del amoníaco es usado para producción de fertilizantes).Por último pero no menos es el hecho que el amoníaco es un intermediario de varios. ría. químicos importantes y entre otros el amoníaco es interesante debido a su uso para producir explosivos como TNT. El proceso de amoníaco es conocido desde. ie. 1913.. en. La reacción de amoníaco necesita hidrógeno y nitrógeno como reactantes (1:3) reaccionando bajo presión y un catalizador de hierro. Es del aire donde el proceso. In g. de amoníaco obtiene el nitrógeno.. Las fuentes para obtener hidrógeno son diferentes, las más usadas son una. de. combinación de hidrocarburos con agua. El proceso de reformado con vapor es aplicado para metano o nafta ligera. El reformado con vapor es usado por el 85% de la producción mundial de amoníaco y usando gas natural como materia prima. ca. representa el 77% de la producción mundial. En esta tesis la materia prima. lio te. seleccionada será el gas natural.. Para el desarrollo de nuestra planta de amoníaco se utilizó el simulador CHEMCAD en todo el proceso por tanto es posible simular y optimizar una. Bi b. planta para obtener amoníaco a partir del gas natural usando el CHEMCAD 5.2.0. La simulación por computadora de la planta es progresivamente utilizada como la primera etapa en identificar cuáles parámetros controlan la velocidad de conversión, la pureza del producto, la energía expendida, y la tasa de producción.. 1. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. 1. ANTECEDENTES. uí m. 1.1. ANTECEDENTES GENERALES. 1.1.1. EVOLUCIÓN HISTÓRICA. Q. PROCESO HABER-BOSH:. en. ie. ría. En 1898 William Crookes manifestó que la evolución de la población fue creciendo con un incremento exponencial. Considerando que la alimentación podría ser constante, el hambre podría amenazar al mundo entero, fertilizantes fueron necesitados. Los fertilizantes fueron más allá de mezclar nitrógeno y buscar nuevas fuentes de “mezclar nitrógeno” fue el principal objetivo del esfuerzo de la tecnología al empezar el siglo XXI. Un problema fue definido y una tecnología tenía que resolverla.. de. In g. Mientras los esfuerzos de la tecnología fueron incrementando la búsqueda de un “mezclado de nitrógeno”, las fuentes de nitrógeno en el comienzo del siglo llegaron de las minas de sales de nitrógeno en Chile. En 1900 Wilhelm Ostwalt ofreció un proceso BASF para la síntesis de amoníaco a presión atmosférica en la cual el fierro era el catalizador. Bosch encontró que el amoníaco viene de la descomposición del nitrito de fierro en el tratamiento previo del catalizador. Ostwalt refutó esto y más tarde se dio cuenta que Bosch estaba en lo correcto y retiró su patente no sabiendo cuan importante que la aplicación tendría después.. lio te. ca. Adicionalmente estudios de haber concluyeron que fue factible producir amoníaco con una reacción de conversión baja, si se reciclaba el gas de síntesis mientras ocurría la síntesis de amoníaco. Bosch llegó hacer el proyecto y muchos esfuerzos fueron hechos hasta Mittash que encontró magnetita como catalizador. El concepto de lazo con el catalizador de fierro y varios efectos en equipos de alta presión concluyeron con la primera planta de amoníaco sintético, el cual fue en el año 1913 en Oppau.. Bi b. El desarrollo de la alimentación ha jugado un rol histórico en el desarrollo de esta tecnología de proceso. Así, la temprana tecnología para síntesis de amoníaco fue desarrollada en Western (Europa), usando electricidad barata u horno de coque como alimentación. En ese tiempo estas alimentaciones fueron provechosas sólo en los países industrializados. Subsecuentemente, procesos fueron desarrollados envolviendo la gasificación de combustible pesado y el reformado con vapor y nafta. Una substancial parte de la industria de amoníaco en los países industrializados estuvieron basados en nafta y combustible de petróleo. Esto fue. 2. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. esta parte de la industria la cual fue de repente prestada mucho menos competitiva por la primera crisis de petróleo en los mediados de los años 1970.. 1.1.2. ASPECTOS GENERALES DEL AMONÍACO. uí m. ica. Afortunadamente para la economía de fertilizantes de nitrógeno usado, el proceso de reformado con vapor ha sido adaptado para usar gas natural. Nuevas plantas de mediados de los 1960 fueron construidas para gas natural. Similarmente, los países del este de Europa y la formada unión soviética desarrollaron varias industrias de amoníaco entre 1970 y 1990, básicamente basadas en gas natural.. ría. Q. En este apartado se va a hacer un pequeño resumen de las propiedades, almacenamiento y aplicaciones del amoníaco.. ie. 1.1.2.1. Propiedades del amoníaco1. en. A temperatura ambiente, el amoníaco puro (NH3) es un gas incoloro, de olor desagradable y picante, que condensa a -33 ºC en un líquido incoloro y fácilmente movible, y que a -78º C solidifica para dar cristales incoloros y transparentes.. In g. Algunas propiedades del amoníaco son:. Valor. Estado. Gas incoloro en condiciones normales, se licua fácilmente bajo presión.. Temperatura de Solidificación. -77.7 ºC. Temperatura normal de ebullición. -34.3ºC. Presión de vapor a 0ºC. 4.1 atm. Densidad del gas (0ºC y 1atm). 0.7714 g/l. Calor latente de vaporización,0ºC. 302 Kcal/Kg. Temperatura crítica. 132.4ºC. Presión crítica. 113 atm. Tabla Nº1 Propiedades del amoníaco. Bi b. lio te. ca. de. Propiedad. 1.1.2.2. Almacenaje.. El amoníaco puede ser almacenado en una gran variedad de tanques aislados a presión cerca de la ambiental; en grandes esferas a presión moderada, refrigeradas. 1. Ver Anexo 2: Caracterización de Materias Primas y Productos. 3. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. para reducir la presión; y a temperatura ambiente pero a presión alta correspondiente a la presión de vapor a temperatura ambiente. La elección de almacenaje de amoníaco como líquido a temperatura ambiental o como líquido parcialmente refrigerado o como líquido a temperatura ambiente depende en su mayor parte de factores económicos.. uí m. 1.1.2.3. Aplicaciones del Amoníaco.. § APLICACIÓN INDUSTRIAL. en. ie. ría. Q. Sus principales aplicaciones están en la producción de fertilizantes, nitratos, sulfatos, fosfatos, explosivos, plásticos, resinas, aminas, amidas, textiles, gas criogénico. Es también importante mencionar que el amoníaco es utilizado para producir derivados, como las aminas primarias (colectores para la flotación de minerales), secundarias y terciarias (extractores solventes para refinar cobre, uranio y otros) y cuaternarias (usadas en la formulación de enjuagues de cabello y emulsificadores catiónicos para el asfalto que pavimenta calles).. In g. 2. OBJETIVO DEL PROYECTO Y JUSTIFICACIÓN. ca. de. 2.1. OBJETIVO DEL PROYECTO. lio te. El objetivo de este proyecto es llevar a cabo el cálculo y dimensionado de una planta para la producción de 334000 tn/año de amoníaco, a partir de gas natural como materias prima. Considerando una media de 1000 tn/día (334 días) de operación de la planta, se obtendrían 41.6 tn/h de NH3, usando el programa CHEMCAD para determinar las variables óptimas en cada etapa.. Bi b. El amoníaco producido será utililizado como materia prima para producir fertilizantes y otros productos1.. 1. Ver Anexo 2:Caracterización de Materias Primas y Productos. 4. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. 2.2. JUSTIFICACIÓN. Q. uí m. La industrialización del Gas Natural peruano se podría hacer mediante la producción de amoníaco y sus derivados a partir de metano reformado del gas natural es un proceso muy conocido en el mundo, y muchos países poseedores de gas natural siempre han comenzado su industrialización con una planta de amoniaco. El amoniaco así producido NH3 es totalmente comerciable como fertilizante, pero puede ser utilizado como materia prima para producir úrea y nitrato de amonio; ambos fertilizantes son muy utilizados en la industria agrícola mundial.. en. ie. ría. Además, la industrialización del gas natural en Perú para producir amoníaco permitirá el establecimiento de industrias derivadas que garanticen una rentabilidad económica atractiva para los inversionistas nacionales o extranjeros. Pero, más importante aún, impulsarán el establecimiento de otras industrias y actividades comerciales de soporte en el país, creando así mayores posibilidades de trabajo permanente para la gente de la región.. In g. 3. VIABILIDAD DEL PROYECTO. de. 3.1. VIABILIDAD TÉCNICA. ca. Desde una perspectiva técnica, el proyecto no presenta problemas de viabilidad como se muestra a continuación.. lio te. La obtención de amoníaco a escala industrial es un proceso conocido desde hace bastantes años y muy desarrollado en todos sus aspectos.. Bi b. Todas las operaciones básicas implicadas en este proceso: reformación, conversión, metanación, lazo de amoníaco (compresión y síntesis).Son sobradamente conocidas y existe gran cantidad de información disponible relacionada con ellas. La utilización de técnicas conocidas hace que no se planteen problemas de viabilidad técnica. En cuanto a las condiciones de operación con las que se trabaja, temperaturas y presiones bajas o moderadas, tampoco plantean ningún problema desde el punto de vista técnico. Es aconsejable tener cuidado en la elección de los materiales de construcción, ya que algunos de los productos manejados pueden plantear problemas de corrosión y erosión. 5. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Todas las condiciones de operación serán simuladas en CHEMCAD 5.2.0 hasta encontrar la más óptima.. uí m. ica. 3.2. VIABILIDAD LEGAL. Q. Siempre que se cumpla la normativa vigente en relación al propio proceso, a la seguridad e higiene, y al medio, y se obtengan los permisos y licencias necesarios para la construcción, puesta en marcha y operación, no debe existir ningún problema desde el punto de vista legal para la implantación de la planta de amoníaco a partir de gas natural diseñada.. en. ie. 3.3. VIABILIDAD ECONÓMICA. ría. Teniendo en cuenta todos estos factores expuestos, se considera que la planta es viable desde el punto de vista legal.. In g. 3.3.1. ESTUDIO DE MERCADO1. de. La producción mundial del amoníaco se concentra fundamentalmente en Israel, EEUU y España. La tendencia es un ligero ascenso en la producción a lo largo de los años debido a la creciente utilización de los fertilizantes nitrogenados.. lio te. ca. En Perú en la actualidad no hay ninguna fábrica de amoníaco y menos de úrea u otros derivados mientras que el consumo de este producto en nuestro país sufre altibajos dependiendo del año, si bien es cierto que en los últimos años hay una cierta tendencia a aumentar el consumo. Por tanto, Perú es un país importador de amoníaco y de fertilizantes nitrogenados, pero posee grandes reservas de gas natural que deben ser aprovechados para nuestro desarrollo.. Bi b. El amoníaco así producido NH3 es totalmente comerciable como fertilizante, pero puede ser utilizado como materia prima para producir úrea, fosfato diamónico, nitrato de amonio; estos fertilizantes son muy utilizados en la industria agrícola mundial. Teniendo como materia prima al amoníaco se podría construir un complejo petroquímico de industria de fertilizante que estaría abierto a la Comunidad Andina de Naciones y el MERCOSUR donde la demanda para la próxima década será alrededor de 3 millones de tn/año.. 1. Ver Anexo 1:Estudio de Mercado. 6. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Haciendo diversos estudios se ha estimado que la demanda para los años 2007 y 2020 son:. ica. 334000 toneladas al año para el años además contamos con las suficientes reservas de gas natural para realizar el proyecto, esto traería al Perú numerosos ingresos comparados si sólo se utilizaría el gas como combustible.. uí m. 3.3.2. TAMAÑO1. Q. El tamaño máximo de la planta lo fija la propiedad en 334000 tn/año; por tanto se ha determinado el punto de producción mínima rentable.. In g. 4. LOCALIZACIÓN. en. ie. ría. Teniendo en cuenta todas las consideraciones reflejadas en el anexo 3 se obtiene un nivel de producción mínima de 150000 tn/año; esto representa un 44.9% de la producción máxima, por lo que se concluye con que la planta es viable económicamente.. de. Se ha decidido ubicar la planta en Lurín en el departamento de Lima (Planos Nº1 y Nº2); cerca al City Gate (sistema de distribución del gas natural), esta decisión se ha tomado apoyándose en las siguientes razones: En Lima se encuentra el sistema de distribución del gas natural, aquí se podría construir un complejo petroquímico.. ca. En la ubicación escogida se suministra el gas natural a través de gasoductos.. lio te. La disponibilidad de materias primas está asegurada; el gas natural se obtiene de de los gasoductos construidos que abastecen al City Gate. En este lugar se podría construir un complejo petroquímico. Bi b.  Las condiciones climáticas permiten la disposición de los equipos al aire libre con lo que los gastos de emplazamiento son menores. Por otro lado, el clima es bueno para crear un ambiente de trabajo saludable.  En cuanto al transporte, Lima cuenta con una red bastante buena y que la comunica con el resto de Perú. Las principales carreteras son:. 1. Ver Anexo 2:Tamaño de Planta. 7. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La panamericana sur. Mediante ella se puede acceder al aeropuerto más cercano que se encuentra en Lima, y que será de gran utilidad para el movimiento de personal de la empresa.. con respecto al núcleo urbano y su. uí m.  Se elije Lurín debido a su lejanía proximidad al puerto del Callao.. ica. Además cuenta con uno de los puertos cargueros más importantes de Perú, el puerto de Callao. Por tanto, está claro que en el tema de transporte la zona elegida es idónea.. Q. 4.1. Características Específicas de los Suministros. ría. Respecto de los suministros básicos, agua, electricidad, combustible y transporte, éstos podrían ser satisfechos como sigue: Agua: Se obtendría del río Mala y/o pozos adyacentes a la planta.. en. ie. Energía Eléctrica: Esta se generaría por medio de una central térmica. Al respecto, el gas natural es ideal para este fin. Combustible: También el gas natural serviría para este propósito.. In g. Transporte: El amoníaco se transportaría directamente por carretera y/ barco a los distintos centros de distribución a lo largo del país. Finalmente, se piensa que esta localización incentivará el desarrollo del sector, especialmente de los pobladores, que indudablemente serán favorecidos.. de.  Además el City Gate tiene una red de abastecimiento de agua que será necesaria para el proceso y para los demás servicios de la planta.. .. ca.  Escogemos una parcela en venta que sea anexa al City Gate.. lio te. 5. SIMULACIÓN DEL PROCESO EN CHEMCAD1. Bi b. Se trasladaron información de datos reales a la simulación en CHEMCAD. Dependiendo del grado de presición en el cálculo, diferentes modelos de equipos fueron escogidos. En la siguiente sección se hará una descripción de las diferentes unidades de operación y modelos escogidos en este proyecto. La producción de amoníaco puede ser dividida en dos grandes secciones, la producción del gas de síntesis y el lazo de amoníaco.. 1. Ver Anexo 4:Simulación en CHEMCAD. 8. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. La producción del gas de síntesis es una importante e interesante parte en el proceso de producción de amoníaco. La conversión del gas natural en la alimentación de la planta de amoníaco es modelado usando dos reactores de conversión ( RGIBBS ) para el reformador primario y secundario, dos reactores de equilibrio ( EREA ) para convertidores de alta y baja temperatura y un reactor estequiométrico ( RSTOIC ) que representa al metanizador. Un caso específico es la absorción del dióxido de carbono que es un complicado problema.. Q. uí m. El lazo de amoníaco es simulado usando reactor de conversión (RGIBBS) y separadores flash para la separación de amoníaco, aunque la configuración puede variar con las diferentes tecnologías.. ría. 5.1. SISTEMA DE REACCIÓN. ie. 5.1.1. REFORMACIÓN DEL GAS NATURAL. In g. en. La reformación del gas natural es definida como reacciones de vapor y metano para producir óxidos de carbono e hidrógeno.. 5.1.1.1 REFORMADOR PRIMARIO:. de. Se realiza la reformación parcial de hidrocarburos saturados con vapor de agua para producir hidrógeno y una mezcla de CO y CO2.. lio te. ca. A. REACCIONES QUÍMICAS:. CnH2n+2 + H2O <------> CO + (2n+1) H2 (1) CnH2n+2 + 2nH2O <------> nCO2 + (3n+1) H2 (2). Bi b. Estas reacciones son altamente endotérmicas y son favorecidas por alta temperatura y baja presión. Un exceso de vapor conduce las reacciones en la dirección deseada, incrementando la cantidad de CO2 formado en la reacción (2) o más directamente por la reacción CO la cual es la resta de la reacción (2) menos la reacción (1). CO+ H2O <------> CO2 + H2. 9. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. B. VARIABLES DEL PROCESO:. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Presión: En este caso presiones altas no favorecen la reacción debido al cambio de volumen positivo entre productos y reactantes, es decir que a mayor presión habrá mas metano residual en el equilibrio.. In g. Gráfica Nº1 Moles de Hidrógeno vs Presión bar. Bi b. lio te. ca. de. Temperatura: Definitivamente una mayor temperatura favorece la reacción desplazando el equilibrio a la derecha y también la velocidad de reacción. Como se puede ver en la gráfica que se presenta a la presión de 27.7 atm. Cuanto mayor es la temperatura de reacción menor es la cantidad de CH4 y CO2 residual que habrá en el gas reformado, así como mayor el contenido de CO. También es notorio que la temperatura favorece la reacción del vapor de agua con el carbón que se forma por descomposición térmica del metano o del CO.. 10. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ie. Gráfica Nº2 Moles de Hidrógeno vs Temperatura ºC. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. Cuanto mayor es la temperatura de reacción menor es la cantidad de CH4 y CO2 residual que habrá en el gas reformado, así como mayor el contenido de CO. También es notorio que la temperatura favorece la reacción del vapor de agua con el carbón que se forma por descomposición térmica del metano o del CO.. Gráfica Nº3 Moles de Hidrógeno vs Temperatura ºC y Presión bar. 11. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. Gráfica Nº4 Moles de Metano vs Temperatura ºC. Gráfica Nº5 Moles de Dióxido de Carbono vs Temperatura ºC. 12. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) ie. ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. en. Gráfica Nº6 Moles de Monóxido de Carbono vs Temperatura ºC. de. In g. Relación Vapor/Metano: Usando alta relación vapor/metano ayuda a la conversión de metano, pero por otro lado incrementa el costo porque alta cantidad de vapor tienen que ser calentada dentro del reformador.. Catalizador. lio te. ca. Esta compuesto básicamente por 12% Ni y 86% de Al2O3, tiene la forma de anillos con una vida promedio de 2 a 3 años, pero el Ni es pirofosfórico, por lo que, se instala en el reactor como NiO y después se reduce a Ni.. Bi b. 5.1.1.2 REFORMADOR SECUNDARIO:. En este reactor se termina la reformación del metano, pero con la particularidad que se introduce aire para: El nitrógeno para la síntesis del amoníaco. La energía necesaria (parte del metano con el oxígeno) para terminar la reformación del metano.. 13. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. Esta es la etapa clave del proceso para establecer la proporción H2/N2 que se necesita para la síntesis; siendo muy importante el control de la cantidad de aire que debe suministrarse no solo para alcanzar la relación 3H2/N2 sino también el oxígeno requerido para la combustión de una parte del metano.. uí m. El oxígeno contenido en el aire reacciona con los diferentes componentes que salieron del reformador primario deacuerdo con las siguientes ecuaciones:. Q. A. REACCIONES QUÍMICAS:. ría. CO+ ½ O2 <------> CO2. ie. CH4 +2 O2 <------>CO2 + H2O. en. H2+ ½ O2 <------>H2O. de. Catalizador. In g. B. VARIABLES DEL PROCESO:. Debido a las características de las reacciones que se realizan en el reactor, se emplea dos tipos de catalizadores:. ca. En el tope del reactor el catalizador está compuesto por 5 % Cr2O3 y 95 % de Al2O3, en forma de esferas y representa aproximadamente el 20 % del total.. Bi b. lio te. En el fondo del reactor el catalizador es 16% Ni y 75% Al2O3, en forma de anillos.. 14. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Temperatura:. Bi b. lio te. ca. de. Gráfica Nº7 Moles de Hidrógeno vs Temperatura ºC. 15. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Gráfica Nº8 Moles de Metano vs Temperatura ºC. In g. Gráfica Nº9 Moles de Monóxido vs Temperatura ºC. Bi b. lio te. ca. Presión:. de. La temperatura alta influye en la conversión del metano, pero también aumenta la cantidad de monóxido de carbono, como puede verse en las gráficas anteriores.. 16. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Gráfica Nº10 Moles de Monóxido vs Temperatura ºC. ica. 5.1.2 CONVERSIÓN DEL CO. CO + H2 O -------- H2 + CO2. uí m. El objetivo es separar por métodos químicos todo el CO de la corriente del proceso (en CO2 e H2) y completar la cantidad de hidrógeno necesario. El proceso se realiza en dos etapas, en las cuales la reacción principal es:. en. A. VARIABLES DEL PROCESO:. ie. 5.1.2.1 CONVERTIDOR PRIMARIO:. ría. Q. La reacción es reversible y exotérmica, por lo tanto la conversión se incrementa en la medida que la temperatura disminuye.. Bi b. lio te. ca. de. In g. Temperatura: A temperaturas bajas se favorecen el equilibrio de la reacción a la derecha, pero se disminuye su velocidad; éstos efectos opuestos entre temperatura, conversión y velocidad de reacción determinan el rango de temperatura dentro del cual debe operar cada uno de los reactores a fin de lograr la conversión casi total del CO. 17. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Gráfica Nº11 Moles de Dióxido de Carbono vs Temperatura ºC. Gráfica Nº12 Moles de Monóxido de Carbono vs Temperatura ºC. ca. de. Presión: No influye sobre el desplazamiento del equilibrio, en todo caso puede haber una mínima incidencia debido tal vez al comportamiento no ideal de los gases a altas presiones.. lio te. Catalizador. Bi b. Aunque muchas sustancias catalizan la conversión del CO, en la práctica se recurre a los óxidos de los metales de Fe, Cr, Mg, Zn, Cu, que son de naturaleza básica. En el convertidor primario, el catalizador es en forma de tabletas, compuesto por 9% Cr2O3 y 90% de Fe2O3 y es relativamente resistente a los compuestos de azufre.. 18. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. 5.1.2.2 CONVERTIDOR DE BAJA TEMPERATURA:. A. VARIABLES DEL PROCESO:. Q. Temperatura:. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. ría. Este convertidor trabaja a temperatura menores, como se aprecia en la gráfica temperaturas pequeñas favorece la producción de dióxido de carbono.. Gráfica Nº13 Moles de Monóxido de Carbono vs Temperatura ºC. 19. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) In g. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de. Gráfica Nº14 Moles de Dióxido de Carbono vs Temperatura ºC. ca. Catalizador:. Bi b. lio te. En el convertidor secundario, se emplea un catalizador que tiene 42 % Cu, 47 % ZnO y 10 % Al2O3 en forma de tabletas. Como éste catalizador es muy sensible al azufre es necesario protegerlo con una guarda de ZnO que se coloca en la parte superior del reactor para que adsorba las trazas de azufre que por alguna razón pasaran.. 5.1.3 METANIZADOR: Los residuos de CO (ppm) que no ha podido ser eliminados a través de las diferentes etapas constituyen un veneno activo para el catalizador del reactor de síntesis de amoníaco, siendo necesario su eliminación total. El proceso de metanación es un método químico más simples y de bajo costo que se conoce para. 20. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. A. REACCIONES:. uí m. CO + 3 H2 -------- CH4 + H2O H = – 49,3 kcal/mol. ica. reducir su concentración a menos de 10 ppm. La reacción es inversa a la reformación del metano, proceso que se basa en la siguiente reacción:. Sin embargo, a las condiciones de operación el CO2 también reacciona:. Q. CO2 + 4 H2 -------- CH4 + 2 H2O H = –39,5 kcal/mol. en. B. VARIABLES DEL PROCESO. ie. ría. El metano que se forma es un inerte en la síntesis del amoniaco. A pesar que las cantidades que reaccionan son muy pequeñas, pero debido a que son bastante exotérmicas, en el reactor hay un fuerte incremento de la temperatura.. Bi b. lio te. ca. de. In g. Temperatura: La velocidad de la reacción se ve favorecida por altas temperaturas pero el equilibrio se desplazaría a la izquierda, siendo por lo tanto recomendable trabajar a temperaturas bajas de acuerdo al contenido de óxidos de carbono residuales presentes. Se trabaja a temperaturas entre 250 a 400o C.. 21. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Gráfica Nº15 Moles de Metano vs Temperatura ºC. ica. Presión: Es un hecho que presiones elevadas favorecen el equilibrio hacia la derecha, con los catalizadores mejorados se trabaja a presiones de 20 a 25 atm.. uí m. Catalizador: La composición del catalizador que mas se emplea es de Ni (20%) soportado alúmina (70% Al2O3) promovido con CaO (5%) y tiene la forma esférica.. Q. 5.1.4. REACTOR DE AMONÍACO. ría. El objetivo es hacer reaccionar el hidrógeno con el nitrógeno para producir amoniaco mediante la reacción: H = –22,08 Kcal/mol. ie. 2 N2 + 3 H2 --------2 NH3 y separarlo de los gases que no han reaccionado.. en. La reacción es altamente exotérmica y reversible. El calor liberado varía con la temperatura y la presión, adicionalmente debe considerarse el calor de mezcla.. In g. A. VARIABLES DEL PROCESO. Bi b. lio te. ca. de. Influencia de la Temperatura y la Presión: El rendimiento del amoníaco está en función de la temperatura y la presión de trabajo.. 22. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. en. ie. ría. Q. uí m. ica. Gráfica Nº16 Moles de Amoníaco vs Temperatura ºC. In g. Gráfica Nº17 Moles de Amoníaco vs Presión bar. de. Relación N2 /H2: Se ha determinado que la relación estequiométrica 1/3: N2/H2 es la óptima para la síntesis de amoníaco, aunque durante la operación presenta ligeros cambios.. Bi b. lio te. ca. Catalizador: El más empleado es a base de Fe en forma de trozos irregulares. Es muy sensible a compuestos de azufre, de fósforo, de arsénico, de cloro, aromáticos, acetileno, aceites lubricantes, oxígeno, óxidos de carbono, agua. Una composición típica es:. Composición Porcentaje FeO 31 % Fe2O3 66 % Al2O3 1,8 % K2O 1,0 % Impurezas 0,2 % Tabla Nº2 Composición del catalizador. 23. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. 6. PROCESO DE FABRICACIÓN. El proceso de obtención de amoníaco a partir del gas natural se puede dividir en cinco secciones o bloques principales, tal y como aparece en el diagrama de bloques simplificado del Anexo 7. estas secciones son:. en. 6.1. REFORMADO DEL GAS. ie. ría. Q. Sección 1: Reformado del gas. Sección 2: Conversión del CO a CO2. Sección 3: Purificación del gas. Sección 4: Metanación de las trazas CO a CH4. Sección 5: Lazo de amoníaco (Compresión y Síntesis de amoníaco).. In g. Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua (craqueo-rupturas de las moléculas de CH4).El gas natural se mezcla con vapor en la proporción (1: 3,6) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas. 6.1.1. REFORMADOR PRIMARIO:. ca. de. La reformación del gas natural es definida como la reacción de vapor y metano para producir óxidos de carbono e hidrógeno. El gas natural ingresa a 16ºC y 23.4 bar el cual se mezcla con vapor recalentado a 166ºC y 20 bar. Los gases ingresan al reformador donde las reacciones se llevan a cabo a 850 ºC y 27.7 bar de presión.. lio te. 6.1.2. REFORMADOR SECUNDARIO:. Bi b. El gas de salida del reformador anterior se mezcla con una corriente de aire como fuente de nitrógeno y el oxígeno es consumido por el metano o hidrógeno. Este reformador secundario no necesita de energía porque tiene un exceso de calor de combustión. Este reactor opera a 1022ºC y 35 bar.. 6.2. CONVERSIÓN DEL CO A CO2 El objetivo es separar por métodos químicos todo el CO de la corriente del proceso (en CO2 e H2) y completar la cantidad de hidrógeno necesario. Consta de dos convertidores:. 24. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La primera etapa ocurre a 400ºC y 35 bar de presión con Fe3O4.CrO3 como catalizador.. El efluente del reactor es enfriado y el agua condensada es separada.. uí m. 6.3. ABSORCIÓN DEL CO2. ica. La segunda etapa es a 225ºC y 35 bar con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO.. Q. PROCESO BENFIELD. In g. 6.4. METANACIÓN. en. ie. ría. Este proceso usa una solución carbonato de potasio caliente, la mezcla de gases que salieron de los convertidores es enfriada e introducida en una columna de absorción que opera a 21.5 bar de presión y entra en contacto con la solución de carbonato de potasio introducido en el primer plato. El gas de síntesis sale por la parte superior de la columna. La solución con el CO2 absorbido es ingresado a un separador flash que opera a 1.5 bar para remover gases, inmediatamente el gas de salida es ingresado a una columna de desorción que opera a baja presión 1.3 bar, donde el CO2 es desorbido y liberado por la parte superior de la columna, la solución de carbonato de potasio es regenerada y bombeada a la columna de absorción después de una regeneración con una pequeña cantidad de make up.. lio te. ca. de. Después de la purificación, las trazas remanentes de monóxido de carbono y dióxido de carbono son removidas en las reacciones de metanación. Los residuos de CO (ppm) que no ha podido ser eliminados a través de las diferentes etapas constituyen un veneno activo para el catalizador de síntesis, siendo necesaria su eliminación total. El proceso de metanación es un método químico más simples y de bajo costo que se conoce para reducir su concentración a menos de 10 ppm. El reactor opera a 330ºC y 30 bar de presión sobre un lecho catalítico de níquel.. 6.5. LAZO DE AMONÍACO (Compresión y Síntesis de Amoníaco). Bi b. A continuación el gas se comprime, los compresores que se emplean son del tipo reciprocante. Generalmente se emplean tres compresores que trabajan en serie, elevando la presión de 29 a 60 atm en la primera, de 60 a 140 atm en la segunda y de 140 a 300 atm en la tercera. El objetivo es hacer reaccionar el hidrógeno con el nitrógeno para producir amoníaco, el gas de síntesis comprimido mezclado con vapor de reciclo es introducido al reactor de síntesis después del compresor de reciclo. El vapor es. 25. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. calentado y pasado al convertidor de amoníaco. La reacción ocurre a 400ºC y 300 bar de presión.. Q. uí m. ica. El vapor producto de la conversión es enfriado mediante refrigeración con amoníaco en el separador primario para condensar el amoníaco 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. Luego se realiza otra extracción de amoníaco en un segundo separador flash donde se separa una corriente de gases que son nuevamente llevados a mezclarse con el gas de síntesis y juntos entrar en el primer compresor y otra corriente con el amoníaco producto final.. en. 7.1. MATERIAS PRIMAS. ie. ría. 7. CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS Y PRODUCTOS1. de. In g. La cantidad de gas natural necesaria en el proceso es de 254588.16 tn/año que se suministran a 16ºC y 24 bar de presión. La composición de este gas es de 80.95% mol de CH4, 7.45 % mol de C2H6, 3.25 % mol de C3H8, 2.31% mol de C4H10, 0.24% mol C5H12, 2.95% de CO2 y 3.05% mol de N2.. ca. 7.2. PRODUCTOS2. Bi b. lio te. Se producen 334000 tn/año de NH3 con una pureza de 99.7%. Impurezas del NH3 % en peso H2O 0.2 H2 0.02 N2 0.006 Ar 0.04 Otros 0.3. El producto obtenido no es amoníaco anhidro, por eso es del 99.7 pureza.. 1 2. Ver el Anexo 2. Ver Anexo 5: Balance de Materia y Energía. 26. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Como subproductos se obtienen 651460.32 tn/año de CO2 y agua condensada 399437.28 tn/año.. ica. 7.3. MATERIAS PRIMAS AUXILIARES. ie. ría. Q. uí m. Se consumen 46880702.72 tn/año de agua de refrigeración (datos sacados del programa CHEMCAD) a una temperatura media anual de 17ºC para obtener el amoníaco. Se tendrá que construir un sistema de agua de refrigeración que garantiza nuestras necesidades. También 8107574.78 tn/año de vapor recalentado a una temperatura de 510ºC y 23 bar de presión para ser mezclado con el gas natural y entrar al reformador primario. Se consumen en la sección del reformador secundario 406306.99 tn/año de aire a 166ºC y 20 bar de presión. Finalmente se consumen en la sección de purificación 4008000 tn/año para absorber el dióxido de carbono del gas de síntesis.. en. 7.4. REQUERIMIENTOS ENERGÉTICOS. In g. El consumo aproximado de electricidad de la planta es de 1.13x109 KWh/año. (128642.98 KW).. de. 8. INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL. ca. La existencia de fluctuaciones en las variables de entrada o de perturbaciones no deseadas en las condiciones de operación, hace imprescindible la implantación de un sistema de instrumentación y control en la planta, que permita corregir o eliminar estas perturbaciones.. lio te. Los sistemas de instrumentación y control, además de facilitar la operación de la planta, son claves para una operación segura de la misma.. Bi b. A continuación se va a realizar una descripción de los distintos instrumentos del sistema de control.. 8.1. INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL El control de las numerosas variables implicadas en el proceso (temperaturas, presiones, composiciones, etc.) requiere la utilización de un importante número de instrumentos para la medida de dichas variables.. 27. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Las características de esta plata de producción de amoníaco relacionadas con la erosión y la corrosión, limitan la aplicación práctica de estos sistemas, ya que no todos los instrumentos de medida son válidos o fiables en todas las condiciones de trabajo.. ica. El equipo elegido debe ser seguro y sencillo, de fácil ajuste y limpieza.. uí m. 8.1.1. MEDIDORES DE TEMPERATURA. ría. Q. En la planta se utilizan termopares tipo T. Están formados de Cu y constatan (aleación de Cu y Ni); el rango de temperaturas es de –270 hasta 400ºC; la precisión es de  1ºC o 0.75%; aguantan condiciones de atmósfera oxidante, reductora, condiciones de vacío, temperaturas criogénicas y vapores metálicos.. ie. 8.1.2. MEDIDORES DE PRESIÓN. en. Los medidores de presión deberán ir colocados, como instrumentación adicional a la necesaria en los lazos de control, en estos puntos del proceso:. In g.  Aspiración e impulsión de todas las bombas: para comprobar el correcto funcionamiento de éstas. Van conectadas a una válvula de regulación en by-pass, para el control del flujo del fluido impulsado por la bomba.. de.  Entradas y salidas de los cambiadores de calor: para controlar el ensuciamiento y las pérdidas de carga.. ca. 8.1.3. MEDIDORES DE FLUJO. lio te. Los medidores seleccionados para el proceso son, en función de la naturaleza del fluido: Fluidos limpios: rotámetro. Fluidos con sólidos: medidor de coriolis.. Bi b. -. 8.1.4. MEDIDORES DE NIVEL Los dispositivos de nivel empleados en el proceso, también en función de la naturaleza del fluido, son: -. Medidores eléctricos: para suspensiones con cristales y sólidos. Medidores de presión: para líquidos limpios.. 28. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. 8.1.5. VÁLVULAS DE CONTROL. Las válvulas de control que se colocarán como instrumentación adicional, serán las siguientes. Válvulas de seguridad en los cuerpos de las bombas, que permitan la evacuación de fluidos en caso de roturas o fugas.. -. Válvulas para la desconexión del proceso de las bombas o de otros equipos, en caso de reparación o avería.. ría. Válvulas manuales en by-pass para las válvulas de regulación automáticas, que permiten continuar la operación de la planta en caso de que las válvulas de regulación automáticas fallen, y deban repararse o cambiarse. Durante la operación normal estas válvulas permanecerán cerradas.. In g. en. -. Válvulas anti-retroceso que eviten el flujo inverso en la descarga de las bombas.. ie. -. Q. -. de. 9. EQUIPOS PRINCIPALES. ca. En el Anexo 6 aparece totalmente detallado el diseño de cada uno de los equipos que se van a citar a continuación, exceptuando las tuberías.. lio te. 9.1. TUBERÍAS. Bi b. Se emplean diversos materiales para la construcción de tuberías: -. Acero al carbono para las tuberías por las que circula agua de refrigeración, condensación o vapor de agua, gases del proceso. Acero inoxidable AISI 316 para todas las demás tuberías.. 29. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. 9.2. BOMBAS. uí m. Las bombas son escogidas según el programa CHEMCAD. Todas las presiones son absolutas.. Q. La bomba B-01 impulsa 179.33 m3/h de disolución que sale del desorbedor hasta el mezclador M-03, para luego ingresar al absorbedor. La temperatura de ésta disolución es de 82.4 ºC con una densidad de 4144.25 Kg/m3 y la presión de 1.3 bar a la entrada y de 28.5 bar a la salida.. ie. 9.3. COMPRESORES. ría. Esta bomba es de tipo centrífuga tipo DN 80-160 a 3550 r.p.m, con H diseño = 66.928 m, rendimiento = 78%, el material de construcción es acero inoxidable AISI 316 y una potencia de 135.593 KW.. In g. en. Los compresores son escogidos por datos encontrados en el programa CHEMCAD.. 9.3.1. COMPRESOR C-01. de. Este equipo comprime 53078 Kg/h. Su temperatura y presión de entrada es de 330 ºC, con una densidad de 1.382 Kg/m3, y 10 bar, siendo de 711.9 ºC y de 60 bar a la salida, las presiones son absolutas.. lio te. ca. Es un compresor centrífugo, rendimiento = 85 %, el material de construcción es acero A-387. Potencia de 24690.7 KW. Coef. politrópico n = 1.13. Coef. isoentrópico k = 1.37743 .. Bi b. 9.3.2. COMPRESOR C-02. Este equipo comprime 53078 Kg/h. Su temperatura y presión de entrada es de 300 ºC, con una densidad de 8.55 Kg/m3, y 60 bar, siendo de 451.5ºC y de 140 bar a la salida, las presiones son absolutas. Es un compresor centrífugo, rendimiento = 85 %, el material de construcción es acero A-387. Potencia de 9878.35 KW. Coef. politrópico n = 1.25. Coef. isoentrópico k = 1.3819 .. 30. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. 9.3.3. COMPRESOR C-03. uí m. Este equipo comprime 10676.21 Kg/h. Su temperatura y presión de entrada es de 5 ºC, con una densidad de 17.58 Kg/m3, y 300 bar, siendo de 105ºC y de 300 bar a la salida, las presiones son absolutas.. ría. Q. Es un compresor centrífugo, rendimiento = 85 %, el material de construcción es acero A-387. Potencia de 2214.75 KW. Coef. politrópico n = 1.317. Coef. isoentrópico k = 1.45795 .. 9.4. SEPARADORES FLASH. In g. en. ie. Los separadores flash se utilizan para hacer una separación líquido-vapor, al equipo entra una corriente líquida la cual sufre una caída de presión provocada por una válvula, esat caída de presión provoca una vaporización parcial, el separador flash es un tanque que tiene unas dimensiones que permite una buena separación de las fases obteniéndose una corriente vapor por cabeza y una líquida por colas Los datos del equipo son sacados del programa CHEMCAD. de. 9.4.1. SEPARADOR FLASH F-01. ca. Este separador está colocado a la salida del absorbedor, separa el vapor de la solución de carbonato de potasio que contiene el dióxido de carbono absorbido provocado por la caída de presión producida por una válvula colocada a la entrada del separador, es de tipo de tanque de almacenamiento cilíndrico con cabeza elipsoidal de colocación vertical.. lio te. Tienen una altura de 8.18 m y un diámetro de 3.0 m. El material a utilizar es A387 de 3.8 mm de espesor.. Bi b. Este equipo lleva a su alrededor un aislante; este aislante es lana de vidrio con un espesor de 50 mm.. 9.4.2. SEPARADOR FLASH F-02. Este separador está colocado a la salida del intercambiador I-08, separa el amoníaco procedente del reactor de amoníaco provocado por la caída de presión. 31. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(41) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. producida por una válvula colocada a la entrada del separador, es de tipo de tanque de almacenamiento cilíndrico con cabeza elipsoidal de colocación vertical. Tienen una altura de 6.42 m y un diámetro de 1.4 m. El material a utilizar es A387 de 3.8 mm de espesor.. uí m. Este equipo lleva a su alrededor un aislante; este aislante es lana de vidrio con un espesor de 50 mm.. Q. 9.4.3. SEPARADOR FLASH F-03. ie. ría. Este separador está colocado a la salida del separador F-02, separa el amoníaco procedente de amoníaco por la caída de presión producida por una válvula colocada a la entrada del separador, es de tipo de tanque de almacenamiento cilíndrico con cabeza elipsoidal de colocación vertical. en. Tienen una altura de 6.34 m y un diámetro de 1.37 m. El material a utilizar es A387 de 3.8 mm de espesor.. In g. Este equipo lleva a su alrededor un aislante; este aislante es lana de vidrio con un espesor de 50 mm.. de. 9.5. ABSORBEDOR A-01. lio te. ca. Este absorbedor sirve para remover el dióxido de carbono de la corriente del gas de síntesis. Utiliza una solución de carbonato de potasio al 50% en peso en contracorriente. Esta columna tiene 3 etapas, donde la alimentación entra por la tercera etapa y la solución con carbonato por la primera etapa. Una presión de operación de 21.5 bar y un diámetro de 4.26 m.. Bi b. 9.6. DESORBEDOR D-01 Este equipo es para desorber el dióxido de carbono, y regenerar la solución de carbonato. Opera a baja presión 1.3 bar y tiene 4 etapas, donde la solución que contiene el CO2 entra por segundo plato. El diámetro de la columna es de 4.87 m y tiene un reboiler. El dióxido de carbono sale por encima de la columna y es almacenado.. 32. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(42) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. 9.7. REACTORES. uí m. 9.7.1. REACTOR R-01 Reformador Primario. ría. Q. Función: Convierte la alimentación compuesta de gas natural (metano, etano, propano, n-butano, n-pentano, dióxido de carbono, nitrógeno) junto con el vapor en productos que contenga hidrógeno y monóxido de carbono.. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. Tipo: Reactor de Lecho Fijo Multitubular Material de Construcción: Acero con cromo y níquel (2 ¼ plg de espesor). Recubrimiento interno de acero 304SS (3/16) sobre 3” de refractario. Condiciones de Operación: Presión de Entrada 20 bar Presión de Diseño 27.7 bar Temperatura de Entrada 199.57ºC Temperatura de Salida 850ºC Temperatura de Diseño 850ºC Velocidad Espacial 2200 h-1 Catalizador anillos rashing, NiO. Vida Útil Catalizador: 2 a 3 años Flujo: Alimentación 133188.59 Kg/h Se descompone en: Hidrocarburos: metano, etano, propano, butano Agua Hidrógeno Monóxido de carbono Dióxido de carbono Dimensiones del Equipo: Diámetro del Reactor 6.45 m Altura del Reactor 7.69 m Tubos: 180 (7.62cm de diámetro, 7.32m de longitud). 9.7.2. REACTOR R-02 Reformador Secundario. 33. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(43) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. Función: Convierte la alimentación compuesta (metano, etano, propano, n-butano, n-pentano, dióxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno, monóxido de carbono) y aire en productos que contenga hidrógeno, nitrógeno y mínima cantidad de metano. El aire proporciona el nitrógeno y el oxígeno favorece la combustión del metano.. de. In g. en. ie. ría. Q. uí m. Tipo: Reactor Lecho Fijo. Material de Construcción: Aleación de acero tipo 502, al 12% de Cr (1 ¼ plg de espesor). Recubrimiento interno de acero 304SS (3/16) sobre 3” de refractario. Condiciones de Operación: Presión de Entrada 20 bar Presión de Diseño 35 bar Temperatura de Entrada 764.7ºC Temperatura de Salida 1022ºC Temperatura de Diseño 1022ºC Velocidad Espacial: 5875.7h-1. Catalizador:Al2O3, en forma de anillos rashing (800Kg/m3) Vida Útil Catalizador: N/A Flujo: Alimentación 183876 Kg/h Se descompone en: Hidrógeno Nitrógeno Agua Monóxido de carbono, dióxido de carbono, oxígeno y argón Hidrocarburos: metano, etano. (poca cantidad) Dimensiones del Equipo: Diámetro del Reactor 1.65 m Altura del Reactor 6.6 m. ca. 9.7.3. REACTOR R-03. Convertidor de Alta Temperatura. Bi b. lio te. Función: Su función es convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono Tipo: Reactor Lecho Fijo. Material de Construcción: Aleación de acero tipo 502 con un contenido de 5% de Cr (2 3/4 plg de espesor). Revestimiento con fibra de asbesto súper, cuyo límite de temperatura máxima de trabajo es de 600ºC Condiciones de Operación: Presión de Entrada 35 bar Temperatura Isotérmica 400ºC Temperatura de Entrada 400ºC Temperatura de Salida 400ºC Velocidad Espacial :4040.4h-1 Catalizador Katalco en pastillas a L= 9mm y Ø=7 mm, 90% Fe3O4 y 10% CrO3 Vida Útil Catalizador: 3-5años Flujo:. 34. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(44) Q. 9.7.4. REACTOR R-04. uí m. Alimentación 183876.11 Kg/h Se descompone en: Hidrógeno Nitrógeno Agua Dióxido de carbono Hidrocarburos: metano, etano. (Mínima cantidad) Monóxido de carbono, oxígeno y argón (pocas cantidades) Dimensiones del Equipo: Diámetro del Reactor 1.15 m Altura del Reactor 5.17 m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ría. Convertidor de Baja Temperatura. Bi b. lio te. ca. de. In g. en. ie. Función: Su función es convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono Tipo: Reactor Catalítico. Material de Construcción: Acero al carbono (2 ¾ plg de espesor). Revestimiento con fibra de asbesto súper, cuyo límite de temperatura máxima de trabajo es de 600ºC Condiciones de Operación: Presión de Entrada 35 bar Temperatura Isotérmica 225ºC Temperatura de Salida 225ºC Velocidad Espacial: 4040.4h-1 Catalizador Katalco en pastillas a L=3 mm y Ø=5 mm, 30-35%CuO / 35%ZnO / 15-35% Al2O3 Vida Útil Catalizador: 1-2 años Flujo: Alimentación 183877.09 Kg/h Se descompone en: Hidrógeno Nitrógeno Agua Dióxido de carbono Hidrocarburos: metano, etano. (Mínima cantidad) oxígeno y argón (pocas cantidades) Dimensiones del Equipo: Diámetro del Reactor 1.04m Altura del Reactor 4.68 m. 9.7.5. REACTOR R-05 Metanizador. 35. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(45) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. uí m. In g. en. ie. ría. Q. Condiciones de Operación: Presión de Entrada 21.5 bar Presión de diseño: 35.29 bar Temperatura de operación: 330ºC Temperatura de Entrada 85.12ºC Temperatura de Salida 330ºC Velocidad Espacial: 3120 h-1 Catalizador ICI 15-4, Ni, esférico 8.5 mm de diámetro Vida Útil Catalizador: N/A Flujo: Alimentación 52751.6 Kg/h Se descompone en: Hidrógeno Nitrógeno Agua Metano oxígeno y argón (pocas cantidades) Dimensiones del Equipo: Diámetro del Reactor 1.02 m Altura del Reactor 4.59 m. ica. Función: Convierte las trazas de monóxido de carbono y dióxido de carbono en metano. Tipo: Reactor Lecho Fijo. Material de Construcción: Acero al carbono (2 ¼ plg de espesor). Recubrimiento refractario.. de. 9.7.6. REACTOR R-06. ca. Reactor de Amoníaco. Bi b. lio te. Función: Es llevar a cabo la producción de amoníaco. Convierte la alimentación compuesta de nitrógeno e hidrógeno en amoníaco. Tipo: Reactor Lecho Catalítico. Material de Construcción: Hierro dulce pobre en carbono, revestido con acero al cromo níquel. Condiciones de Operación: Presión de Entrada 220 bar Presión de diseño: 300 bar Temperatura de operación: 400ºC Temperatura de Entrada 400ºC Velocidad Espacial 3000h-1 Catalizador: C73-1, esférico Fe (31% FeO, 66% Fe2O3, 1.8% Al2O3, 1.0% K2O, 0.2% impurezas) Vida Útil Catalizador: N/A Flujo:. 36. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.