Procesos Industriales Clave: Amoníaco, Ácido Nítrico y Gasificación de Carbón
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Reactor BASF: Procesos de Reformado de Nafta
El Reactor BASF es el sitio donde tienen lugar las reacciones 'a' y 'b'. Es un reactor de doble lecho, uno de platino (Pt) y otro de níquel (Ni). En la entrada, se alimenta nafta, y en función de la válvula que se abra, reaccionará con oxígeno (O2) o con vapor de agua (H2O).
a) Reacción con Oxígeno (O2)
La mezcla se precalienta a 1500ºC y la reacción tiene lugar cuando se encuentra con el lecho de platino. Después, se enfría hasta 500ºC. El lecho de níquel absorbe parte del calor generado.
b) Reacción con Vapor de Agua (H2O)
La reacción se precalienta, llegando al lecho de platino donde se absorbe calor y luego pasa al lecho de níquel, donde también se absorbe calor y se produce la reacción 'b', generando monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2).
Carbón: Gasificación y Usos Industriales
El carbón puede ser gasificado para obtener gas de síntesis, que se utiliza en la producción de metanol y otros productos orgánicos. Alternativamente, puede emplearse para obtener una corriente de nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2) para la fabricación de amoníaco y fertilizantes.
Tratamientos del Carbón
- Destilación
- Hidrogenación
- Extracción por disolventes
- Gasificación
Gasificación del Carbón: Procesos y Productos
Todos los carbones son gasificables, aunque, dado su menor precio, se acude a aquellos que no se utilizan en coquerías. Existen tres procesos principales:
- Exotérmicamente: Con O2 o con aire, produciendo CO.
- Endotérmicamente: Con vapor de agua.
- Mixta: Con aire y agua.
La gasificación con diferentes agentes produce:
- O2: CO
- Aire: CO + N2
- O2 + Agua: CO + H2
- Aire + Agua: CO + H2 + N2 (simultáneamente)
Producción de Amoníaco (NH3): Proceso y Aplicaciones
La producción de amoníaco (NH3) es el resultado de la relación estequiométrica entre 3 moles de H2 y 1 mol de N2. Posteriormente, el gas se comprime y se enfría a -33ºC para su licuefacción. La materia prima más eficiente para su producción son las corrientes de reformados o hidrocarburos ligeros.
Usos del Amoníaco
El 75% del amoníaco producido se destina a la fabricación de fertilizantes, ya sea directamente como NH3 o indirectamente después de fabricar urea, nitrato de amonio (NH4NO3), y fosfatos monoamónicos o diamónicos. El resto se utiliza para la fabricación de resinas poliméricas, explosivos, ácido nítrico (HNO3) y otros productos de limpieza.
Proceso de Producción de Amoníaco: Etapas Clave
Etapa de Desulfuración
Es necesario eliminar el azufre (S) del gas natural de entrada, ya que es un veneno para los catalizadores.
Reformado Primario
El gas sin azufre (hidrocarburos) se mezcla con vapor y se calienta a 500-600ºC en presencia de un catalizador para producir H2 y CO.
Reformado Secundario
El 30-40% de los hidrocarburos de entrada que no se reformaron en la etapa primaria reaccionan aquí con aire para completar la conversión y añadir N2.
Etapa de Conversión (Shift)
La entrada es la salida del Reformador Secundario (R2) con un 5-15% de CO. El CO se convierte en CO2 y más H2 mediante la reacción de desplazamiento de gas de agua (Water-Gas Shift Reaction).
Eliminación del CO2
Se enfría el gas y el vapor en exceso se condensa. El CO2 se elimina mediante absorción química o física.
Metanación
Consiste en eliminar las trazas residuales de CO y CO2, ya que perjudican al catalizador en la síntesis de NH3.
Compresión del Gas de Síntesis y Síntesis de NH3
El gas de síntesis (N2 + 3H2) se comprime a altas presiones y temperaturas para la reacción de síntesis de amoníaco: N2 + 3H2 → 2NH3, una reacción exotérmica.
Producción de Ácido Nítrico (HNO3): Tecnologías de Planta
Plantas de Doble Presión
En estas plantas, la absorción tiene lugar a mayor presión. Las etapas principales son:
- Filtración de aire
- Compresión del aire
- Mezcla del aire y del NH3
- Oxidación de la mezcla en catalizador (rejillas de Pt-Rh)
- Recompresión de la energía mediante generación de vapor
- Enfriamiento del gas
- Compresión del gas
- Absorción con producción de HNO3
- Calentamiento del gas residual
- Recuperación de la energía mediante expansión del gas residual a la atmósfera en una turbina de gas
Plantas de Presión Única
Las etapas de producción en plantas de presión única incluyen:
- Vaporización del NH3: Usando agua o condensados, y se sobrecalienta.
- Filtrado del NH3: Para eliminar restos de moho.
- Filtrado del aire.
- Compresión del aire.
- Mezcla de aire y NH3.
- Catálisis: Distribución uniforme de la mezcla sobre las rejillas del catalizador.
- Recuperación de calor: Un sistema de intercambiadores de calor transfiere la energía del gas que sale de la caldera.
- Sección de enfriamiento: Enfría la salida (NO) hasta 50ºC.
- Sección de absorción: Funciona a contracorriente.
- Expansor: El gas residual se descarga a la atmósfera, pasando antes por una turbina de gas.
- Turbina de vapor: El expansor genera parte de la energía que necesita el compresor de aire.
- Eliminación de NOx.
Plantas de Doble Presión (Detalle Adicional)
Las primeras 8 etapas son similares a las de presión única. Las etapas subsiguientes, específicas de doble presión, incluyen:
- Sección de compresión de NOx.
- Sección de enfriamiento.
- Sección de absorción.
Comparación de Plantas de Ácido Nítrico
Las plantas de doble presión operan a temperaturas y presiones más altas, utilizando catalizadores con baja producción de NO. La presión de entrada al expansor de gas es también más elevada en comparación con las plantas de presión única.
El Regenerador de Fränkl: Eficiencia en Intercambio de Calor
El Regenerador de Fränkl consiste en un depósito cilíndrico relleno con discos metálicos, también cilíndricos, que se fabrican enrollando en espiral una tira corrugada de aluminio o cobre. La caída de presión es de pocas décimas de kg/cm², y las temperaturas de operación son comunes, próximas en uno o dos grados centígrados a las del extremo caliente.
Ventajas del Regenerador de Fränkl
- Pérdida de carga pequeña.
- Buena permeabilidad.
- Innecesario purificar aire (en ciertas aplicaciones).
- Mayor efectividad en el intercambio de calor.