Producción De Urea A Partir De Gas Natural 5s5r41

Ingeniería Química

Análisis y Síntesis de Procesos Químicos INDICE Pág.

I. ASPECTOS GENERALES: 1.1.- Resumen Ejecutivo ……………………………………...................................…3 1.2.- Formulación del problema………………....………………………………..….....3 1.3.- Objetivos…………………………………….........…………………………….......3 1.3.1. Objetivo general……………………….……………….............................3 1.3.2. Objetivos específicos……………………........……………………….......4 1.4.- Justificación……………………………………………………………………......4 1.5.- Alcances y Limitaciones……………………………….......……………..…….....5 1.5.1. Viabilidad………………………………………….....................................5 1.5.2. Lugar…………………………………………………...............................6 1.5.3. Tiempo………………………………………………................................7 1.5.4. Financiación………………………………………………………....…..….8 II. CUERPO DEL INFORME.2.1.- Introducción……………………………...………………………………….……...9 2.2.- Antecedentes…………………………………..…...........................................10 2.3.- Requerimientos……………………………………..........................................11 2.3.1. Requerimientos Técnicos………………………..................................11 2.3.2. Requerimientos Económicos………………........................................22 2.3.3. Requerimientos Ambientales……………………………….…...............23 2.3.4. Tratamiento de efluentes…………………………………..…….............24 2.4.- Definición conceptual del Proceso………………….………………..…...….....26 2.4.1. Operaciones Unitarias Principales…………………………..................26 2.4.2. Fortalezas y Debilidades Ambientales……………………….…...........26 2.4.3. Recuperación de Subproductos…………………………………...........27 2.4.4. Confinamiento de desechos………………………………..…..............27 2.5.- Análisis Técnico del Proceso……………………………..............................27 2.5.1. Diagramas de Proceso PBD y PFD……………………….................27 2.5.1.1.- Diagrama de flujo BFD ………………….. ........................28 2.5.1.2.- Diagrama de flujo PFD…………………...........................29 2.5.2. Tablas de balance técnico, de materia y Energía………………........29

Espinoza zorrilla ever angel

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Análisis y Síntesis de Procesos Químicos

2.6.- Fundamentos del Proceso…………………………………………….................30 2.6.1. Reacciones químicas principales……………………………..................30 2.6.2. Antecedentes termodinámicos……….………………………................36 2.7.- Estructura de reciclo y purgas del diagrama de flujos………………...............40 2.8.- Estructura General del Sistema de separación……………………..................41 2.9.- Red de intercambiadores de calor (análisis Pinch para integración energética)…………….................................................................................43 2.10.- Resultados de Análisis de las Etapas Principales……………………............44 2.10.2. Criterios de escalamiento…………………………………….................45 2.11.-Memoria de Análisis y Cálculos……………………………….................46 2.12.- Comentario y Conclusiones………………………………………….................59 2.14.- Bibliografía…………………………………………………..……………............60 2.15.- Anexos...........................................................................................................60


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Análisis Y Diseño de una Planta Industrial del Proceso de Producción de Urea a Partir de Gas Natural

I.

ASPECTOS GENERALES Resumen Ejecutivo: El presente perfil de diseño nos da a conocer el proceso de obtención de urea, partiendo como materia prima el gas natural proveniente de la planta de fraccionamiento de pisco, el presente perfil de diseño contiene:  Balance de materia del Proceso de 550.251 ton de gas natural por día se obtendrá 1750.090 ton de urea por día.  Análisis Pinch del proceso aprovechando la energía a utilizar sin desperdiciar energía.  Diagrama de procesos y de bloques.  Características del producto y de la materia prima a utilizar.  Características principales de los equipos y procesos a realizarse en la obtención de urea.

1.1 FORMULACION DEL PROBLEMA  ¿Es posible desarrollar el análisis del proceso para obtener urea utilizando como materia prima el gas natural?  ¿Qué tipo de tecnología se utilizara para el análisis y diseño de obtención de urea utilizando como materia prima el gas natural?  ¿Cómo se aplicara los conocimientos adquiridos para analizar y comprender el proceso de obtención de urea utilizando como materia prima el gas natural?  ¿Qué parámetros de calidad ambiental debe cumplir

el proceso de

obtención de la urea utilizando como materia prima el gas natural?  ¿La urea como producto cumple con las normas técnicas peruanas para su comercialización?  ¿Qué conocimientos y experiencias se alcanzarán al finalizar dicho trabajo? 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL  Elaborar una propuesta de diseño de

una planta

industrial para la

producción de urea a partir de gas natural.


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1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS  Buscar la información existente para analizar los diferentes tipos de tecnología para obtener Urea a partir del gas natural y aplicar la tecnología adecuada para realizar un buen proceso.  Analizar, evaluar y entender las etapas del proceso de producción de urea a partir del gas natural, determinando sus ventajas y desventajas.  Estudiar los efectos sobre el medio ambiente de la producción industrial de urea y analizar los métodos preventivos y correctivos correspondientes.  Adquirir nuevos conocimientos que nos integre como profesionales en el desarrollo de este proyecto para desempeñar como futuros ingeniero químico en el campo competitivo. 1.3 JUSTIFICACION:

El ingeniero debe tener la habilidad para aplicar sus conocimientos a situaciones prácticas con el propósito de lograr productos y sub productos terminados que sean benéficos para la sociedad. Sin embargo, al hacer estas aplicaciones, el ingeniero químico debe itir las implicancias económicas y ambientales con el fin de lograr un impacto ambiental negativo.

El sustento legal del presente perfil de diseño se basa en la ley Nº 29163 y LEY Nº 26221. Con la aprobación del reglamento de la ley Nº 29163, ley de promoción para el desarrollo de la industria petroquímica, se promueve el desarrollo de la petroquímica, el cual establece normas para el desarrollo de las actividades petroquímicas, a partir de los componentes del gas natural, el articulo 1º prioriza la producción de urea y fertilizantes bajo criterio de responsabilidad socio-ambiental. En la actualidad con la explotación del gas de camisea es necesario elaborar un proyecto para la instalación de una planta productora de urea como una forma de aprovechamiento de dichas fuentes de gas natural y así disminuir las importaciones relacionadas a este producto.[3]


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Dado que el estado con la ley

Nº 29163 y La ley orgánica de

hidrocarburos

que

(LEY

Nº

26221)

norma

las

actividades

de

hidrocarburos en el territorio nacional, el estado promueve al desarrollo de las actividades de hidrocarburos. Con el apoyo de estas normas legales mencionadas se podrá realizar con más énfasis esta propuesta de rediseño.[2]

Actualmente en el Perú no existen industrias dedicadas a la elaboración de amoniaco a partir del gas natural y por ende ninguno de sus derivados como por ejemplo fertilizantes (urea), los cuales son importados de diferentes partes de Latinoamérica como México, Brasil, Argentina, etc. Teniendo en cuenta que el gas natural es menos contaminante que los combustibles sólidos y líquidos. Por un lado, como cualquier otro combustible gaseoso, no genera partículas sólidas en los gases de la combustión, produce menos CO2 (reduciendo así el efecto invernadero), menos impurezas, como por ejemplo azufre (disminuye la lluvia ácida), además de no generar humos y es el mas limpio de los combustibles [1] Para lo cual es necesaria la elaboración de

un proyecto para la

instalación de una planta productora de amoniaco y derivados (fertilizantes urea). Fuente: [1] http://]www.minem.gob.pe/ [2] http://www.perupetro.com.pe/legal02-s.asp#top [3] http://www.elperuano.com.pe/ 1.4. ALCANCES Y LIMITACIONES 1.4.1. Viabilidad: El Perú cuenta con reservas de gas natural como el de Camisea en Cuzco, el cual es materia prima principal para la producción de urea a nivel industrial; así como camisea hay también reservas de gas natural en el Perú que existen en la actualidad, que se mencionan en la tabla Nº1 y en la tabla Nº2; al comparar estas tablas de reserva de gas natural del 2000 con el 2006, vemos que hay materia prima para nuestra propuesta de rediseño. La presencia de este tipo de reservas facilita la posibilidad de producir urea en nuestro propio país, lo cual favorece el presente perfil de proyecto.


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Tabla Nº 1: Fuente: www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversiones/confe_hora_gas.ppt[1]

Tabla Nº 2: Fuente: www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversiones/confe_hora_gas.ppt 1.4.2. Lugar: El proyecto se pretende desarrollar en el Perú, ya que contamos con la materia prima Principal. El lugar que sugerimos para su instalación será en la ciudad de pisco ya que ahí esta la planta de fraccionamiento del gas natural de la compañía Pluspetrol, operadora del Consorcio Camisea. Fuente: http://www.universia.edu.pe/noticias/principales/destacada.php?id=61446


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1.7.3. Tiempo: El tiempo de duración para la elaboración del perfil del proyecto será de 9 semanas según lo descrito en el Cronograma de actividades, según la tabla nº 04. PLAN DE TRABAJO Cronograma De Actividades (Diagrama de Gantt) TITULO DEL PROYECTO: “Análisis Y Diseño de una Planta Industrial del Proceso de Producción de Urea a Partir de Gas Natural ” ACTIVIDAD PROGRAMADA

SEMANAS: Semestre académico 2008 - II 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Búsqueda bibliografía del tema del proyecto X X X X X X X Elaboración de una propuesta de proyecto X X Elaboración de diagrama de procesos X X X X Análisis de rendimiento de un proceso Análisis de grados de libertad Análisis de grado de reacciones químicas Análisis de un sistema de separación Diseño del Sistema de integración de energía del proceso Síntesis del proceso Asesoría metodológica X X Exposiciones de Avancé X X Presentación de borradores X X X X Presentación


X X X

X

X

X X

X

X

X

X X X X

X

X

X X

X

X X X

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del informe final

Tabla nº 03: Cronograma de actividades 1.7.4 Inversión y Financiamiento El costo del trabajo esta referido en la tabla nº 04.

Tabla Nº 4: Costo del trabajo (Aprox.)


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II. CUERPO DEL INFORME:

2.1. INTRODUCCION El presente informe tiene como finalidad Elaborar una propuesta de rediseño de una planta industrial para la producción de Urea a partir del gas natural, para lo cual debemos previamente analizar y comprender los procesos tradicionales de producción de amoniaco y CO2 a partir de gas natural como también las tecnologías nuevas utilizadas en la síntesis del amoniaco y CO 2,para producir urea como producto principal así mismo, debemos estudiar los efectos sobre el medio ambiente de la producción

industrial

de

amoniaco

y

analizar

los

métodos de

prevención

correspondientes, todo esto posibles gracias a nuestros conocimientos básicos de materias científicas tales como cinética química y diseño de reactores, fenómenos de transporte, cálculos numéricos, termodinámica, transferencia de masa y calor, etc., así como programas de simulación computarizados que nos ayudan a resolver problemas matemáticos con facilidad. Las razón por las cual se elaboró el presente informe es porque actualmente en el Perú no existen industrias dedicadas a la elaboración de urea debido a que no se contaba con grandes fuentes de gas natural el cual es la materia prima mas utilizada para la producción de este. Para desarrollar una industria de producción de fertilizantes como lo es la urea se tiene la disponibilidad de materias primas, una buena ubicación geográfica para desarrollar la planta en cuestión y el a mercados de alto crecimiento. En la actualidad con la explotación del gas de camisea es necesario elaborar un perfil de diseño para la instalación de una planta productora de urea como una forma de aprovechamiento de dichas fuentes de gas natural. La urea, cuya formula química es (NH2)2CO, ha pasado a ser la principal forma de fertilizante en el mundo; puede ser elaborado haciendo lo reaccionar con Dióxido de Carbono (CO2) y Amoniaco (NH3) a alta temperatura y presión. Hoy en día es el fertilizante nitrogenado de uso más extendido y crecimiento más sostenido a nivel mundial, debido a que es el fertilizante más eficiente en términos de costos para el suministro de nitrógeno el cuál es esencial en el metabolismo de la planta. Por su alto contenido en nitrógeno es económico para producir.


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2.1 ANTECEDENTES BIBLIOGRÁFICOS: TITULO: Análisis Y Re-Diseño de una Planta Industrial del Proceso de Producción de Urea a Partir de Gas Natural Ubicación Geográfica Local

----------Cuzco

Temas relacionados

Observaciones

------------------------------------------------Proyecto del Gas Natural de Camisea . El desarrollo del proyecto contempla la producción de amoníaco con fines industriales y el desarrollo de fertilizantes nitrogenados.

-----------Es la principal reserva de gas natural, localizado en la región sur oriental del país, estimada en 10.94 billones de pies cúbicos.

Ica

.El grupo chileno Sigdo Koppers y el grupo peruano Brescia, acordaron invertir de manera conjunta en el desarrollo del primer proyecto petroquímico de amoniaco y nitrato de amonio en Perú; a iniciativa representa unos US$650 millones y su construcción culminaría durante el año 2011.

se abastecerá de gas natural proveniente de la planta de fraccionamiento de pisco este proyecto de realizara en el departamento de ica

Piura

.Perú erigió su primera planta de amoniaco en Talara (Piura) en 1973, aunque posteriormente. por problemas de suministro de gas fue sacado de servicio en 1991

Al no contar con suficiente materia Prima (Gas Natural) se cerro la planta de Urea

Nacional

Venezuela

Internacional Brasil


Fertinitro I. Complejo de fertilizantes Fue un proyecto puesto en nitrogenados , que incluyen dos marcha el 27 de marzo de plantas de amoniaco con producción 1998 en el Complejo José diaria de 1.8 MTA y dos plantas de Antonio Anzoátegui urea granular de producción diaria de 2.2 MTA FAFEN - Fábrica de Fertilizantes Es la mayor productora de Nitrogenados. Es responsable del urea de Brasil, con una 64% de la producción nacional de capacidad instalada de 1 urea (principal producto de la unidad), millón 750 mil toneladas el fertilizante nitrogenado que más se por año. utiliza en el mundo.

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México

Argentina


PEMEX Petroquímica Empresa que elabora, comercializa y distribuye productos petroquímicos selectos, en crecimiento continuo y maximizando su valor económico, con calidad, seguridad, respeto al medio ambiente

PROFERTIL S.A La planta de Profertil, está diseñada para la producción de Urea, a partir de la combinación de amoníaco y anhídrido carbónico, en un reactor construido específicamente para resistir las condiciones de presión y temperatura.

Actualmente opera a un 25% de su capacidad Complejo cuenta con los siguientes complejos: Petroquímico Independencia, el Complejo Petroquímica Cangrejera,etc

Profertil visualiza al ambiente como un sistema complejo del que forma parte, y cuya influencia se extiende a las condiciones de vida de la sociedad en la que convergen y participan dinámicamente, condiciones y funciones de los medios naturales e intereses sociales.

Tabla Nº 5. Fuente: http://www.pequiven.com/pqv_new/fertinitrosp.php http://www.profertil.com.ar/nuestros-productos.jsp http://www.sigdokoppers.cl/noticias/noticias.htm https://www.ptq.pemex.com/portal/PagSubMenuVisita.aspx?IdMenu=1&IdsMenu=7 Tesis de la San Marcos “Estudio de prefactibildad de la producción de Urea” Verificar Fichas Bibliográficas en el anexo A-1

2.2 REQUERIMIENTOS: 2.2.1 Aspectos Técnicos: 2.2.1.1Aspectos Técnicos síntesis de amoniaco: Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco.


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Tabla nº 06: Cuadro de comparaciones técnicas de procesos de producción de amoniaco. Fuente: http://www.textoscientificos.com/quimica/amoniaco/produccion http://www.patentesonline.com.ve/patente.pesquisar.do?pesquisa=conversion%20de% 20oxido&inicio=40 - 17k – 

Conclusiones: En base al análisis de la tabla nº 06, el proceso a analizar seria el de reformado con vapor con catalizador de oxido de hierro debido a su gran utilización a nivel mundial, su bajo costo de producción y su operación a condiciones seguras, además de la basta información q hay acerca de él.


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2.2.1.2Aspectos Técnicos síntesis de amoniaco:

Tabla Nº 7. Cuadro de comparaciones técnicas de procesos de producción de urea.

Fuente: www.ictp.csic.es/s/mem50ictp.pdf Tesis de la San Marcos “Estudio de prefactibildad de la producción de Urea”

Conclusiones: Por las ventajas que ofrece se empleará la tecnología argentina, como esta tecnología no tienen antecedentes en nuestro país, y menos aun, en su uso a escala industrial, la necesidad de instalar e implementar una planta de investigación y desarrollo pionero es prioritario. Ya que éste otorgaría la información básica para establecer la factibilidad de cualquier proyecto industrial en esta área, lo que demostraría que es posible y realizable la obtención del nuevo producto. Para darnos una idea de la probable dimensión de la planta a continuación se detallará la disposición de la planta de producción de urea a realizar:


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Tabla Nº 8. Área del proyecto industrial Fuente: “Datos de autor y bibliografía”


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2.2.2 Análisis De Materia Prima Y Productos:

a) materias primas:  gas natural: El gas natural es un combustible de origen fósil que se extrae del subsuelo. Es más ligero que el aire y los expertos coinciden a la hora de calificarlo como la energía por excelencia del siglo XXI. Este combustible ocupa el tercer lugar en el ranking de fuentes de energía más utilizadas en el mundo y representa la quinta parte del consumo energético mundial. Se denomina gas natural a una mezcla de gases, cuyos componentes principales son hidrocarburos gaseosos, (en particular el metano que aparece en una proporción superior al 70%). El gas natural se encuentra en la naturaleza en las llamadas “bolsas de gas “, bajo tierra, cubiertas por capas impermeables que impiden su salida al exterior. El gas natural se puede encontrar acompañando al crudo en pozos petrolíferos (gas natural asociado) o bien en yacimientos exclusivos de gas natural (gas natural no asociado). No existe una teoría rigurosa sobre su formación pero se puede asegurar que proviene de un proceso análogo al de la formación del petróleo.

FAMILIAS DE GASES. Cuando un gas es capaz de reaccionar con el oxígeno del aire de forma rápida y con desprendimiento de energía térmica (proceso de combustión) se denomina gas combustible. Los combustibles gaseosos se clasifican en diferentes familias. La Norma española UNE 60.002 clasifica los gases combustibles según un parámetro llamado índice de Wobbe, cociente entre el Poder Calorífico Superior y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas


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PRIMERA FAMILIA. Índice de Wobbe comprendido entre 5.700 y 7.500

Kcal /m3(n).

Pertenecen a esta familia el gas manufacturado, el gas de coquería, y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe. SEGUNDA FAMILIA. Índice de Wobbe

comprendido entre 9.680 y 13.850 Kcal/m3.

Pertenecen a esta familia los gases naturales

y las mezclas

hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe (aire propanado). TERCERA FAMILIA. Índice de Wobbe comprendido entre 18.500 y 22.070 Kcal/m3. Pertenecen a esta familia los GLP (gases licuados del petróleo), propano, butano... COMPOSICIÓN DEL GAS NATURAL. Más del 70 % del gas natural es METANO, al que acompañan otros hidrocarburos saturados como el etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de otros gases. La composición del gas natural oscila según la procedencia del mismo MAR DEL

ARGENTINA LIBIA

NORTE METANO

CH4

92%

91,2%

86,5%

ETANO

C2H6

3,5%

7,4%

12,4%

PROPANO

C3H8

0,7%

0,8%

0,3%

BUTANO

C4H10

0,3%

0,1%

----

3,5%

0,5%

0,8%

OTROS


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DISTRIBUCIÓN Y TRANSPORTE. La Distribución y el transporte del gas natural desde los yacimientos hasta los puntos de consumo se realiza de dos formas: 1.

Mediante canalización de gas (Gasoductos)

2.

Mediante su transporte y almacenamiento en estado liquido.

Transporte y distribución mediante canalizaciones de gas (GN). La distribución del gas natural en estado gaseoso por tuberías se realiza a diferentes presiones.  Alta presión B: Presiones mayores de 16 Bares.  Alta presión A: Presiones comprendidas entre 4 y 16 Bares.  Media presión B: Presiones comprendidas entre 0,4 y 4 Bares.  Media presión A: Presiones comprendidas entre 0,05 y 0,4 Bares.  Baja presión: Presiones inferiores a 0,05 Bar. Transporte de gas natural en estado líquido (GNL)  Licuación del gas natural.  El GNL se transporta y almacena en unas condiciones de presión y temperatura de – 163ºC (estado criogénico) para que los recipientes solo tengan que soportar la presión hidrostática.  Se conoce con el nombre de estado criogénico aquel en el que se encuentra un fluido a muy baja temperatura.  El GNL se transforma en gas en los vaporizadores alimentados por algún fluido caliente (agua, aire, vapor...). FUENTE: http://www.dcgasextremadura.es/index.htm


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 M. P. Principal: gas natural. 

concentración de azufre menor a 10 ppm.



concentración de metano no menor a 94% en volumen. (previamente fraccionado).



proveedor: planta de fraccionamiento de Pisco- Perú.

 M. P. Secundaria:  Dióxido de Carbono:

Propiedad Masa molecular Gravedad específica Densidad crítica Concentración en el aire Estabilidad Líquido Sólido Constante de solubilidad de Henry Solubilidad en agua

Valor 44.01 1.53 a 21 oC 468 kg/m3 370,3 * 107 ppm Alta Presión < 415.8 kPa Temperatura < -78 oC 298.15 mol/ kg * bar 0.9 vol/vol a 20 oC

FUENTE: Libro química Orgánica General  Amoniaco: El amoníaco es un compuesto químico cuya molécula está compuesta por un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) y cuya fórmula química es NH3. El nombre de amoníaco deriva del nombre dado a una divinidad egipcia: Amón. Los egipcios preparaban un compuesto, cloruro amónico, a partir de la orina de los animales en un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevo a Europa mantuvo ese nombre en recuerdo de la sal de Amón. Propiedades físico químicas del amoníaco: 

Gas incoloro en condiciones normales



Temperatura de solidificación –77,7ºC


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

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 113atm.



Densidad del gas (0ºC y 1atm.) 0,7714 g/l

Efectos tóxicos Es tóxico por inhalación (edema pulmonar) y los vapores producen irritación de ojos. Las salpicaduras de amoníaco líquido producen quemaduras y un daño irreparable en los ojos. Almacenamiento El

amoníaco

se

puede

almacenar

en

almacenamientos

refrigerados a presión atmosférica y aproximadamente –33ºC con capacidades de 10000 a 30000 tn (hasta 50000) También puede almacenarse en esferas o tanques a presión a temperatura ambiente y su presión de vapor con capacidades de hasta 1700 tn. Por ultimo se utilizan esferas semirefrigeradas a presiones intermedias (4atm) y 0ºC estas esferas también tienen capacidades

intermedias

entre

los

almacenamientos

a

temperatura ambiente y los refrigerados. FUENTE:

Resumen de la tesis de Producción de Urea – UNMSM Libro química Orgánica General  Aire atmosférico: 

Extraído de la atmósfera.



Micro filtrado, libre de impurezas y de agentes tóxicos.



Precalentado

a

600

ºC

en

un

horno

de

calefacción.


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b) productos:  P. Principal: Urea Granulada.

FUENTE:

Libro química Orgánica General  P. Secundarios:

FUENTE:



N2 y H2, los cuales son separados y regresados al proceso de síntesis.



Recuperación de NH3



Recuperación de CH4

Manual del ingeniero químico


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 Agua de desecho: El agua que sale del proceso se dirige a la planta de tratamiento de agua, y el después de pasar por el tratamiento cumple los limites permisibles para ser desechado al desagüe

CARACTERISTICA Aluminio Arsénico Bario Cio Cianuros Cloro Residual Libre Cloruros Cobre Cromo Total Dureza total Fenoles o compuestos fenolicos fierro Fluoruros Benceno Etil benceno Tolueno Xileno Manganeso Mercurio Nitratos Nitritos Nitrógeno amoniacal PH

LIMITE PERMISIBLE 0.200 0.050 0.700 0.005 0.070 0.20 - 1.50 250.000 2.000 0.050 500.000 0.300 0.300 1.500 10.000 300.000 700.000 500.000 0.150 0.001 10.000 1.000 0.500 6.5 - 8.5

FUENTE: Norma oficial NOM – 127 – SSA1 – 1994, salud ambiental. Para uso de consumo Humano. Limites permisibles de calidad y tratamientos a que debe someterse el agua para su potabilización 2.2.3 Aspectos Económicos: Perfil de Inversión Económica (%)


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Tabla Nº 9

2.2.4 Aspectos Ambientales y Sociales En las plantas de producción de urea descritas aquí son de esperar impactos ambientales en los ámbitos aire, aguas, suelo, así como emisiones sonoras. Por regla general, sin embargo, existen para todas las instalaciones de este tipo procedimientos cuya aplicación permite limitar los daños.


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Tabla Nº 9.

Tabla Nº 10

2.2.5 Tratamiento de Efluentes:

2.2.5.1 Emisiones gaseosas:

Depuración de gases con el proceso de condensación inerte antes de la salida de humos a la atmósfera.


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 En la torre de granulación y aire para recuperar la planta de urea y NH3.  De reducción de polvo mediante la producción de nitrato de amonio granular en lugar de producto.  Bolsa de filtración de aire cargado de polvo de puntos de transferencia, pantallas, máquinas de embolsado, etc., junto con un sistema de reciclaje de disolución para el proceso. 2.2.5.2 Líquido de las emisiones:

Tratamiento de aguas residuales de proceso y de la recuperación de condensados de urea, CO2 y NH3.  Mejora

de

la

evaporación

calentador,

mejorando

el

separador de diseño para reducir al mínimo la urea arrastre.  Suministro de suficiente capacidad de almacenamiento para la planta de inventario para atender la planta y alterar las condiciones de cierre.  Provisión de tanques sumergidos para recoger plantas de lavado, etc. de los drenajes para reciclar a la sección de tratamiento de aguas residuales.  El uso de sellos mecánicos para bombas. 2.2.6 SERVICION AUXILIARES:

PROVEEDOR SERVICIOS AUXILIARES

Energía

Edelnor

Agua

Poso


DESTINO Toda la planta Tratamiento de Agua

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Análisis y Síntesis de Procesos Químicos Planta de Fraccionamiento (Pisco)

 Desulfurisador y producción de Gas de síntesis

----------------------

 50% mercado nacional y 50% mercado internacional

PRODUCTO SECUNDARIO

----------------------

--------------------------

RESIDUOS O EFLUENTES

----------------------

Previo tratamiento

MATERIA PRIMA

Gas Natural

PRODUCTO PRINCIPAL (UREA)

Tabla: Nº 10


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2.3 DEFINICIÓN CONCEPTUAL DE OPERACIONES Y PROCESOS:

2.3.1 Operaciones y Procesos Principales:

2.3.2 Fortalezas y Debilidades Ambientales

Tabla: Nº 12


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2.3.3 Recuperación De Subproductos: La recuperación de los subproductos se hace por medio de una separador, el cual separa parte del N2 y el H2 remanentes de la reacción de síntesis y los devuelve a la línea de proceso, la otra parte de los subproductos son enviados a un sistema de recuperación el cual seleccionará los compuestos uno por uno, obteniéndose:  N2 y H2, los cuales son devueltos a la línea de proceso.  NH3, el cual es purificado y envasado para comercializarlo,

FUENTE: Manual del ingeniero Químico

2.5.4 Confinamiento De Deshechos: La fabricación de UREA es un proceso muy limpio no existen vertidos líquidos. Los vapores de proceso son utilizados como fuente de energía calorífica para calentar

otras corrientes principalmente las corrientes de

proceso luego de esto se condensan y regresan a los generadores de vapor. 2.4 ANÁLISIS TÉCNICO DEL PROCESO:

2.6.1 Diagramas del proceso, BFD Y PFD:


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Gas Natural

H2

A) BFD:

Pre-Calentamiento

Desulfuracion

Gas Limpio

Aire Filtro

Reformador Primario

Generador de vapor de agua

Reformador Secundario

Cambio de Alta Temperatura

Cambio de Baja Temperatura

I. de calor

Separacion (G/L)

Absorcion de CO2

Metanaciòn

Compresor

I. de calor

H2O

PreCalentamie nto

DEA

Deposito

Aceite

CO2

Gas de Sintesis

agua

Vapor de agua

Tanque de equilibrio Tank flash

Reactor de Urea

Reactor de Sintesis

Mezcla

Entrada del Catalizador

Urea+ Carbamato+ aceite

Salida del Catalizador

PreCalentamiento

Torre de descomposicion

Gas de purga

Stripping

compresor

Separador

NH3

Condensador

compresor CO2 aceite Solución de Urea decantador

Concentracion De Urea


Granulacion De Urea

Gránulos de Urea

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B) PFD: Gas Natural

ZnS 06

Gases de Combustion

I-2

H2 03

F - 110

01

02

R - 130

Q - 120

ZnO

05

04

64 almacenamiento

DESULFURACION

Combustible

40

07 41

aire Planta de aire 15 agua

15

26

42 aceite

42

08

R - 220

Gas de combustión

Cambio alto De temperatura R - 240

R - 230

Cambio bajo De temperatura R - 250

E - 231

E - 241

Absorcion

25

DEA

67

D - 260

D - 270

E - 251 R - 280

07

Generador de vapor de agua

09

10

17

14

Q - 210

19

18

20 21

Reformador primario

16

65

Reformador secundario

66 H2O

fuel

27

R - 290

45

G - 282 Compresora

M - 281

44 D - 330

NH3

31

28

30 mezcla

41 Reactor de urea D - 340

E - 281 agua

32 Reactor de síntesis

CO2

47

38

Tanque de equilibrio baja presión


D - 300

40

Gas de purga

29

E - 282 G - 283 NH4 y CO2 no reaccionaron

34 48

metanizador

DEA

46

R - 320

NH3 + CO2

Vapor de Agua

24

22

Solución de Urea + aceite

D - 310 43

NH3

separador

compresora G - 284 33

Stripping 51 43

54

compresora

39

compresora G - 271 CO2

55

26

53 aceite

Torre de perlado

52

agua Tamaño no apto

aire 58

62 M - 405

H - 404

56 H - 401

E - 403 D - 400 Solución de evaporador urea Urea concentrada

57

60 mezcla

59

Enfriador rotatorio Gránulos de S - 402 urea

63

61 Tamaño apto Gránulos de urea

C) Balance de Materia:


Página - 29 -



2.5.-FUNDAMENTO DEL PROCESO: 2.5.1 Fundamentos de la síntesis del amoniaco Reacciones químicas principales:

A)

Desulfuración:

- Reacciones en fase gaseosa: - Hidrogenación:

R-SH + H2

RH + H2S

-r R-SH = K R-SH H2 - Adsorción:

H2S + ZnO

H2O + ZnS

-r H2S = K H2S ZnO

B)

Reformador primario:

Estas reacciones se llevan a cabo en reactores y catalizados por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de H2. Reacciones fuertemente endotérmica. Reacciones en fase gaseosa: Para:

CH4 + H2O

CO + 3H2

ΔH = 206 kj/mol

r CH4 = -K1 CH4 H2O + K2 CO H23 G = H – T* S

Para:

CH4 + 2H2O

CO2 + 4H2

ΔH = 166 kj/mol

r CH4 = -K1 CH4 H2O2 + K2 CO2 H24 G = H – T* S S = S productos - S reactivos


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C)


Reformador secundario: Tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

ΔH = -802 kj/mol

-r CH4 = K CH4 O22 D)

Etapa de conversión: Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO2 por reacción con vapor de agua: CO + H2O ↔ CO2 + H2

ΔH = -41 kj/mol

r CH4 = - K1 CO2 H2+ K2 CO H2O G = H – T* S

E) Etapa de eliminación del CO2: Seguidamente el CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con Dienatolamina a contracorriente, luego regenerándose en la torre de desorcion. Así se obtiene el CO2 que reaccionara con NH3 para la formación de la Urea F) Etapa de metanización:

Las trazas de CO (0,2%) y CO2 (0,09%), que son peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en CH 4. Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300 ºC).


CO + 3H2

CH4 + H2O

CO2 + H2

CH4 + 2H2O

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G) Síntesis de amoníaco:

N2 (g) + 3 H2 (g)

rNH3

2 NH3 (g)

 H = -92.22 kJ/mol-1

3/ 2 NH 3   N 2 H 2   K1  K2 2 NH 3  H 2 3 / 2

G = H – T* S

2.5.2 Fundamentos de la síntesis de la Urea: La reacción de síntesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar.) y el nivel térmico óptimo (190 ºC) en un reactor construido en acero inoxidable especial. La reacción se produce entre el amoníaco, el CO 2 y la solución reciclada de carbamato, proveniente de la etapa de absorción. Antes de ingresar al reactor, el CO 2 es comprimido hasta 200 atm, mediante un compresor eléctrico y el amoníaco hasta 145 atm. El NH3 y el CO2 reaccionan rápida y exotérmicamente, en una primera etapa, para formar el carbamato, que luego se deshidrata a urea + agua. Esta reacción logra cerca del 100% en condiciones normales. Descomposición del carbamato. No todo el Carbamato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La fracción que se descompone para formar Urea en relación a la cantidad total que ingresa al reactor se denomina conversión. La conversión de Carbamato en Urea en el reactor está en el orden de 70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbamato que se forman, sólo 70 Kg. pasan a Urea. El resto debe reciclarse permanentemente y en forma continúa al reactor para lograr una conversión total. Como habíamos visto, el carbamato se forma mucho más rápido que la urea. Al ser altamente corrosivo, su manejo es muy difícil. Por ésta razón, lo que se hace es degradarlo nuevamente a NH 3 y CO2 para luego volver a formarlo.


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La reacción de descomposición: NH2 – COONH4 (l)

2NH3 (g) + CO2 (g)

Se logra de dos formas: 1.

Bajando la presión y temperatura, se desplaza el equilibrio hacia los

reactivos. Luego la mezcla gaseosa se vuelve a comprimir causando su recombinación. Si hay amoníaco en exceso, este se separa en forma gaseosa de la solución de carbamato. Para disminuir los costos totales de la recompresión, esta se realiza en dos etapas.

2.

La otra forma es mediante el stripping del amoníaco, desplazando la

reacción hacia productos. Al bajar la presión parcial del reactivo, el sistema evoluciona hacia su equilibrio degradando el carbamato. Esta forma tiene la ventaja de poder hacerse a la presión de síntesis, lo que reduce el costo de recompresión.

B.-Síntesis de urea. El carbamato se deshidrata a urea mediante: 1.-Concentración La corriente de Urea y agua obtenida en las etapas de Descomposición, la cual contiene aproximadamente 70% de Urea, es concentrada al 80% en un concentrador de vacío mediante la aplicación de calor externo utilizando vapor de agua. Esta corriente se denomina Urea de Sintesis, y es bombeada hacia la unidad de Evaporación. 2.-Evaporación La

corriente

proveniente

del

Concentrador

se

sigue

concentrado en dos etapas de Evaporación, la primera de


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ellas (se concentra hasta 95 %) operando a 0.3 Kg/cm2 absolutos y la segunda (se concentra hasta 99.8 %) a muy alto vacío, para lograr la evaporación del agua sin descomponer térmicamente la Urea. Un equipo clave de esta etapa es un eyector de importantes dimensiones que permite lograr los niveles de vacío requeridos. Se obtiene de este modo una corriente de Urea fundida a 132 °C con muy bajo contenido de agua, del orden de 0.5%. Esta corriente es enviada a la Torre de Prilling para la formación de perlas de Urea. 3.-Granulación Luego se pasa al perlado de Urea (formación de pequeñas perlas del orden de 2 – 4 mm de diámetro) se realiza en la Torre de Perlado (Torre de Prilling).

C.-Reacciones Químicas Principales en la producción de urea  Análisis de las reacciones químicas

Las reacciones químicas que se llevan en el proceso son:

2NH3 (l) + CO2 (l) NH2

COONH4 (l)


NH2 NH2

COONH4 (l) CO

NH2 (l) + H2O (l)

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Ecuación Estequiometria: 2A + B

C

Cinética de Reacción:

2A + B

C

2  C  BA rC  K1  K2 C  A2

El equilibrio de la reacción 1 dependen, en gran medida a la presión y la temperatura, los cambios de volumen debido a que las grandes Tener lugar. Esta reacción sólo puede ocurrir a una presión que está por debajo de la presión de carbamato de amonio.

En la que comienza la disociación o, por el contrario, la presión de funcionamiento del reactor se debe mantener por encima de La presión de vapor de carbamato de amonio.  Tipo de reactor

El tipo de reactor que se utilizara en la producción de urea a partir de amoniaco es un REACTOR

CSTR; ya que en será con

agitación, ya que todos los puntos en reactor tendrán la misma concentración. Y porque la reacción se realiza en fase liquida

 Efectos de las condiciones de operación del reactor

Los efectos que se dan en el rendimiento del reactor radican en las variables operacionales; siendo estas la temperatura, presión y concentración.


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La producción de la Urea se realiza en un reactor vertical, que opera a 188 – 190 ºC y 160 Kgf/cm2 absoluta, una relación N/C de 3,6 – 3,8 con un tiempo de residencia de alrededor de 45 minutos y un grado de conversión (en un paso) del 50 – 60 %. Esta operación combina la formación de carbamato (exot., rápida) en su parte inferior, por la alimentación de CO 2 y NH3 y la descomposición del carbamato en urea (mucho más lenta y endotérmica).  Tamaño del reactor

CA = CA0(1-XA) SI : XA = 55 % Por ser CSTR:

V

=

XA

FAO

- rA

V = 0.55 * FAO - rA

2.5.3-Antecedentes Termodinámicos:

La reacción entre el gas del nitrógeno y el gas de hidrógeno para producir el gas del amoníaco es exotérmica, lanzando 92.4kJ/mol de la energía en 298K (25oC). N2 (g) + 3 H2 (g)

2 NH3 (g)

Calculando la G: G = H – T. S


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Por Principio de Le Chetalier: 

el aumento de la presión hace la posición del equilibrio moverse a la derecha dando por resultado un porcentaje más alto del amoníaco puesto que hay más moléculas del gas en el lado de la mano izquierda de la ecuación (4 en total) que allí está en el lado derecho de la ecuación (2). El aumento de la presión significa que el sistema ajusta para reducir el efecto del cambio, es decir, para reducir la presión teniendo pocas moléculas del gas.



disminuir la temperatura hace la posición del equilibrio moverse a la derecha dando por resultado una producción más alta de amoníaco puesto que la reacción es exotérmica (calor de los lanzamientos). La reducción de la temperatura significa que el sistema ajustará para reducir al mínimo el efecto del cambio, es decir, producirá más calor puesto que la energía es un producto de la reacción, y por lo tanto producirá más gas del amoníaco también Sin embargo, el índice de la reacción en temperaturas más bajas es extremadamente lento, así que una temperatura más alta se debe utilizar para acelerar la reacción que da lugar a una producción más baja de amoníaco.

Mientras que la temperatura aumenta, la constante de equilibrio disminuye mientras que la producción de amoníaco disminuye.



Temperatura (oC)

Keq

25

6.4 x 102

200

4.4 x 10-1

300

4.3 x 10-3

400

1.6 x 10-4

500

1.5 x 10-5

Se aumenta la temperatura significa que más moléculas el reactivo tienen suficiente energía para superar la barrera de la energía a reaccionar (energía de activación) así que la reacción es más rápida en temperaturas más altas (solamente la producción de amoníaco más bajo según lo discutido arriba). Una gama de temperaturas de 400-500oC es un compromiso diseñado para alcanzar una producción aceptable del amoníaco (10-20%) dentro de un período aceptable.


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En 200oC y las presiones sobre 750atm hay una conversión casi 100% de reactivo al producto del amoníaco. Puesto que hay dificultades asociadas a contener cantidades más grandes de materiales en esta alta presión, presiones más bajas de alrededor 200 atmósferas se utilizan industrialmente. Usando una presión alrededor de 200atm y una temperatura alrededor de 500oC, la producción de amoníaco es 10-20%, mientras que los costes y las preocupaciones de seguridad en biulding y durante la operación de la planta se reducen al mínimo

Durante la producción industrial del amoníaco, la reacción nunca alcanza equilibrio mientras que la mezcla del gas que sale del reactor se refresca para licuefactarse y para quitar el amoníaco.


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2.5.4 Mecanismo de Regeneración de Reactivos: 2.5.4.1Reactivo a Regenerar Dietanolamina: La solución de DEA RICA proveniente del fondo de la torre absorbedora y el separador de gas combustible se alimenta al tanque de desorción (o de flasheo) con el fin de eliminar los hidrocarburos líquidos y parte de los gases ácidos retenidos por la DEA que por efecto de presión se encuentren disueltos en esta solución. La amina rica acumulada en el tanque de desorción, se envía por diferencia de presiones al Intercambiador de calor DEA RICA / DEA POBRE, donde se calienta por medio de contracorriente de DEA pobre procedente del Rehervidor de la torre regeneradora. Una vez precalentada, la Amina pasa al filtro de DEA RICA tipo cartucho, con la finalidad de eliminar los sólidos y partículas de sulfuro presentes en la solución de DEA, formados por el ensuciamiento de la Amina con el gas. Una vez filtrada la solución continúa hacia la torre regeneradora. La DEA rica procedente del filtro es alimentada al plato No. 3 de la torre regeneradora la cual consta de 20 platos de los cuales los 18 de la parte inferior son para efectuar la regeneración de la solución absorbente y en los dos restantes, fluye agua a contracorriente con los gases ácidos con el fin de llevar a cabo el lavado de éstos y evitar pérdidas de DEA por arrastre. El gas ácido saturado con agua sale del domo de la torre regeneradora hasta unos 49°c aproximadamente condensándose de esta manera los vapores de agua. Una corriente de inhibidor de corrosión es suministrada a la línea de alimentación del enfriador, con la finalidad de minimizar la corrosión en este equipo. La mezcla de ácidos-agua condensada, entran al acumulador de reflujo de la torre regeneradora donde se lleva a cabo la separación de esta mezcla, los gases ácidos son e enviados al quemador a control de presión al quemador y el agua acumulada en este recipiente, se retorna al plato superior de la torre regeneradora en forma de reflujo siendo utilizado para determinar y eliminar el calor de la parte superior de la columna, para que se condensen los compuestos más pesados. La solución de dietanolamina regenerada que sale por el fondo de la torre, entra al rehervidor que actúa como un plato más de la misma torre; la solución es enviada al Rehervidor con la finalidad de elevarle la temperatura produciéndose de esta manera los vapores necesarios para el Agotamiento de los ácidos, los cuales salen por la parte superior del Rehervidor retornándose a la torre regeneradora donde a contracorriente son la solución de Amina Rica descendente la despojan de los gases ácidos. El tanque de balance actúa como tanque de carga para las bombas de inyección de dietanolamina. En este tanque se tiene una alimentación de gas combustible para mantener una presión interna constante y proporcionar una carga neta positiva a las bombas. La DEA POBRE, es


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succionado del tanque de balance por las bombas de Amina tipo reciprocante de tres pistones, con el fin de mandar la solución al domo de la torre absorbedora, la presión de descarga de las bombas es de 84.1 Kg/cm2. , en la descarga de las bombas se cuenta con un cartucho que sirve para inyectar agente antiespumante, que controle la formación de Espuma en la torre absorbedora. 2.6 Estructura de reactores, reciclo y purgas del diagrama de flujos. En el proceso de obtención de la producción de amoniaco se observaron las siguientes etapas principales:

Proceso de producción Recepción de materia prima

F

Preparación de la alimentación del reactor

reciclo

reactor

Preparación de la alimentación del separador

Separación de productos R

P

separador

Donde: F: alimentación P: producto

Control ambiental

R: reciclado D: desecho D


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2.7 ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA DE SEPARACIÓN: 2.7.1 Sistema de separación de líquido – Gas

El sistema de separación será indirecto ya que se utiliza material externo en la corriente del proceso. Esto sucede en la torre de absorción en la posible separación del CO2. Método Algoritmico y Euristico

Nº componentes

Nº subgrupos

N

(N(n+1)/2)-N

Nª sub

Nº de posibles

problemas

secuencias

((N-1)N(N+1))/6

(2(N-1))!/ (N!(N1)!)

4

NC NSG NSP NS

6

10

5

=4 =6 =10 =5

Las corrientes se enumeran de acuerdo a la solubilidad con respecto ala dietanolamina el mas soluble es el CO2. A = CO2 B = CO C = N2 D = H2

Vemos que nuestro problema es Hibrido es algoritmico y euristico los posibles arreglos que se pueden dar son los siguientes


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D

D

D, B

D, B, C

B

D, C

B

A, B, C, D

D, B, C

B, C

D, B, C

C

A, B, C, D

A, B, C, D

C

B

A

C

D

A

A

Vemos que los siguientes arreglos no forma parte de nuestro problema asi que de los 6 arreglos mencionados escogemos uno de los 3 primeros para esto vemos las características fisicoquímicas de las sustancias.

D

D

D, B

D, B, C

D, C

B

D, A, B, C

B

D, B, C


D, B, C

C

D, A, B, C

C

D, A, B, C

C

A

B, C

B

A

D

A

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2.8 Red de intercambiadores de calor (Análisis Pinch para integración energética): La mayor parte de energía para este proceso es energía térmica el cual proviene en gran parte de los equipos de reacción exotérmica como los reformadores E-220 y R210, esto se aprovecha mediante intercambiadores de calor y generadores de vapor como veremos en la figura 5. A continuación veremos la selección de Tmin inicial en la red de intercambiadores a la salida del reactor de síntesis R-280: Gas Natural

ZnS 06

Gases de Combustion

I-2

F - 110

01

02

H2 03

R - 130

Q - 120

ZnO

05

04

64 almacenamiento

DESULFURACION

Combustible

40

41

07

aire Planta de aire

15

15 agua

26 42

42

aceite Cambio alto De temperatura R - 240

08 R - 220

Gas de combustión

25 ºC

Agua

Agua

23.78ºC

Cambio bajo De temperatura R - 250 20

282 ºC

25 ºC

282 ºC

67

R - 230

Reformador primario

980 ºC Reformador secundario

120 ºC

380 ºC

17

E-251

103.7 ºC

18

E-243

65

16

DEA

180 ºC

66

27 metanizador 300 ºC 25 ºC

120 ºC Vapor de Agua

62.70 ºC

24

22

E-252

46

R - 320

NH3 + CO2

E-292 25 ºC

fuel 45

M - 281

44

280 ºC

63.072 ºC

120 ºC

R - 290 D - 330

R - 280

Agua

65.07 ºC

619.80 ºC E - 233 400 ºC

E-291 307.697 ºC

21 25 ºC

25 ºC

400 ºC

Agua

25 ºC E - 234

D - 260

23.78ºC D - 270

19

506 ºC E - 232 E - 231298 ºC

07

Absorcion

DEA

E-242

E-241

14

300 ºC

25 ºC

Agua

10

Q - 210

25

NH3

31

Compresora

25 ºC

64.44 ºC G - 282

Reactor de urea D - 340

E-282 185 ºC

120 ºC

32

38

Tanque de equilibrio baja presión


25 ºC Reactor de síntesis

CO2

47

D - 300

40

Gas de purga

E-283 56.82 ºC

E - 282 G - 283 NH4 y CO2 no reaccionaron

34 48

29

120 ºC

28

30 mezcla

41

agua E-281

Solución de Urea + aceite

D - 310 43

NH3 Stripping

43

54

compresora separador

compresora G - 284 33

39

compresora G - 271 CO2

55

26

53 51 Torre de perlado

52

ANÁLISIS ENERGÉTICO

agua Tamaño no apto

aire 58

aceite

62 M - 405

H - 404

56 H - 401

E - 403 D - 400 Solución de evaporador urea Urea concentrada

57

60 mezcla

59

Enfriador rotatorio S - 402

Gránulos de urea

63

61 Tamaño apto Gránulos de urea

Cálculos del Análisis Energético:


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2.9 Resultados de Análisis de las Etapas Principales: 2.9.1 Análisis Conceptual Básico:

a)

Fuente: Libro Introducción a la química industrial - Página 422

b) A B C D E

= = = = =

Amoniaco dióxido de Carbono Carbamato de amonio Urea H2O

Componentes Estado A

Liquido

B

Liquido

Lugar de donde Proviene Proviene del Reactor R - 290 de la síntesis del N2 y H2 Se forma como Sub- Producto en la síntesis del amoniaco y pasa por un proceso de absorción y desorcion para recuperarlo

C

Liquido

Se Forma en la Primera Reacción para luego descomponerse en agua y Urea

D

Liquido

Producto Principal de la Reacción

E

Liquido

Se Forma en la Reacción


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c)

2.9.3 Criterios de escalamiento: Predicción de tendencias


Página - 45 -



2.10 Memoria de análisis y cálculos:

a. Reactor de conversión (R-230): Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en CO2 por reacción con vapor de agua, esta reacción es exotérmica. CO + H2O ↔ CO2 + H2

Rx. Gral.:

ΔH = -41 kj/mol

1. Esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO a

aprox. 400ºC con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador → 75% de la

conversión. Definición De Variables:

y CO2 = 0 y CO = 0 Cv

TP:

=0

y H2 = 0

PP: V

y N2

y CH4 = 0 16

y H2O = 1

HTS

T F: 400 ºC

400ºC

TV:

R-230

PF: F

PV: 17

P

18

y CO2

y CO2 y CO CF

y CO

y N2

y N2

y H2

y H2

y CH4

y CH4

y H2O = 0

y H2O


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PF : presión de mezcla de alimentación. TF : temperatura de mezcla de alimentación, 400 º C. PV : presión de vapor de agua. TV : temperatura de vapor de agua. PP : presión de salida del reactor. TP : temperatura de salida del reactor. CF: y CO2 : CO2 de alimentación. y H2 : hidrógeno de alimentación. y N2 : nitrógeno de alimentación. y CO : CO de alimentación. y CH4 : metano de alimentación. CV: y H2O : vapor de agua. : y CO2 : CO2 a la salida del reactor. y H2 :hidrógeno a la salida del reactor. y N2 : nitrógeno a la salida del reactor. y CO : CO a la salida del reactor. y CH4 : metano de a la salida del reactor. y H2O : vapor de agua a la salida del reactor. Para Todo i = 1,2,3,4,5,6. CO2 CO N2 H2 CH4 H2O

= = = = = =

1 2 3 4 5 6

2. Cálculo De Nº De Variables: Nv = 3(nc+2)+Q+W = 3(6+2)+1 Nv = 25


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3. Análisis De Relaciones Independientes: EQUIPO:__R-230__________

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1.Balance d materia 1.1. Balance global

1

1.2. Balance de componentes

mF+ mV = mP + r’ x w Yi x mF + Yi mV = Yi *mP + Yi xr’ x w

NC - 1

2. Balance de energía

2.1. B. E. Térmica

1

E  (.17 T .17  .16 T .16  Qv)  (.18 T .18 )  H Rx T

1

 Rx. Química : CO + H2O ↔ CO2 + H2

1

Tf = 400 ºC

2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico 3.2. R. E. Químico 4. Relaciones explícitas Flujo Temperatura Presión

Composición

10

5. Relaciones implícitas Flujo Temperatura Presión Composición

6 

En F(H2O = 0) ; En V(CO2, CO, H2, N2, CH4 = 0)

NC + 19

Cálculo De Grados De Libertad: GL = NV - NR


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Análisis y Síntesis de Procesos Químicos GL = 25 – NC - 19 = 6 – 6 = 0

B) Horno de calefacción: 

El gas q sale del tanque de almacenamiento sale temperaturas muy bajas por haber estado el estado liquido por medio de licuefacción para su mejor manejo y almacenamiento; por tanto, es necesario calentarlo antes de pasarlo a la etapa de desulfuración, para esto se hace fluir por medio de un horno de calefacción con gas natural, elevándose la temperatura del gas hasta unos 400 ºC, que es necesario para llevar una mejor reacción de desulfuración, el hidrógeno adherido al gas reacciona con el azufre contenido en él para así luego ser adsorbido por un lecho catalítico.

1. Definición De Variables GAS ES DE COMBUS TION Q-120

T G: 400 ºC PG:

T F:

5

PF: F= 529,192 TM/dia CF

Q

4

G CG

y H2 y CH4

y H2 y CH4 FUEL

PF : presión de mezcla de alimentación. TF : temperatura de mezcla de alimentación. PG : presión de la mezcla a la salida del horno. TG : temperatura de la mezcla a la salida del horno, 400 º CF: y CH4 : metano de alimentación. y H2 : hidrógeno de alimentación.


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CG: y CH4 : metano a la salida del horno. y H2 : hidrógeno a la salida del horno. Para Todo i = 1,2. CO2 CO

= =

1 2

Cálculo De Nº De Variables:

Nv = 2(nc+2)+Q+W = 2(2+2)+1

Nv = 9

Análisis De Relaciones Independientes: EQUIPO:__Q-120_________

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1.Balance d materia 1.1. Balance global

1

1.2. Balance de componentes

mF = mG mF x Yi = mG x Yi

2. Balance de energía 1

Hf*F – Hg*G + Q = 0

Flujo

2

F = G = 529.192 TM/Dia

Temperatura

1

TG = 400 ºC

2.1. B. E. Térmica 2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico 3.2. R. E. Químico 4. Relaciones explícitas


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Presión

Composición

4

5. Relaciones implícitas Flujo Temperatura Presión Composición 

9

Cálculo De Grados De Libertad:

GL = NV - NR GL = 9 – (9) GL = 0 C) Reformador secundarios (R-230): El gas de salida del reformador R-220 se mezcla con una corriente de aire en este 2º equipo, de esta manera aportamos el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC.

CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

En resumen, después de esta etapa la conversión del hidrocarburo es de 99% aprox.


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1. Definición De Variables:

y CO2 y CO

T F:

y H2

800 ºC

PF:

R-220

y CH4

F T A:

A

1000 ºC

PR:

11 600 ºC

R 14

PA: CA

T R:

Q

10

y N2 = 0.79 y O2 = 0.21

CR

y

CO2

y

CO

y

H2

y

CH4

y

N2

y

O2

PF : presión de mezcla de alimentación. TF : temperatura de mezcla de alimentación, 800 º C. PA : presión del aire. TA : temperatura del aire, 600 ºC. PR : presión de salida del reactor. TR : temperatura de salida del reactor. CF: y CO2 : CO2 de alimentación. y H2 : hidrógeno de alimentación. y CO : CO de alimentación. y CH4 : metano de alimentación. CA: y N2 : Nitrógeno de aire. y O2 : Oxigeno de aire. CR:


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y CO2 : CO2 a la salida del reformador. y H2 : hidrógeno a la salida del reformado. y N2 : nitrógeno a la salida del reformado. y CO : CO a la salida del reformado. y CH4 : metano a la salida del reformado. y O2 : Oxigeno a la salida del reformador. Para Todo i = 1,2,3,4,5,6. CO2 CO N2 H2 CH4 N2 H2O

= = = = = =

1 2 3 4 5 6

Cálculo De Nº De Variables: Nv = 3(nc+2)+Q+W = 3(6+2)+1 Nv = 25

Análisis De Relaciones Independientes : EQUIPO:__R-230___

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1.Balance d materia mF + mA = mR + x r’ x w 1.1. Balance global 1.2. Balance de componentes

1 NC -1

Yi x mF + Yi mA = Yi *mR + Yi x r’ x w

2. Balance de energía 2.1. B. E. Térmica

1

HF + HA = HR + Q

1

 Rx Qca. , CH4 + 2O2

2

A = 1371.424 TM/Dia, F = 2260.01 TM/Dia

2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico 3.2. R. E. Químico

CO2 + 2H2O

4. Relaciones explícitas Flujo


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Temperatura

3

TF = 800 ºC, TA =600 ºC, TR = 1000 ºC

Presión En A: y N2 = 0.79 , y O2 = 0.21 Composición

6

5. Relaciones implícitas Flujo Temperatura Presión Composición

6 

En R(O2 = 0) ; En A(CO2, CO, CH4, H2 =0) , En F (N2, O2 = 0)

NC + 19

Cálculo De Grados De Libertad: GL = NV - NR GL = 3NC + 7– NC-19 = 2 NC – 12 = 2*6-12 = 0

D) Reactor De Síntesis (R-290): 

El comportamiento del acero frente al hidrógeno a altas presión y temperatura es un factor determinante para la construcción de un horno de síntesis. El hierro a elevadas temperatura y presión es permeable al hidrógeno, que en estas condiciones es capaz de eliminar al carbono con formación de hidruros. Con esto el acero pierde resistencia y después de un cierto tiempo de funcionamiento el horno puede rajarse y explotar. Para impedirlo se construye el horno con hierro dulce pobre en carbono. Este apenas tiene resistencia a la presión y tampoco puede evitar que el H2 se difunda a través, pero estas dificultades pueden salvarse si se reviste este tubo con un segundo de acero al cromo-níquel, resistente a la presión y se procura simultáneamente que el hidrógeno que se difunda a través del primero se pueda eliminar del espacio entre ambos con facilidad y a baja presión.



condiciones termodinámicas de trabajo: 

temperatura media (500oC)



alta presión (250 atmósferas, 351kPa)



Rx. Exotérmica, con intercambio de calor.


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Ingeniería Química 


un catalizador (un catalizador poroso del hierro preparado reduciendo la magnetita). N2 (g) + 3 H2 (g)

H = -92.22 kjmol -1

2 NH3 (g) ;

Este reactor produce un amoníaco, NH3 (g), producción de aproximadamente 10-20%.

TP: 500 ºC

1. Definición De Variables

PP: 200 atm P Ent. Catalizador

32 R-280

200 atm 350-500ºC

CF

y NH3 = 0 y N2 y H2 y CH4 y Ar

Q

salida Catalizador

31

F

y NH3 y N2 y H2 y CH4 y Ar

T F: PF: 200 atm FIG Nº 06. PF: presión de mezcla de alimentación, 200atm. TF: temperatura de mezcla de alimentación. Ps: presión de salida del reactor. Ts: temperatura de salida del reactor.

CF: y NH3 : amoniaco de alimentación = 0. y N2 : nitrógeno de alimentación.


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y H2 :hidrógeno de alimentación. y CH4 :metano de alimentación. y Ar : argón de alimentación.

: y NH3 : amoniaco producido. y N2 : nitrógeno remanente. y H2 : hidrógeno remanente. y CH4 : metano a la salida del reactor. y Ar : argón a la salida del reactor

Para Todo i = 1, 2, 3, 4, 5. NH3 N2 H2 CH4 Ar

= = = = =

1 2 3 4 5

Calculo De Nº De Variables:

Nv = 2(nc+2)+Q+W Nv = 2(5+2) +1= 15

Análisis De Relaciones Independientes: EQUIPO:___R-280_________

RELACIÓN

Nº

REFERENCIA

1

mF = mP + r’ x w

NC – 1

Yi x mF = Yi *mP + Yi x r’ x w

1

HF * F - HP * P + AH Rex = 0

1.Balance d materia 1.1. Balance global 1.2. Balance de componentes 2. Balance de energía 2.1. B. E. Térmica 2.2. B. E. Mecánica 3. Relaciones de equilibrio Tco. 3.1. R. E. Físico


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1

 Rx. Qca.: N2 (g) + 3 H2 (g)

Flujo

2

Fi = Pi = 5977.851 TM/dia , según tabla nº 07.

Temperatura

1

TP = 500 ºC

Presión

2

PP = PF = 200 atm

Composición

1

Y NH3 = 0.25

3.2. R. E. Químico

2 NH3 (g)

4. Relaciones explícitas

5. Relaciones implícitas Flujo

0

Temperatura

0

Presión

0

Composición

1 

En F (NH3 = 0)

10

Cálculo De Grados De Libertad: GL = NV - NR GL = 15 – NC - 9 = 15 – 5 – 9 = 1 

Análisis de Grado libertad del Reactor de urea R-290

F1 Y1CO2

Y2 NH3

F3

Y3 UREA Y3H2O Y3CARBAMATO Y3 CO2 Y3NH3

F2


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NV=3(NC+2) +1= 3NC + 7

Relaciones Independientes Balance General Balance de Componente

Nº

Descripción

1

F1 + F2 + F3 = F4 + r’ x w

NC - 1 Yi xF1 +Yi x F2 +Yi x F3 =Yi x F4 + Yi x r’ x w

Balance de Energía B.E. calorica

1

B.E. Mecánica

0

E  (1T1  2T 2  Qv)  (3T 3  H ) Ri T

Relación Equilibrio Tco. R.E.Fisico R.E.Químico

1 2

NH3 +CO2

Relaciones Implícitas F P T C

0 0 0 4

   Y3 CARB.= Y3NH3=Y3H2O = Y3CO2= 0

Relaciones Explícitas F P T C

2 2 2 3

P= 200 BAR T1=200 ºC Y1CO2 =Y2NH3 =Y3 UREA= 1


UREA +AGUA

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Análisis y Síntesis de Procesos Químicos NC + 17

DOF=NV-NR DOF= 3NC + 7 -NC – 17 = 2 NC - 10= 2*(5) – 10= 0

2.11 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES 

Falto más información con respecto a la producción de Urea ya que no se encontraron libros con respecto a reacciones sólidas.



Se recomendaría estudiar mas afondo sobre la naturaleza de las Reacciones de Descomposición.



Es un proceso limpio a comparación con otros combustibles como el petróleo, genera menos contaminación.



La producción de Urea de este fertilizante es muy usado en el Perú y es de mucha utilidad para el uso agrónomo.



La producción de Urea ayudara al progreso del país.

2.12 COMENTARIOS  El proceso de producción de Urea a partir del Gas natural es un proceso que toma tiempo y dedicación.  Las tecnologías modernas se pueden adaptar a nuestra realidad, como vimos todo esta en base al presupuesto que se cuente o al nivel que se quiera producir Urea.  Se ha adquirido de alguna manera conocimientos sobre como es el análisis de un proceso productivo, comprendiendo los conceptos muy importantes.  El trabajo realizado nos ayudara como base para un posible proyecto de investigación a realizarse en el futuro.


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2.13 BIBLIOGRAFÍA: 2.13.1Bibliografía General:  PERRY, ROBERT H., GREEN, DON W. Manual del ingeniero químico. Ed. McGrawHill, 1999.  Principios de Operaciones Unitarias (segunda edición) Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel, Curtis W. Clump, Louis Maus Bryce Andersen. Editorial continental S.A – México.

2.1.1. Bibliografía Específica:  Facultad de Ingeniería Química, B. Universidad Autónoma de Puebla, Ciudad Universitaria C. P. 72570, Puebla, México.  UNIVERSIDADE DE VIGO. Departamento de Ingeniería Química – España.  Tesis de la universidad San Marcos Producción De urea. 2.1.2. Bibliófilas Electrónicas:  www.alche.com  www.es.espacenet.com  www.Rebanadas de la realidad.gov  http://]www.minem.gob.pe/  http://www.perupetro.com.pe/legal02-s.asp#top  http://www.elperuano.com.pe/  www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversiones/confe_hora_gas.p pt[1]  www.minem.gob.pe/archivos/dgm/inversiones/confe_hora_gas.p pt  http://www.universia.edu.pe/noticias/principales/destacada.php?i d=61446    

http://www.pequiven.com/pqv_new/fertinitrosp.php http://www.profertil.com.ar/nuestros-productos.jsp http://www.sigdokoppers.cl/noticias/noticias.htm https://www.ptq.pemex.com/portal/PagSubMenuVisita.aspx?IdM enu=1&IdsMenu=7  http://www.dcgasextremadura.es/index.htm


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Producción De Urea A Partir De Gas Natural 5s5r41

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