ES2214352T3 - Purificacion por destilacion de amoniaco. - Google Patents

Purificacion por destilacion de amoniaco.

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ES2214352T3 ES01102139T ES01102139T ES2214352T3 ES 2214352 T3 ES2214352 T3 ES 2214352T3 ES 01102139 T ES01102139 T ES 01102139T ES 01102139 T ES01102139 T ES 01102139T ES 2214352 T3 ES2214352 T3 ES 2214352T3
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Abstract

Procedimiento para la separación por destilación, realizada continuamente, de amoniaco crudo en una fracción de bajo punto de ebullición, de punto de ebullición elevado y de punto de ebullición medio, en una instalación de destilación configurada como columna de pared separadora, o como sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, extrayéndose la fracción de compuestos de bajo punto de ebullición en la cabeza de la instalación de destilación, produciéndose la fracción pura de punto de ebullición medio en una extracción lateral, y estando limitada la carga de gas de instalación de destilación de modo que la presión de operación se sitúa entre 2 y 30 bar, y el factor F no sobrepasa un valor de 2,0 Pa 0,5.

Description

Purificación por destilación de amoniaco.
La invención se refiere a un procedimiento y a una instalación de destilación para la separación por destilación, realizada continuamente, de amoniaco crudo.
En la industria se requieren grandes cantidades de amoniaco crudo, que contiene preferentemente menos de 3 ppm de impurezas. Tal amoniaco altamente puro se requiere en especial para la obtención de productos alimenticios, para el calibrado de aparatos de análisis, y en especial para la obtención de semiconductores. El amoniaco crudo, que resulta de la síntesis de amoniaco, presenta típicamente un contenido en amoniaco de aproximadamente un 99,0 a un 99,5% en peso. Las impurezas típicas son agua, aceite, así como gases inertes, en especial metano, hidrógeno, nitrógeno y argón. El amoniaco crudo es inservible para las aplicaciones citadas anteriormente.
En la WO 96/39265 se describe un procedimiento para la obtención de amoniaco puro, partiendo de amoniaco crudo. En este procedimiento se evapora en primer lugar amoniaco, y a continuación se purifica mediante un procedimiento de filtración complicado. El procedimiento es bastante costoso y, por consiguiente, poco atractivo económicamente para la obtención de mayores cantidades de amoniaco puro.
En principio existe la posibilidad de obtener amoniaco puro mediante medidas exclusivamente de destilación a partir de amoniaco crudo. En este caso se debe aislar amoniaco de productos de bajo punto de ebullición (por regla general, en especial, metano, hidrógeno, nitrógeno y argón) y de productos de punto de ebullición elevado (en especial agua y aceite) - en este caso, amoniaco es el producto de valor de punto de ebullición medio. En la purificación por destilación habitual de productos de valor de punto de ebullición medio de impurezas de punto de ebullición bajo y elevado, son habituales diversas variantes de procedimiento. En el más sencillo de los casos se descompone la mezcla de alimentación correspondiente en dos fracciones, en una fracción de cabeza de bajo punto de ebullición, y en una fracción de cola de punto de ebullición elevado. En la separación de mezclas de alimentación en más de dos fracciones - por ejemplo en compuestos de bajo punto de ebullición, compuestos de punto de ebullición medio y compuestos de punto de ebullición elevado- se deben emplear varias columnas de destilación según esta variante de procedimiento. Para limitar el gasto en instalaciones, en la separación de mezclas multisubstancias, que están constituidas por más de dos componentes, se emplea también columnas que son apropiadas para la extracción lateral de medios líquidos o gaseosos. No obstante, la posibilidad de aplicación de columnas de destilación con extracciones laterales está limitada en gran medida, no siendo, normalmente, puros por completo los productos extraídos en los puntos de extracción laterales. En el caso de extracciones laterales en la zona de enriquecimiento de un dispositivo de destilación, que se efectúan habitualmente en forma líquida, los productos laterales contienen aún fracciones de componentes de bajo punto de ebullición, que se separan, en el caso normal, a través de la cabeza. Es válida una analogía para extracciones laterales en la zona de agotamiento, que se efectúan casi siempre en forma de vapor, y en las cuales los productos laterales extraídos presentan aún fracciones de compuesto de punto de ebullición elevado. En el caso de empleo de tales columnas de extracción lateral convencionales se obtienen prácticamente siempre productos laterales impurificados - por lo tanto, el empleo de columnas de extracción laterales para la obtención de substancias puras, y, por consiguiente, para la obtención de amoniaco crudo, es inapropiado. Por consiguiente, en especial para el aislamiento de substancias puras de punto de ebullición medio a partir de mezclas multisubstancias, por regla general se deben emplear disposiciones de columnas, que están constituidas por al menos dos columnas separadas. El empleo de tales disposiciones de columnas para la obtención de amoniaco puro a partir de amoniaco crudo es poco atractivo desde el punto de vista económico, por motivos energéticos, y debido al elevado gasto de inversión.
Es tarea de la presente invención poner a disposición un procedimiento con el que se pueda obtener amoniaco puro partiendo de amoniaco crudo. El grado de pureza del producto obtenido debe ser tan elevado, que este sea apropiado para los fines de empleo citados anteriormente. El procedimiento debe ser realizable de manera práctica y económica.
La solución de esta tarea es un procedimiento para la separación por destilación, realizada continuamente, de amoniaco crudo en una fracción de bajo punto de ebullición, de punto de ebullición elevado y de punto de ebullición medio, en una instalación de destilación configurada como columna de pared separadora, o como sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, extrayéndose la fracción de compuestos de bajo punto de ebullición en la cabeza de la instalación de destilación, produciéndose la fracción pura de punto de ebullición medio en una extracción lateral, y estando limitada la carga de gas de instalación de destilación de modo que la presión de operación se sitúa entre 2 y 30 bar, y el factor F no sobrepasa un valor de 2,0 Pa^{0,5}.
El factor F es una medida de la carga que se provoca por la corriente gaseosa en la columna - por así decirlo una medida para el impulso de este gas (factor F: unidad de longitud por unidad de tiempo multiplicada por la raíz de la densidad total de gas).
El funcionamiento de la instalación de destilación en el caso de factor F reducido garantiza la pureza del producto obtenido (de la fracción pura de punto de ebullición medio). Se determina el factor F a partir del producto de velocidad de gas en [m/s] y la raíz cuadrada de la densidad de gas en [kg/m^{3}].
La fracción pura de punto de ebullición medio se produce en una extracción lateral, que está equipada con separadores de gotas. Una extracción lateral equipada con separadores de gotas significará que están dispuestos separadores de gotas en la zona ante la extracción lateral en la instalación de destilación y/o en la propia extracción lateral, de modo que, a través de la extracción lateral, no se pueden purgar, o bien se pueden purgar sólo cantidades de líquido reducidas en forma de gotas a partir de la instalación de destilación - se impide, o bien se limita el "arrastre con concomitante de gotitas" a través de la extracción lateral a partir de la instalación de destilación. Si la instalación de destilación presenta varias extracciones laterales, al menos una extracción lateral está equipada con separadores de gotas. Tales separadores de gotas se presentan preferentemente como empaquetaduras de separadores de gotas.
El equipamiento de la extracción lateral con
separadores de gotas fomenta adicionalmente la pureza del producto obtenido (de la fracción pura de punto de ebullición medio).
La fracción de bajo punto de ebullición extraída en la cabeza se extrae generalmente en forma de gas.
Mediante el procedimiento según la invención, a partir de amoniaco crudo se puede obtener amoniaco puro, que es apropiado para los fines de empleo citados anteriormente. Además, el procedimiento es realizable prácticamente, y atractivo desde el punto de vista económico, debido a los bajos costes de inversión y energía. Las columnas de pared separadora o columnas de destilación acopladas térmicamente constituyen una alternativa ventajosa a los procedimientos de destilación citados anteriormente. El empleo de columnas de pared separadora posibilita aislar la fracción pura de punto de ebullición medio a partir de amoniaco crudo. En el caso de columnas de pared separadora, en la zona media está aplicada una pared separadora. Esta se extiende por encima y por debajo del punto de alimentación. En el otro lado, que se encuentra frente al punto de alimentación, está dispuesto un punto de extracción lateral. Entre el punto de extracción lateral y el punto de alimentación se encuentra la pared separadora. En la zona de la columna que está dividida a través de la pared separadora, no es posible un mezclado transversal de corriente de líquido y vapor. De este modo, en la separación de amoniaco crudo se reduce el número de columnas de destilación requeridas en total. En principio, una columna de pared separadora es una simplificación de columnas de destilación acopladas térmicamente, presentando, no obstante, estas últimas costes de inversión más elevados. Frente a la disposición de columnas de destilación convencionales, las columnas de pared separadora y columnas acopladas térmicamente ofrecen ventajas tanto con respecto a la demanda energética, como también a los costes de inversión. Se indican informaciones sobre columnas de pared separadora, o bien columnas de destilación acopladas térmicamente, en la EP-A 0 122 367, en la EP-B 0 126 288 y en la EP-B 0 133 510.
La presión de operación en la instalación de destilación se sitúa casi siempre entre 10 y 20 bar. El factor F no sobrepasa, por regla general, un valor de 1,5 Pa^{0,5}, preferentemente de 1,0 Pa^{0,5}. En una forma preferente de ejecución de la invención se extrae una cantidad parcial de fracción pura de punto de ebullición medio en forma líquida, y una cantidad parcial adicional de fracción pura de punto de ebullición medio en forma de gas. La fracción pura de punto de ebullición medio, extraída en forma gaseosa, contiene una fracción de iones especialmente reducida. El amoniaco crudo contiene, en laa mayor parte de los casos, u 97,0 a un 99,9% en peso, preferentemente un 99,0 a un 99,7% en peso, y la fracción pura de punto de ebullición medio contiene, por regla general, al menos un 99,99% en peso, preferentemente al menos un 99,999% en peso de amoniaco. Por regla general, la extracción de la fracción pura de punto de ebullición medio se efectúa mediante regulación de nivel, empleándose en este caso, preferentemente, el nivel de líquido en la cola como magnitud de regulación.
La invención se refiere además a una instalación de destilación que está configurada como columna de pared separadora, o como sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, para la puesta en práctica del procedimiento descrito anteriormente, extrayéndose en la cabeza una fracción de bajo punto de ebullición, estando dispuesta por encima de la cola y por debajo de la cabeza una o varias extracciones laterales para una fracción de punto de ebullición medio, y estando limitada la carga de gas en la columna de pared separadora, o en el sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, de modo que la presión de operación se sitúa entre 2 y 30 bar, y el factor F asciende como máximo a 2,0 Pa^{0,5}.
Al menos una extracción lateral está equipada con separadores de gota. Por regla general se extrae en forma de gas la fracción de bajo punto de ebullición extraída en la cabeza.
En el dibujo adjunto se representan
en la figura 1 un esquema simplificado de una columna de pared separadora, así como
en la figura 2, en la figura 3 y en la figura 4, esquemas simplificados de sistemas de columnas de destilación, acoplados térmicamente.
La figura 1 a la figura 4 muestran la separación de amoniaco crudo presente como mezcla multisubstancia. En este caso, 1 corresponde a los compuestos de bajo punto de ebullición, 2 a los compuestos de punto de ebullición medio - estos corresponden a la sección pura de punto de ebullición medio (es decir, amoniaco puro), y 3 corresponde a los compuestos de punto de ebullición elevado. La columna de pared separadora o la columna acoplada térmicamente presenta una zona de alimentación 12, 14, una zona de extracción 13, 15, una zona de columna superior 11, y una zona de columna inferior 16.
Como se describe anteriormente, mediante la extracción lateral se puede extraer amoniaco puro, tanto en forma líquida, como también en forma gaseosa. En el caso de extracción líquida se obtiene amoniaco con una concentración de compuestos de bajo punto de ebullición 1 especialmente reducida. Esto posibilita la obtención de amoniaco líquido especialmente puro. Mediante la extracción gaseosa se impide que lleguen trazas de iones metálicos al producto gaseoso.
Tanto en el caso de empleo de columnas de pared separadora, como también en el caso de empleo de columnas acopladas térmicamente, puede ser ventajoso someter la corriente de alimentación a una evaporación previa, y alimentar esta a continuación a la columna en dos fases - líquida y gaseosa- o en forma de dos corrientes - una gaseosa y otra líquida -. Por lo tanto, se puede evaporar parcial o completamente la corriente de alimentación. Tal evaporación previa se ofrece especialmente si la corriente de alimentación contiene mayores cantidades de compuesto de bajo punto de ebullición 1.
En la cola de la instalación de destilación se separan, además de amoniaco, en especial agua y aceite, por regla general como compuestos de punto de ebullición elevado. En la mayor parte de los casos se descomprime el producto de cola en un separador, y se libera de amoniaco de este modo.
Las columnas de pared separadora y las columnas acopladas térmicamente pueden estar configuradas tanto como columnas de empaquetadura que contienen cuerpos de relleno, o empaquetaduras ordenadas, o como columnas de platos. En el procedimiento básico por motivos de costes se recomienda emplear platos, preferentemente platos de válvulas o platos perforados, en el caso de columnas que presentan un diámetro de más de 1,2 m. Las columnas
equipadas de este modo están dotadas de separadores de gotas u otros colectores de gotas. En el caso de empleo de columnas de pared separadora, por regla general se pueden emplear platos de manera razonable sólo a partir de un diámetro de columna de aproximadamente 2 m. Si se emplean columnas de empaquetadura, son especialmente apropiadas empaquetaduras de tejido ordenadas con una superficie específica de 300 a 800 m^{2}/m^{3}, preferentemente de 500 a
750 m^{2}/m^{3}. También en estas columnas se recomienda el empleo de separadores de gotas u otros colectores de gotas en la zona de extracción lateral.
Los platos dispuestos en zonas de columna, que están dispuestos junto a la pared separadora, se disponen preferentemente de modo que la pared separadora está en un ángulo de aproximadamente 90º respecto a las alimentaciones y descargas de platos. Tal disposición tiene la ventaja de emplear la pared separadora para el refuerzo de los platos, y poder realizar más fácilmente los soportes que están previstos para el apoyo de platos. En la mayor parte de los casos se disponen los soportes paralelamente a la pared separadora, para evitar una inundación prematura de la columna.
El número total de etapas separadoras asciende, por regla general, aproximadamente a 20 hasta 60, preferentemente 25 a 30.
La zona de columna superior 11 de la instalación de destilación presenta generalmente un 5 a un 30%, preferentemente un 10 a un 25%, la zona de enriquecimiento 12 de la zona de alimentación 12, 14, un 5 a un 50%, preferentemente un 25 a un 40%, la zona de agotamiento 14 de la zona de alimentación 12, 14, un 5 a un 50%, preferentemente un 25 a un 40%, la zona de agotamiento de la zona de extracción 13, 15, un 5 a un 50%, preferentemente un 25 a un 40%, la zona de enriquecimiento 13 de la zona de extracción 13, 15, un 5 a un 50%, preferentemente un 25 a un 40%, y la zona de columna inferior 16, un 5 a un 30%, preferentemente un 10 a un 25% del número total de etapas de separación de la instalación de destilación. En la mayor parte de los casos, la suma de etapas de separación de las zonas parciales 12 y 14 de la zona de alimentación 12, 14, asciende a un 80 hasta un 120%, preferentemente un 90 a un 110% de la suma de etapas de separación de las zonas parciales 13 y 15 en la zona de extracción 13, 15.
En una forma preferente de ejecución de la invención, la columna de pared separadora presenta posibilidades de extracción de muestras en el extremo superior e inferior de la pared separadora. A través de estas se pueden extraer muestras de la columna de manera continua, o a intervalos temporales, en forma líquida o gaseosa, e investigar con respecto a su composición.
Para la regulación de columnas de pared separadora y columnas acopladas térmicamente se describen generalmente diversas estrategias de regulación. Se encuentran correspondientes descripciones en la US-A 4,230,533, en la DE-C 35 22 234, en la EP-A 0 780 147, y en la revista "process engineering" 2, (1993) 33 a 34.
Para la regulación del procedimiento según la invención, se muestra especialmente conveniente un concepto de regulación diferente a este. Este se explica especialmente variando sólo de manera insignificante la presión y la temperatura en la zona interna total de la instalación de destilación según la invención. En el concepto de regulación son esenciales:
- una regulación de cantidades para la extracción de cabeza de la instalación de destilación, que sirve como magnitud de ajuste de la cantidad de agua de refrigeración del correspondiente condensador, dispuesto en la cabeza (la extracción de cabeza se efectúa mediante regulación de cantidades);
- una regulación de temperatura en la zona inferior de columna 16, que sirve como magnitud de ajuste de la cantidad de extracción de cola; la extracción del producto de cola se efectúa, por consiguiente, mediante regulación de temperatura, empleándose como temperatura de regulación una temperatura que se registra mediante un punto de medida en la zona inferior de columna 16, o en la cola;
- una regulación de nivel en la cola de la columna, que sirve como magnitud de ajuste para la cantidad de extracción lateral;
- una regulación para la presión diferencial a través de la columna, sirviendo la regulación como magnitud de ajuste de cantidad de vapor de calefacción, o bien de presión de vapor de calefacción del evaporador de cola de la instalación de destilación.
Por regla general se transporta el líquido a la zona de alimentación 12, 14 con ayuda de una bomba, o se alimenta a través de una altura de alimentación estática de al menos aproximadamente 1 m, mediante regulación cuantitativa. Preferentemente se ajusta la regulación de modo que la cantidad de líquido cargada en la zona de alimentación no se debe reducir a menos de un 30% del "valor normal" (se considerará valor normal la cantidad que se produce en el correspondiente procedimiento continuo en media temporal por unidad de tiempo en un determinado punto). Preferentemente se ajusta la división de líquido que se descarga de la zona parcial 13 en la zona de extracción 13, 15, en la extracción lateral y en la zona parcial 15 en la zona de extracción 13, 15, mediante una regulación, de modo que la cantidad de líquido alimentada en la zona parcial 13 no se debe reducir a menos de un 30% "valor normal".
En la separación de mezclas multisubstancia en una fracción de bajo punto de ebullición, de punto de ebullición medio y de punto de ebullición elevado, existen habitualmente especificaciones sobre la fracción máxima admisible de compuestos de bajo punto de ebullición 1 y compuestos de bajo punto de ebullición 3 en la fracción de punto de ebullición medio. En este caso se especifican componentes críticos aislados para el problema de separación, los denominados componentes clave, o la suma de varios componentes clave. El cumplimiento de esta especificación para los compuestos de punto de ebullición elevado 3 en la fracción de punto de ebullición medio (es decir, en la fracción pura de punto de ebullición medio) se regula preferentemente a través de la proporción de distribución de líquido en el extremo superior de la pared separadora.
Por regla general se reúne el líquido que se descarga a partir de la zona superior de la columna 11 en un espacio colector dispuesto en la columna o fuera de la columna, y se divide selectivamente a través de un ajuste fijo o regulación en el extremo superior de la pared separadora, de modo que la proporción de corriente de líquido respecto a la zona de alimentación 12, 14, respecto a la zona de extracción 13, 15, asciende a 0,1 hasta 1,0, preferentemente 0,6 a 0,9. La cantidad de vapores se ajusta casi siempre en el extremo inferior de la pared separadora mediante selección de elementos de inserción separadores y/o la
incorporación adicional de elementos de inserción que generan pérdida de presión, a modo de ejemplo de diafragmas, de modo que la proporción cuantitativa de corrientes de vapores en la zona de alimentación 12, 14, respecto a la de la zona de extracción 13, 15, asciende a 0,8 hasta 1,2. preferentemente 0,9 a 1,1.
La especificación para los compuestos de bajo punto de ebullición 1 en la fracción pura de punto de ebullición medio se regula preferentemente mediante la potencia de calefacción.
Para la extracción y división de líquidos en el extremo superior de la pared separadora y del punto de extracción lateral son apropiados espacios colectores situados tanto internamente, como también dispuestos fuera de la columna, que adoptan la función de un depósito de bombeo. En el caso de columnas de platos es especialmente conveniente aumentar la descarga a aproximadamente el doble al triple de la altura habitual, y almacenar en la descarga la correspondiente cantidad de líquido. En el caso de empleo de columnas empaquetadas se recoge el líquido en primer lugar en colectores, y se conduce el mismo de estos a un espacio colector situado internamente o situado externamente. En el caso de pasos de líquido hasta
10 m^{3}/h, los embudos orientables ofrecen una alternativa económica.
En lugar de una columna de pared separadora, según la invención se puede emplear también una interconexión de dos columnas de destilación en forma de un acoplamiento térmico - un sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente -. Por regla general, en este caso ambas columnas de destilación acopladas térmicamente están equipadas con un evaporador propio y un condensador. Un sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente puede ser una alternativa razonable a columnas de pared separadora, en el caso de correspondientes columnas de destilación disponibles. Es practicable seleccionar formas de conexión que posibiliten que se produzcan exclusivamente columnas de unión líquidas entre las columnas de destilación aisladas. Estas conexiones especiales ofrecen la ventaja de poder accionar ambas columnas de destilación bajo presiones diferentes, con la ventaja de que estas se pueden adaptar mejor a los niveles de temperatura de los medios de calefacción y refrigeración presentes.

Claims (9)

1. Procedimiento para la separación por destilación, realizada continuamente, de amoniaco crudo en una fracción de bajo punto de ebullición, de punto de ebullición elevado y de punto de ebullición medio, en una instalación de destilación configurada como columna de pared separadora, o como sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, extrayéndose la fracción de compuestos de bajo punto de ebullición en la cabeza de la instalación de destilación, produciéndose la fracción pura de punto de ebullición medio en una extracción lateral, y estando limitada la carga de gas de instalación de destilación de modo que la presión de operación se sitúa entre 2 y 30 bar, y el factor F no sobrepasa un valor de
2,0 Pa^{0,5}.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la presión de operación se sitúa entre 10 y 20 bar.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el factor F no sobrepasa un valor de 1,5 Pa^{0,5}, preferentemente de 1,0 Pa^{0,5}.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la fracción pura de punto de ebullición medio se produce en una extracción lateral, que está equipada con separadores de gotas.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque los separadores de gotas se presentan en forma de empaquetaduras de separadores de gotas.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se extrae una cantidad parcial de fracción pura de punto de ebullición medio en forma líquida, y otra cantidad parcial de fracción pura de punto de ebullición medio en forma de gas.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el amoniaco crudo contiene un 95,0 a un 99,9% en peso, preferentemente un 99,0 a un 99,7% en peso, y la fracción pura de punto de ebullición medio contiene al menos un 99,99% en peso, preferentemente al menos un 99,999% en peso de amoniaco.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la extracción de la fracción pura de punto de ebullición medio se efectúa mediante regulación de nivel, y en este caso se emplea preferentemente el nivel de líquido en la cola, como magnitud de regulación.
9. Instalación de destilación, que está configurada como columna de pared separadora, o bien como sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, para la puesta en práctica del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, extrayéndose en la cabeza una fracción de bajo punto de ebullición en forma gaseosa, estando dispuestas por encima de la cola, y por debajo de la cabeza, una o varias extracciones laterales para una fracción de punto de ebullición medio, estando equipada al menos una extracción lateral con separadores de gotas, en especial en forma de empaquetaduras de separadores de gotas, y estando limitada la carga de gas en la columna de pared separadora, o en el sistema de columnas de destilación acopladas térmicamente, de modo que la presión de operaciones se sitúa entre 10 y 30 bar, y el factor F asciende como máximo a 2,0 Pa^{0,5}.
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