ES2575855T3 - Un método para renovar un reformador secundario - Google Patents

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Abstract

Un método para renovar un reformador secundario (1), en el que dicho reformador (1) comprende: - un recipiente a presión vertical (2), - una entrada inferior (7) para un gas de proceso; - una cámara de combustión (5) y una zona catalítica (6), estando la zona catalítica localizada por debajo de la cámara de combustión; - un tubo ascendente de gas interno (8) conectado a dicha entrada inferior de un gas de proceso; - medios de distribución (9) para la introducción de un agente de oxidación, tal como aire de proceso, en dicha cámara de combustión; - en el que dicho tubo ascendente de gas (8) tiene un extremo de salida de gas que está por encima de la cámara de combustión y comprende unos medios (11) dispuestos para dirigir el gas de proceso hacia abajo, de manera que dicho gas de proceso atraviesa la cámara de combustión y, a continuación, la zona catalítica, fluyendo de arriba hacia abajo, y el método está caracterizado por comprender al menos las siguientes etapas: - se interrumpen los medios de distribución originales (9) del agente de oxidación, - se acorta el tubo ascendente de gas (8'), de manera que el extremo de salida de gas del tubo ascendente de gas se lleva a una altura menor en el recipiente a presión y más cerca de la zona catalítica, en comparación con el tubo ascendente de gas original, y el extremo de salida (8'') del tubo ascendente de gas acortado está dispuesto para suministrar un flujo de gas dirigido hacia arriba; - se instala un nuevo quemador (20) en la parte superior del reactor, estando dicho nuevo quemador dispuesto para suministrar un agente de oxidación, tal como aire de proceso, con un flujo descendente, en una zona de mezcla (23) por encima del extremo de salida de gas del tubo ascendente de gas acortado.

Description

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Un metodo para renovar un reformador secundario DESCRIPCION
Campo de aplicacion
La invencion se refiere a un metodo para renovar un reformador secundario, en particular, pero sin limitarse a, reformadores secundarios que comprenden una camara de combustion en la parte superior, y un tubo ascendente interno que encamina una alimentacion de gas desde una entrada de gas inferior a dicha camara de combustion.
Tecnica anterior
El reformado es una tecnica bien conocida para convertir una fuente de hidrocarburos en un producto util tal como hidrogeno o un gas de smtesis compensatorio para un uso espedfico, por ejemplo, para la smtesis del amomaco. Un diseno bien conocido de una unidad de fabricacion inicial de reformado, por ejemplo, la unidad de fabricacion inicial de una planta de amomaco, incluye un reformador primario y un reformador secundario.
Por ejemplo, un flujo de vapor y una fuente de hidrocarburos adecuada, tal como el gas natural, se hacen reaccionar en un reformador primario. En algunas realizaciones, el reformador primario comprende un haz de tubos calentados de vapor o de gas llenos de un catalizador. El gas de producto que sale del reformador primario se oxida adicionalmente en el reformador secundario con la ayuda de un suministro de aire y en presencia de un catalizador. El gas de producto reformado que sale del reformador secundario se trata, a continuacion, en una serie de equipos descendentes que normalmente incluyen al menos uno o mas conversores de desplazamiento, una columna de lavado de CO2 y un metanador. En las plantas de amomaco el reformador secundario se acciona con aire o aire enriquecido.
El reformador secundario puede ser un reformador autotermico (ATR) accionado con oxfgeno puro.
Una realizacion conocida de un reformador secundario incluye un recipiente vertical con una camara de combustion localizada sustancialmente en la parte superior, por encima de una zona catalftica, y una entrada inferior para el gas de proceso procedente del reformador primario. El reformador comprende un tubo ascendente interno dispuesto para dirigir el gas de proceso desde la entrada inferior a dicha camara de combustion.
Normalmente, el tubo ascendente de gas termina con un distribuidor de gas y/o un deflector de gas por encima de la camara de combustion; el flujo de gas que sale del tubo ascendente se desvfa sustancialmente 180° y atraviesa el reformador secundario de arriba hacia abajo, pasa a traves de la camara de combustion y, a continuacion, a traves de la zona catalftica por debajo.
El aire de proceso se introduce en dicha camara de combustion a traves de unos medios adecuados, que pueden incluir una pluralidad de boquillas o un distribuidor adecuado. Por ejemplo, en algunas realizaciones conocidas, el aire de proceso se introduce a traves de un distribuidor que comprende una pluralidad de sectores cilmdricos soldados entre sf y que forman una estructura anular alrededor del tubo ascendente de gas. La superficie inferior de cada sector tiene una pluralidad de toberas para la inyeccion de aire, y un deflector similar a una baldosa esta instalado dentro del distribuidor. Normalmente, el distribuidor comprende ocho sectores cilmdricos soldados entre sf, de manera que, en una vista en planta, se asemeja a un octogono.
En este tipo de reformador secundario se aprecian algunas ventajas y es habitual, por ejemplo, en las plantas de amomaco. El diseno con un tubo ascendente de gas de proceso interno permite que tanto la entrada de gas como la salida de gas esten localizadas en la parte inferior del recipiente a presion, lo que supone una conexion simple con otros equipos. En particular, la entrada inferior ayuda a mantener una lmea de transferencia de gas corta entre el reformador primario y el reformador secundario. Puesto que los equipos de proceso son recipientes a presion verticales con una altura considerable, es ventajoso mantener las conexiones de gas de proceso en la parte inferior. La experiencia, sin embargo, tambien ha revelado una serie de inconvenientes.
En primer lugar, se ha observado que dichos reformadores sufren una mezcla pobre entre los reactivos (aire y gas de proceso/gas de smtesis) en el interior de la camara de combustion. Esta mezcla insatisfactoria da como resultado una distribucion no uniforme de la composicion y la temperatura del gas en la entrada del lecho catalftico, y una posible formacion de puntos calientes en el revestimiento refractario. Una distribucion de gas no uniforme provoca una utilizacion desigual del lecho catalftico y aumenta el deslizamiento del metano (metano no convertido que sale del reformador secundario con el gas de producto), lo que aumenta en consecuencia la recirculacion de gas del bucle de smtesis de una planta de amomaco que reduce el rendimiento global de la planta. Los puntos calientes, debido a una mezcla pobre, se evidencian en algunos casos por la erosion y el acristalamiento de grumos de alumina, que protegen la capa superior del lecho catalftico, o por la sinterizacion y la aglomeracion de los granos catalfticos. En los casos de una mezcla muy pobre tambien pueden encontrarse rastros de puntos calientes en el
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revestimiento refractario de la camara de combustion, habitualmente con una fusion localizada del revestimiento, un acristalamiento o erosion de los ladrillos refractarios y las juntas de mortero.
Otro inconveniente es el denominado impacto de llama. El gas de proceso que sale del tubo ascendente de gas se desvfa hacia las paredes externas del recipiente por el deflector de gas superior. Por lo tanto, el gas de proceso fluye preferentemente a lo largo de las paredes externas del recipiente. Se ha observado, sin embargo, que el flujo de gas de proceso tiende a desviar los chorros de aire que salen del distribuidor de aire hacia el tubo ascendente, dando como resultado un impacto de llama en los ladrillos refractarios que cubre el tubo ascendente de gas de proceso. Un efecto relacionado es un campo de temperatura no uniforme en la entrada del lecho catalftico, que puede ser otra fuente de deslizamiento de metano.
De hecho, la experiencia muestra que habitualmente se mide un alto deslizamiento de metano en la salida de este tipo de reformador secundario.
Otro problema es la distribucion desigual de aire entre las toberas de aire, especialmente con el distribuidor en forma toroidal mencionado anteriormente. Las simulaciones CFD muestran que las diferencias entre el caudal masico maximo y mmimo en las toberas de aire puede alcanzar el 45 % del valor medio. Una distribucion de aire muy desigual amplifica la pobre distribucion en el interior de la camara de combustion y la distribucion no uniforme de la temperatura y la composicion en la entrada del lecho catalftico
Un gran numero de reformadores secundarios con las caractensticas anteriores se instalan actualmente en el mundo. Por lo tanto, hay un incentivo para proporcionar una renovacion eficiente que combine un mejor rendimiento con un cambio mmimo en el diseno existente, con el fin de ahorrar costes. Sin embargo, la tecnica anterior aun carece de una solucion a este problema.
Descripcion de la invencion
El problema subyacente de la invencion es resolver los inconvenientes anteriores y proporcionar un metodo eficiente para renovar el tipo de reformador secundario mencionado.
La solucion propuesta implica la provision de un nuevo quemador que se instala en la parte superior del reformador y reemplaza los medios de alimentacion de aire tales como las toberas o un distribuidor.
Por lo tanto, el problema se resuelve con un metodo para renovar un reformador secundario que comprende:
- un recipiente a presion vertical con un eje vertical,
- una entrada inferior para un gas de proceso;
- una camara de combustion y una zona catalftica, estando la zona catalftica localizada por debajo de la camara de combustion;
- un tubo ascendente de gas interno conectado a dicha entrada inferior del gas de proceso;
- medios de distribucion para la introduccion de un agente de oxidacion, tal como aire de proceso, en dicha camara de combustion;
- en el que dicho tubo ascendente de gas tiene un extremo de salida de gas que esta por encima de la camara de combustion y comprende unos medios dispuestos para dirigir el gas de proceso hacia abajo, de manera que dicho gas de proceso atraviesa la camara de combustion y, a continuacion, la zona catalftica, fluyendo de arriba hacia abajo,
y el metodo esta caracterizado por comprender al menos las siguientes etapas:
- se interrumpen dichos medios de distribucion originales del agente de oxidacion,
- se acorta el tubo ascendente de gas, de manera que el extremo de salida de gas del tubo ascendente de gas se lleva a una altura menor en el recipiente a presion y mas cerca de la zona catalftica, en comparacion con el tubo ascendente de gas original, y el extremo de salida del tubo ascendente de gas acortado esta dispuesto para suministrar un flujo de gas dirigido hacia arriba;
- se instala un nuevo quemador en la parte superior del reactor, estando dicho nuevo quemador dispuesto para suministrar un agente de oxidacion, tal como aire de proceso, con un flujo descendente, en una zona de mezcla por encima del extremo de salida de gas del tubo ascendente de gas acortado.
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El acortamiento del tubo ascendente de gas puede realizarse retirando una parte superior del tubo ascendente de gas existente o instalando un nuevo tubo ascendente de gas mas corto que el tubo original, de acuerdo con diferentes realizaciones. El acortamiento del tubo ascendente de gas proporciona espacio para la instalacion del nuevo quemador y permite una mezcla de contraflujo de los reactivos, como se explica a continuacion.
Dicho nuevo quemador proporciona un agente de oxidacion que es aire o aire enriquecido u oxfgeno. En la mayona de los casos, dicho agente es aire. Normalmente, se anade una cierta cantidad de vapor de seguridad a un agente de oxidacion.
De acuerdo con una de las caractensticas de la invencion, el tubo ascendente del reformador renovado suministrara el gas de proceso con un flujo sustancialmente ascendente, al contrario del diseno original que tiende a desviar el flujo de gas 180°. En consecuencia, se eliminan preferentemente los medios originales para dirigir el gas de proceso en la salida del tubo ascendente, que pueden incluir, por ejemplo, un distribuidor de gas o un deflector de gas.
Una vez que se ha completado la renovacion, la salida dirigida hacia abajo del quemador recien instalado esta por encima de la salida dirigida hacia arriba del tubo ascendente de gas. A continuacion, el agente de oxidacion se introduce con un flujo contracorriente en relacion con el gas de proceso que sale del tubo ascendente de gas. En otras palabras, el agente de oxidacion fluye de arriba hacia abajo, mientras que el gas de proceso fluye de abajo hacia arriba.
Por lo tanto, el reformador secundario renovado tiene una region de mezcla sustancialmente entre el quemador recien instalado y el tubo ascendente de gas (y por encima de la zona catalftica), en la que una llama de difusion de contraflujo se forma por el gas de proceso que se encuentra con el agente de oxidacion. La expresion “llama de difusion” es bien conocida por los expertos en la materia, e indica una llama no premezclada en la que el agente de oxidacion (por ejemplo, aire) se combina con el combustible (en concreto, el gas de proceso) por medio de un proceso de difusion.
Preferentemente, se eliminan ffsicamente los medios anteriores para la introduccion del agente de oxidacion puesto que ya no se usan. Unos pasos relacionados a traves del recipiente, tales como un agujero de tobera principal, estan adecuadamente conectados.
El quemador recien instalado esta fabricado de un material adecuado resistente a altas temperaturas, tal como, pero sin limitarse a, una aleacion de Ni/Cr/Fe.
Preferentemente, dicho quemador esta provisto de un generador de remolinos para proporcionar un movimiento de remolino al agente de oxidacion y, a continuacion, aumentar la mezcla con el gas de proceso, en la zona mencionada anteriormente de formacion de una llama de difusion. Por ejemplo, el generador de remolinos puede incluir aletas helicoidales o aletas inclinadas dispuestas dentro de un conducto generalmente tubular, de tal manera como para dar un movimiento rotatorio al agente de oxidacion.
La cubierta superior del reformador necesitara modificarse o reemplazarse, con el fin de instalar el nuevo quemador. Cuando sea posible, es preferible mantener la cubierta superior existente, que se modificara para alojar el nuevo quemador; sin embargo, si se considera necesario o conveniente, podna proporcionarse una nueva cubierta.
La tubena de aire existente tambien necesitara algunas modificaciones con el fin de redirigir el flujo de aire, originalmente dirigido hacia toberas de aire o similares en la camara de combustion, al quemador superior recien instalado.
Es evidente que los expertos en la materia determinaran cualquier otra modificacion del reformador existente, de acuerdo con el caso espedfico, con el fin de realizar el metodo de la invencion.
Preferentemente, la invencion se usa para renovar el reformador secundario de la unidad de fabricacion inicial de una planta de amomaco. Sin embargo, esta aplicacion no es limitante.
La ventaja principal de la renovacion de la invencion es el logro de una mejor mezcla entre el gas de proceso y el agente de oxidacion, lo que significa una mayor uniformidad de la composicion, velocidad y temperatura del gas en la entrada del lecho de catalizador, en comparacion con el diseno original. Esta mayor uniformidad implica la mejor utilizacion del lecho de catalizador, un deslizamiento de metano inferior y una vida util mas larga del catalizador.
Otra ventaja es una llama mas corta, en comparacion con el diseno original. La llama siempre esta bien separada del revestimiento refractario para evitar asf puntos calientes peligrosos. De hecho, el encendido esta garantizado por las altas temperaturas de las corrientes de reactivos y la llama de difusion resultante esta bien separada del revestimiento refractario del recipiente a presion y el tubo ascendente de gas de proceso. Un efecto positivo relacionado es que no hay un impacto de llama contra la capa superior del lecho de catalizador.
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Otra ventaja de la invencion es la minima modificacion del diseno existente, lo que significa bajos costes de inversion y un tiempo de amortizacion corto. En particular, el recipiente a presion existente puede mantenerse con pocas modificaciones y las lmeas de transferencia de gas principales existentes hacia/desde el reformador secundario son sustancialmente las mismas. Ademas, el metodo es atractivo para un gran numero de reformadores secundarios instalados en todo el mundo.
El reformador renovado tambien puede lograr una alta flexibilidad durante el funcionamiento, habitualmente del 40 % al 110 % de la carga de diseno y una vida util mas larga que todos los equipos.
Las caractensticas y ventajas de la invencion seran mas evidentes con la ayuda de la siguiente descripcion detallada.
Descripcion de las figuras
La figura 1 es un esquema del reformador de acuerdo con la tecnica anterior.
La figura 2 es un esquema del reformador de la figura 1, despues de una renovacion con la instalacion de un nuevo quemador, de acuerdo con una de las realizaciones de la invencion.
La figura 3 es un detalle del reformador de la figura 1, durante el funcionamiento, que muestra la llama de difusion formada en la salida del nuevo quemador.
Las figuras 4 y 5 muestran diferentes realizaciones posibles para el nuevo quemador.
Descripcion detallada de una realizacion preferida
La figura 1 muestra un reformador secundario 1 que puede renovarse de acuerdo con la presente invencion. El reformador 1 tiene un recipiente a presion vertical 2 con un revestimiento refractario 3 y unas paredes conicas 4 en la parte superior.
Basicamente, el reformador 1 comprende una camara de combustion 5, localizada en la parte superior del reformador, y una zona catalttica 6 localizada por debajo de la camara de combustion. La zona catalftica 6 comprende un lecho catalttico adecuado que puede soportarse, por ejemplo, por un arco en forma de anillo en la parte inferior.
Un gas de proceso G procedente de un reformador primario (no mostrado) entra en el reformador 1 a traves de una entrada inferior 7. El reformador 1 comprende un tubo ascendente de gas interno 8 conectado a dicha entrada inferior 7 y dispuesto para encaminar el gas de proceso G a la camara de combustion superior 5. Mas en detalle, el tubo ascendente 8 se extiende sustancialmente a todo lo largo del recipiente 2, terminando cerca de la parte superior del reformador, como se muestra en la figura.
Un flujo de aire de proceso se introduce en dicha camara de combustion 5 por medio de un distribuidor de aire 9 que se aproxima a la forma de un toroide y rodea el tubo ascendente 8 por encima de la camara de combustion 5. El distribuidor de aire 9 se alimenta por un conducto de aire 10 que pasa a traves de un agujero en la pared conica 4 y el revestimiento 3 del reformador.
Se hace referencia en este caso a un aire de proceso, pero podnan usarse otros agentes de oxidacion.
El reformador 1 tambien comprende un deflector de gas de proceso 11 colocado por encima de la terminacion superior del tubo ascendente 8, y muy por encima de la camara de combustion 5. En algunos reformadores, el tubo ascendente termina con un distribuidor de gas. A continuacion, el gas de proceso que sale del tubo ascendente 8 se desvfa aproximadamente 180° y se mezcla con el aire de proceso emitido desde las toberas del distribuidor similar a un toroide 9. La mezcla tiene lugar sustancialmente en una zona 12 por debajo del distribuidor 9 y por encima de la camara de combustion 5; a continuacion, el gas pasa a traves de la camara de combustion 5 y la zona catalftica 6 fluyendo de arriba hacia abajo; el gas convertido sale del reformador 1 a traves de una salida de gas 13 por debajo del lecho catalttico.
La figura 2 muestra el reformador 1 despues de la renovacion de acuerdo con una realizacion de la invencion. Un nuevo quemador 20 se instala en la parte superior del reactor 1 y se retira una parte superior del tubo ascendente de gas original 8, obteniendo un tubo acortado 8'. Preferentemente, el tubo 8 se acorta de tal manera que el extremo abierto 8'' del tubo modificado 8' esta ahora ligeramente por encima de la zona catalftica 6, en lugar de estar en la parte superior del recipiente 2.
Tambien se retira el deflector de gas 11. El tubo modificado 8' ahora esta configurado para generar un flujo
sustancialmente axial de gas de proceso dirigido de abajo hacia arriba, como es evidente a partir de la figura 2.
El nuevo quemador 20 se monta axialmente en una cubierta superior nueva o adecuadamente modificada 21 del reformador, y basicamente comprende un conducto 22 dispuesto de acuerdo con el eje A-A del recipiente 2. Dicho 5 conducto 22 esta conectado a la lmea de aire de proceso disponible, que alimenta inicialmente el distribuidor de aire
9, con la modificacion necesaria de la tubena o la provision de una nueva tubena, de acuerdo con las necesidades espedficas. El distribuidor de aire original 9 se retira del recipiente 2 y el paso relacionado a traves del recipiente 2 se cierra con un tapon adecuado 28.
Puede apreciarse que el aire de proceso se suministra ahora por el quemador 20 con un flujo axial sustancialmente 10 descendente, es decir, un flujo dirigido de arriba hacia abajo, en una region de mezcla 23 que esta por encima del
extremo abierto 8'' del tubo ascendente de gas acortado 8'. En esta region 23, el gas de proceso dirigido hacia arriba que sale del tubo ascendente de gas 8' se encuentra con el aire de proceso dirigido hacia abajo desde el quemador 20. Como se muestra en la figura 3, una llama de difusion de contraflujo 24 se forma en dicha region de mezcla 23 y, por lo tanto, en la camara de combustion 5, por el flujo contracorriente del gas de proceso (combustible) y el aire.
15
Dicho nuevo quemador 20 puede fabricarse de acuerdo con el quemador descrito en el documento EP 1531147. En particular, el quemador 20 en una realizacion preferida comprende una seccion de extremo troncoconica 25 con un extremo abierto divergente 26, aparentando de este modo una forma distintiva similar a una trompeta (figura 4). Como alternativa, y en funcion de las condiciones de funcionamiento de la planta espedfica, dicho nuevo quemador 20 20 comprende una abertura de borde afilado 28, como es evidente en la figura. 5. En las figuras 4 y 5 tambien se
indican los medios de remolino 27.

Claims (10)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para renovar un reformador secundario (1), en el que dicho reformador (1) comprende:
    - un recipiente a presion vertical (2),
    - una entrada inferior (7) para un gas de proceso;
    - una camara de combustion (5) y una zona catalftica (6), estando la zona catalftica localizada por debajo de la camara de combustion;
    - un tubo ascendente de gas interno (8) conectado a dicha entrada inferior de un gas de proceso;
    - medios de distribucion (9) para la introduccion de un agente de oxidacion, tal como aire de proceso, en dicha camara de combustion;
    - en el que dicho tubo ascendente de gas (8) tiene un extremo de salida de gas que esta por encima de la camara de combustion y comprende unos medios (11) dispuestos para dirigir el gas de proceso hacia abajo, de manera que dicho gas de proceso atraviesa la camara de combustion y, a continuacion, la zona catalftica, fluyendo de arriba hacia abajo,
    y el metodo esta caracterizado por comprender al menos las siguientes etapas:
    - se interrumpen los medios de distribucion originales (9) del agente de oxidacion,
    - se acorta el tubo ascendente de gas (8'), de manera que el extremo de salida de gas del tubo ascendente de gas se lleva a una altura menor en el recipiente a presion y mas cerca de la zona catalftica, en comparacion con el tubo ascendente de gas original, y el extremo de salida (8'') del tubo ascendente de gas acortado esta dispuesto para suministrar un flujo de gas dirigido hacia arriba;
    - se instala un nuevo quemador (20) en la parte superior del reactor, estando dicho nuevo quemador dispuesto para suministrar un agente de oxidacion, tal como aire de proceso, con un flujo descendente, en una zona de mezcla (23) por encima del extremo de salida de gas del tubo ascendente de gas acortado.
  2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicho nuevo quemador (20) comprende un conducto (22) para el agente de oxidacion que es paralelo al eje (A-A) del recipiente a presion vertical (2), suministrando de este modo un flujo sustancialmente axial de dicho agente de oxidacion.
  3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el tubo ascendente de gas (8) se acorta retirando una parte superior del tubo ascendente de gas existente, o se instala un nuevo tubo ascendente de gas mas corto que el tubo original.
  4. 4. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que una tubena existente disenada originalmente para alimentar un agente de oxidacion a dichos medios de distribucion (9) se modifica con el fin de redirigir dicho agente de oxidacion al quemador recien instalado (20).
  5. 5. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la cubierta superior del reformador se modifica o se reemplaza con el fin de permitir la instalacion del nuevo quemador.
  6. 6. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando dicho nuevo quemador fabricado de una aleacion de Ni/Cr/Fe.
  7. 7. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo dicho nuevo quemador un generador de remolinos (27) para proporcionar un movimiento de remolino al agente de oxidacion.
  8. 8. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, siendo dicho agente de oxidacion aire o aire enriquecido u oxfgeno puro.
  9. 9. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, siendo dicho reformador secundario parte de una unidad de fabricacion inicial de una planta de amomaco para la generacion de un gas de smtesis compensatorio para la smtesis del amomaco.
  10. 10. Un metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, siendo dicho reformador secundario un reformador autotermico.
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