ES3036320T3 - Method and plant for the production of ammonia with renewable energy - Google Patents

Method and plant for the production of ammonia with renewable energy

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ES3036320T3
ES3036320T3 ES23771975T ES23771975T ES3036320T3 ES 3036320 T3 ES3036320 T3 ES 3036320T3 ES 23771975 T ES23771975 T ES 23771975T ES 23771975 T ES23771975 T ES 23771975T ES 3036320 T3 ES3036320 T3 ES 3036320T3
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ES
Spain
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air
nitrogen
outlet
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hydrogen
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ES23771975T
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English (en)
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Joey Dobree
Mahal Patel
Paolo Mazzara
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Stamicarbon BV
Original Assignee
Stamicarbon BV
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Abstract

La presente divulgación se refiere a una planta para la producción de amoníaco. El amoníaco se produce a partir de hidrógeno obtenido por electrólisis del agua. La electrólisis se alimenta de una fuente de energía renovable, complementada con la energía obtenida de la planta durante periodos de baja o nula disponibilidad de dicha energía. Para ello, la planta está configurada para operar en modo de carga (obteniendo y almacenando energía) y en modo de descarga (utilizando dicha energía). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y planta para la producción de amoníaco con energía renovable
Campo
La invención se encuentra en el campo de la tecnología de producción de amoniaco verde. En particular, la invención se refiere a un método y a una planta para la producción de amoniaco en el que se pueden utilizar fuentes de energía renovables. La invención se refiere además a un método para modificar una planta de amoníaco preexistente.
Introducción
Los desafíos actuales en la industria química incluyen hacer una transición para evitar el uso de combustibles fósiles y emplear energía renovable. El amoníaco se considera uno de los productos químicos clave en dicha transición. Una razón es que, como tal, puede servir como fuente de hidrógeno, por ejemplo, en pilas de combustible. Otra razón es que, al ser un producto químico inorgánico, no requiere carbono para su producción.
El proceso industrial más utilizado para producir amoníaco, el proceso Haber-Bosch, implica la reacción catalítica de hidrógeno y nitrógeno. Hasta ahora, lo habitual era obtener el hidrógeno a partir de gas natural, pero en la química libre de carbono que tanto se desea hoy en día, el hidrógeno se obtiene mediante la electrólisis del agua. Este último requiere energía, que en un proceso de amoníaco “verde” preferiblemente se obtiene mediante fuentes de energía renovables.
Un problema general con las fuentes de energía renovables se presenta por las fluctuaciones inherentes en su suministro. Las fuentes de energía renovables generalmente presentan fluctuaciones tanto primarias como secundarias. Las fluctuaciones primarias en la energía solar, por ejemplo, se deben al ciclo día/noche. En escalas de tiempo más cortas, como horas o minutos, pueden surgir fluctuaciones secundarias debido a cambios en las condiciones, como la velocidad del viento y la cobertura de nubes.
Las fluctuaciones en el suministro de energía renovable plantean problemas para el funcionamiento de una planta productora de amoníaco verde. Si la tasa de producción de amoníaco se reduce durante períodos de bajo suministro de energía, las temperaturas dentro de la planta pueden variar induciendo estrés o choques térmicos. La vida útil del convertidor de amoníaco, incluido el catalizador productor de amoníaco, también puede verse acortada por las fluctuaciones de temperatura. Por tanto, es deseable minimizar estos efectos mediante una gestión juiciosa del suministro de energía y de las condiciones de funcionamiento. Es deseable un funcionamiento continuo o sustancialmente continuo. Este tipo de funcionamiento generalmente requiere una fuente de energía complementaria cuando la fuente de energía renovable no está disponible o está reducida.
El documento 2020/035521 busca abordar esta problemática para un proceso de producción de ácido nítrico, basado en la quema de amoniaco. La referencia también aborda la producción de amoniaco, que está integrada con la producción de ácido nítrico. El proceso recupera energía térmica en forma de electricidad mediante la turboexpansión de un gas líquido presurizado, en el que el gas líquido a su vez sirve como suministro de reactivo al proceso. Por consiguiente, en la producción de ácido nítrico se utiliza oxígeno licuado, y en la producción de amoníaco se utiliza nitrógeno licuado. El calor necesario para evaporar el gas líquido presurizado antes de expandirlo sobre una turbina es calor residual generado en los respectivos procesos de producción de ácido nítrico o amoníaco. Por lo tanto, normalmente, la electrólisis del agua para producir hidrógeno para la producción de amoníaco se beneficia del almacenamiento de energía en la producción de ácido nítrico integrado en ella.
El uso de almacenamiento de energía criogénica a través de un reactivo de gas licuado también es conocido por el documento CN112179046. Esta referencia se refiere a la producción de amoníaco y tiene como objetivo adaptar una planta de producción de amoníaco para adaptarse a las diferencias en el suministro de energía. La referencia no aborda las fluctuaciones en el suministro de energía renovable, sino que se refiere al suministro de electricidad con tarifas punta costosas y tarifas fuera de horas punta reducidas. De acuerdo con lo anterior, se describe un proceso que tiene como objetivo reducir el consumo de energía durante las horas pico mediante el empleo de energía almacenada durante las horas de menor consumo. Este almacenamiento se proporciona mediante el uso de nitrógeno para el almacenamiento de energía criogénica durante períodos de baja demanda, lo que permite liberar dicho nitrógeno para la síntesis de amoníaco durante los períodos pico. Esto sirve para evitar el consumo de energía de pico costosa para producir nitrógeno.
Las referencias anteriores no sirven para optimizar, en una planta de amoniaco como tal, el suministro de energía requerido para la reacción de electrólisis para producir hidrógeno, en el caso de que ésta se opere como un proceso sustancialmente continuo, a partir de energía procedente de una fuente de energía renovable. En este sentido, así como en lo referente a la gestión juiciosa de la energía y del suministro de reactivos en general, se desea proporcionar un proceso y una planta que estén adaptados de forma más óptima para la producción de amoníaco verde. En particular, si un proceso así se lleva a cabo como un proceso sustancialmente continuo, a pesar de las fluctuaciones en el suministro de energía renovable.
Resumen
En un primer aspecto, la invención se refiere a una planta para la producción de amoniaco, dicha planta comprende:
(a) un reactor catalítico que tiene una entrada de nitrógeno para una alimentación de nitrógeno, una entrada de hidrógeno para una alimentación de hidrógeno y una salida de amoníaco para el amoníaco producido; (b) una unidad de electrólisis que tiene una entrada de agua para una alimentación de agua, una salida de oxígeno para el oxígeno y una salida de hidrógeno para el hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor;
(c) una unidad de suministro de nitrógeno que tiene al menos una entrada de aire para una corriente de aire, una salida de oxígeno para una corriente enriquecida con oxígeno y una salida de nitrógeno para una corriente de nitrógeno; dicha salida de nitrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de nitrógeno del reactor; (d) una sección de compresión y adsorción de aire a baja presión, que tiene una entrada de aire para una alimentación de aire externa y una salida de aire para aire comprimido, dicha salida de aire está en comunicación de fluidos conmutable con, opcionalmente, una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno, y con una sección de licuefacción de aire, o una unidad de compresión de aire a alta presión que tiene una salida para aire comprimido en comunicación de fluidos con la sección de licuefacción de aire, dicha sección de licuefacción de aire comprende un turboexpansor configurado para accionar un generador para proporcionar una primera fuente de energía;
(e) un almacenamiento de aire líquido que tiene una entrada de aire líquido para aire líquido obtenido de la sección de licuefacción de aire, una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con la unidad de suministro de nitrógeno, y una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con una sección de generador configurada para proporcionar una segunda fuente de energía y una corriente de aire expandida;
(f) una unidad de control eléctrico configurada para alimentar la planta;
en la que la planta tiene una conexión eléctrica con una fuente de energía renovable y con la primera y segunda fuentes de energía, y en la que la unidad de control eléctrico está configurada para ser conmutable entre la fuente de energía renovable y la primera y segunda fuentes de energía, que incluye combinaciones de las mismas.
En un segundo aspecto, la invención proporciona un proceso para la producción de amoniaco, llevándose a cabo el proceso en una planta como se describe en el párrafo anterior, que comprende las etapas de:
(i) obtener nitrógeno de la unidad proveedora de nitrógeno;
(ii) obtener hidrógeno de la unidad de electrólisis;
(iii) hacer reaccionar el nitrógeno y el hidrógeno en el reactor catalítico en condiciones de formación de amoníaco;
el proceso comprende operar la planta en un modo de carga, dicho modo de carga comprende comprimir aire en la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión para proporcionar aire comprimido LP; comprimir el aire comprimido LP en la unidad de compresión de aire de alta presión para proporcionar aire comprimido HP, someter el aire comprimido HP a expansión y licuefacción en el turboexpansor para obtener aire licuado; almacenar el aire licuado en el almacenamiento de aire líquido; alimentar aire desde el almacenamiento de aire líquido y/o alimentar aire desde la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión a la unidad de suministro de nitrógeno;
en el que el proceso comprende operar la unidad de electrólisis con energía de la fuente de energía renovable para proporcionar el hidrógeno.
En un aspecto adicional, la invención proporciona un proceso para la producción de amoníaco, llevándose a cabo el proceso en una planta como se describe en el párrafo anterior, que comprende las etapas de:
(i) obtener al menos parte del nitrógeno de la unidad proveedora de nitrógeno;
(ii) obtener al menos parte del hidrógeno de la unidad de electrólisis;
(iii) hacer reaccionar el nitrógeno y el hidrógeno en el reactor catalítico en condiciones de formación de amoníaco;
el proceso comprende operar la planta en modo de descarga, dicho modo de descarga comprime aire en la sección de compresión y adsorción de aire a baja presión para proporcionar aire comprimido LP; enviar el aire comprimido LP a la sección de licuefacción de aire; someter el aire comprimido LP a expansión y licuefacción en el turboexpansor para obtener aire licuado; dicho turboexpansor proporciona una primera fuente de energía; almacena el aire licuado en el almacenamiento de aire líquido; alimentar aire desde el almacenamiento de aire líquido a la sección del generador, expandiendo así el aire para proporcionar una segunda fuente de energía y aire expandido, alimentar la unidad de suministro de nitrógeno con aire desde uno o ambos del almacenamiento de aire líquido y el aire expandido, en el que el proceso comprende adaptar la tasa de operación de la unidad de suministro de nitrógeno, la unidad de electrólisis y el reactor catalítico de acuerdo con la cantidad de aire disponible para la unidad de suministro de nitrógeno, y operar la unidad de control para alimentar el proceso con la primera y la segunda fuentes de energía.
En un aspecto adicional, la invención se refiere a un método para modificar una planta preexistente para la producción de amoníaco, dicha planta preexistente comprende:
- un reactor catalítico que tiene una entrada de nitrógeno para una alimentación de nitrógeno, una entrada de hidrógeno para una alimentación de hidrógeno y una salida de amoníaco para el amoníaco producido;
- una sección de suministro de hidrógeno que tiene una salida de hidrógeno para hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor;
- una unidad de suministro de nitrógeno que tiene al menos una entrada de aire para una corriente de aire, una salida de oxígeno para una corriente enriquecida con oxígeno y una salida de nitrógeno para una corriente de nitrógeno; dicha salida de nitrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de nitrógeno del reactor;
- una unidad de control eléctrico configurada para alimentar la planta;
el método comprende añadir a la planta preexistente:
- una unidad de electrólisis que tiene una entrada de agua para una alimentación de agua, una salida de oxígeno para oxígeno y una salida de hidrógeno para hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor;
- una sección de compresión y adsorción de aire de baja presión, que tiene una entrada de aire para una alimentación de aire externa y una salida de aire para aire comprimido LP, dicha salida de aire está opcionalmente en comunicación de fluidos con una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno y está en comunicación de fluidos conmutable con una sección de licuefacción de aire, o una unidad de compresión de aire de alta presión que tiene una salida para aire comprimido en comunicación de fluidos con la sección de licuefacción de aire, dicha sección de licuefacción de aire comprende un turboexpansor configurado para impulsar un generador para proporcionar una primera fuente de energía;
- un almacenamiento de aire líquido que tiene una entrada de aire líquido para aire líquido obtenido de la sección de licuefacción de aire, una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con la unidad de suministro de nitrógeno, y una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con una sección de generador configurada para proporcionar una segunda fuente de energía y una corriente de aire expandida; dicha sección de generador tiene una salida de aire en conexión fluida con una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno;
y disponer que la planta tenga una conexión eléctrica con una fuente de energía renovable y con la primera y segunda fuentes de energía, y configurar la unidad de control eléctrico de manera que sea conmutable entre la fuente de energía renovable y la primera y segunda fuentes de energía, incluidas combinaciones de las mismas.
Dibujos
La Figura 1 muestra esquemáticamente partes de una planta de acuerdo con la invención, con el fin de ilustrar una configuración de carga.
La Figura 2 muestra esquemáticamente partes de una planta de acuerdo con la invención, con el fin de ilustrar una configuración de carga alternativa.
La Figura 3 muestra esquemáticamente partes de una planta de acuerdo con la invención, con el fin de ilustrar una configuración de descarga.
La Figura 4 muestra esquemáticamente partes de una planta de acuerdo con la invención, con el fin de ilustrar una configuración de descarga alternativa.
La Figura 5 muestra un esquema que representa una realización de una planta de acuerdo con la invención, indicando conexiones de proceso, térmicas y de potencia.
Descripción detallada
La invención, en sentido amplio, se refiere a una planta de producción de amoniaco que puede funcionar con base en fuentes de energía renovables, en virtud de la conmutación entre un modo de carga y un modo de descarga. En concreto, se basa en la inteligente idea de utilizar un dispositivo de almacenamiento de aire líquido como herramienta para lograr dicha capacidad de conmutación. Más particularmente, la invención también utiliza la idea de combinar un criógeno de aire líquido con calor para la expansión extraído de la síntesis de amoníaco.
La planta y el proceso divulgados en este documento sirven para abordar mejor las fluctuaciones secundarias de largo plazo que presentan las fuentes de energía renovables, así como las fluctuaciones primarias. Por ejemplo, el cambio del modo de carga al modo de descarga se puede realizar en relación con un ritmo de energía solar día/noche, pero también puede desencadenarse por períodos prolongados de nubosidad o (en el caso de la energía eólica) por falta de viento.
De este modo, la planta y el proceso divulgados en este documento también abordan la cuestión de que, de lo contrario, debería estar disponible una fuente de energía convencional (como combustibles fósiles y/o energía nuclear) como complemento para compensar las fluctuaciones en la disponibilidad de energía renovable. Preferiblemente, la planta y el proceso aquí divulgados funcionan sin ninguna fuente de energía suplementaria. Ventajosamente, la planta se suministra como una o más unidades modulares, locales e independientes, alimentadas únicamente por una fuente de energía renovable.
De acuerdo con esta divulgación, el amoníaco se puede producir mediante un proceso de tipo Haber-Bosch, en el que el nitrógeno y el hidrógeno se someten a una reacción catalítica para formar amoníaco, de acuerdo con la ecuación 2H2 N2 ^ NH3. Esta reacción tiene lugar en un reactor provisto de un lecho catalizador adecuado, al que en esta divulgación se hace referencia brevemente como reactor catalítico. Los catalizadores generalmente son catalizadores que contienen hierro promovido, típicamente catalizadores de magnetita multipromovida. Una alternativa a los catalizadores de hierro es el rutenio. Por tanto, la planta comprende (a) un reactor catalítico que tiene una entrada de nitrógeno para una alimentación de nitrógeno, una entrada de hidrógeno para una alimentación de hidrógeno y una salida de amoníaco para el amoníaco producido. La síntesis de amoníaco generalmente se lleva a cabo a una presión de entre 70 y 350 bar, y a una temperatura que va desde la temperatura ambiente (por ejemplo, 20 °C) hasta 600 °C. Preferiblemente, la presión se encuentra entre 130 y 330 bar, siendo otros rangos preferidos entre 140 y 250 bar o entre 280 y 320 bar. El producto de amoniaco así sintetizado se despresuriza generalmente y se almacena a unos 15-17 bares. Se entenderá que la obtención de amoniaco a presión atmosférica requerirá una reducción adicional de la temperatura, lo que generalmente se logra a través de un disipador frío.
En la mayoría de las plantas de amoníaco convencionales actuales, el hidrógeno se obtiene a partir de combustibles fósiles como el gas natural. Como desviación de lo anterior, la planta de amoníaco verde de la presente divulgación funciona sobre la base de la electrólisis del agua para proporcionar hidrógeno. Así, la planta comprende (b) una unidad de electrólisis que tiene una entrada de agua para una alimentación de agua, una salida de oxígeno para el oxígeno y una salida de hidrógeno para el hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor.
Las celdas de electrólisis (electrolizadores) adecuadas son bien conocidas por el experto en la materia. Los electrolizadores adecuados de potencia sustancial (> 0.1 MW) generalmente son electrolizadores bipolares con convección forzada del electrolito. Normalmente se pueden utilizar celdas de electrólisis alcalina. Estos funcionan principalmente con 25-35 % de KOH (la mayoría de los fabricantes) o 14 % de NaOH (electrolizador de agua de Hydrogen Systems). La reacción catódica es catalizada, en general, con níquel, típicamente en forma de capas de níquel de alta superficie específica, tales como níquel Raney o recubrimientos de níquel poroso producidos in situ mediante reducción catódica de recubrimientos de sulfuro de níquel. Los diafragmas, que sirven para separar el hidrógeno formado por la electrólisis, generalmente están hechos de amianto, pero los electrolizadores más modernos emplean material compuesto, por ejemplo, a base de polisulfona o politetrafluoretileno hidrofilizado con zirconia finamente dispersa. Las alternativas adecuadas incluyen cerámicas soportadas en red de níquel, como cermets de NiO o CaTiO-Ni. La electrólisis del agua también puede realizarse utilizando membranas de intercambio catiónico, conocida como electrólisis de intercambio de polímeros sólidos (SPE). Este funciona sobre la base de un polímero de intercambio catiónico hinchado en agua y cargado de protones como electrolito. Aquí se aplican generalmente catalizadores metálicos del grupo del platino. Los tipos preferidos de celdas de electrólisis incluyen celdas alcalinas y celdas de membrana de electrolito polimérico. Otro tipo preferido de unidad de electrólisis es una celda electrolizadora de óxido sólido (SOEC). Se trata de una pila de combustible de óxido sólido que funciona en modo regenerativo para lograr la electrólisis del agua mediante el uso de un electrolito de óxido sólido, o cerámico, para producir gas hidrógeno y oxígeno.
El experto conoce bien los diferentes tipos de unidades de electrólisis y sabe cómo operarlas. La planta de la presente invención no está limitada a ningún tipo particular de celdas de electrólisis.
El nitrógeno generalmente se proporciona separándolo del aire. En la presente divulgación, cualquier unidad de este tipo se denomina, en resumen, unidad proveedora de nitrógeno. Normalmente, dicha unidad de suministro de nitrógeno es una unidad de separación de aire o una unidad de generación de nitrógeno. La separación de aire puede realizarse mediante destilación criogénica de gases licuados o mediante técnicas no criogénicas como la absorción por oscilación de presión, la absorción por oscilación de vacío o la separación por membrana. Así, la planta comprende (c) una unidad de suministro de nitrógeno que tiene al menos una entrada de aire para una corriente de aire, una salida de oxígeno para una corriente enriquecida con oxígeno y una salida de nitrógeno para una corriente de nitrógeno; dicha salida de nitrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de nitrógeno del reactor;
La sección de compresión y adsorción de baja presión sirve para comprimir el aire a una presión generalmente de 8 a 20 barg, como por ejemplo de 8 a 10 barg. El aire se limpia en el filtro de entrada del compresor y se comprime normalmente mediante compresores de dos etapas. El valor de presión de salida presenta un óptimo deseado entre los parámetros de diseño típicos para una unidad generadora de nitrógeno y la relación de presión máxima aún manejable por un compresor no adiabático estándar. El aire del compresor se envía, por ejemplo, a un primer almacenamiento en caliente que utiliza una fuente de calor externa a unos 235-250 °C con una temperatura diferencial adecuada para impulsar el calor sensible al aire almacenado.
El aire comprimido generalmente pasa a través de una etapa de eliminación de CO2/H2O. Después de la eliminación de CO2/H2O, el aire purificado ingresa a un posenfriador. Antes de enviarse a un enfriador de aire de proceso, el aire comprimido se enfría previamente en un enfriador por pulverización. Normalmente, la malla de alambre ubicada en la parte superior del enfriador por aspersión actúa como un separador de agua para liberar la corriente de aire de sus componentes de humedad cruda, antes de que ingrese a los adsorbedores de tamices moleculares posteriores. En ciertas configuraciones, se puede prever un TSA (absorbedor de oscilación de temperatura) en lugar de adsorbedores más estándar. Agua, CO2 y los hidrocarburos son absorbidos típicamente por uno de dos adsorbedores de tamiz molecular. Mientras un tamiz molecular está en funcionamiento, el otro puede regenerarse.
De acuerdo con la invención, la planta comprende (d) una sección de compresión y adsorción de aire de baja presión, que tiene una entrada de aire para una alimentación de aire externa y una salida de aire para aire comprimido. Dicha salida de aire está en comunicación de fluidos conmutable con una sección de licuefacción de aire o con una unidad de compresión de aire de alta presión que tiene una salida para aire comprimido en comunicación de fluidos con la sección de licuefacción de aire, dicha sección de licuefacción de aire comprende un turboexpansor configurado para impulsar un generador para proporcionar una primera fuente de energía. Dicha salida de aire opcionalmente está en comunicación de fluidos con una entrada de aire de la unidad proveedora de nitrógeno.
La comunicación de fluidos conmutable anterior permite que la planta funcione en un modo en el que el aire comprimido LP se comprime aún más y en un modo en el que se evita esta compresión HP, y el aire comprimido LP se envía directamente a la sección de licuefacción de aire. En el modo de carga, está disponible energía renovable procedente de una fuente externa. En este modo, la planta se conmuta de manera que el aire comprimido LP se comprime aún más en la unidad de compresión de aire HP. Las presiones operativas en esta unidad generalmente están dentro de un rango de 50 a 200 barg, preferiblemente 100 a 200 barg. Como resultado, la unidad de licuefacción de aire ubicada después de la unidad de compresión HP puede funcionar de manera óptima para establecer el almacenamiento de energía criogénica. En el modo de descarga, se omite la unidad de compresión HP Se entenderá que con ello se reduce el consumo energético de la planta. En particular, la configuración en modo de descarga permite recuperar eficazmente la energía del almacenamiento de energía criogénica, mediante un uso juicioso del aire licuado almacenado en la sección de licuefacción de aire. Como se analiza más adelante, esto implica el uso de aire licuado para recuperar energía de manera efectiva en la sección del generador. La planta está configurada de tal manera que, particularmente cuando funciona en el modo de descarga, la cantidad de aire licuado enviada a la unidad de suministro de nitrógeno se puede reducir en comparación con la operación en el modo de carga. En una realización preferida, la planta comprende una conexión para aire desde el adsorbedor (en la unidad de compresión y adsorción LP) a la unidad de suministro de nitrógeno. Esto permite reducir aún más, o incluso evitar por completo, la utilización de aire licuado en la unidad de suministro de nitrógeno. A su vez, esto permite mejorar la cantidad de aire licuado enviado a la sección del generador, de modo de permitir que dicha sección proporcione una mayor cantidad de energía disponible como segunda fuente de energía.
Preferiblemente, la planta de la presente invención hace uso de un concepto industrial, tal como el utilizado para las unidades de separación de aire, conocido como tecnología de “caja fría”. Las cajas frías son estructuras autoportantes que protegen equipos criogénicos como intercambiadores de calor de placas y aletas soldadas, tambores con núcleo en su interior, columnas de destilación, tuberías, válvulas e instrumentación. En la planta actual, la caja fría se utiliza preferentemente para la generación de nitrógeno (es decir, la unidad proveedora de nitrógeno) combinada con el almacenamiento en frío de amoníaco. Aguas arriba de este último se ha previsto un disipador de frío, preferentemente también integrado en la caja fría, que sirve para despresurizar el amoniaco desde la presión de almacenamiento (normalmente 15-17 barg) a la presión atmosférica.
Se entenderá que el aire limpio y comprimido (ya sea de compresión LP o de compresión HP) ingresa a la caja fría que proporciona aire líquido/nitrógeno. Los adsorbedores de tamiz molecular son recipientes cilíndricos llenos de un relleno de tamiz molecular sostenido entre tamices en las entradas y salidas de aire del relleno. El empaque de tamiz molecular adsorbe la humedad, el dióxido de carbono y los hidrocarburos del aire que fluye a través de él. Como el empaque tiene una capacidad máxima dada para estos componentes, debe regenerarse después de un tiempo determinado. La regeneración se logra pasando una corriente de gas caliente y seco a través del lecho en la dirección opuesta del flujo de aire: después de la regeneración, el adsorbedor debe enfriarse con gas frío y seco. El aire enriquecido purgado de la caja fría se recalienta en una sección de almacenamiento caliente y se utiliza para la regeneración de los adsorbedores.
En el turboexpansor de caja fría se consigue la licuefacción del aire, seguida de una destilación en una columna de rectificación de la corriente de productos (aire/nitrógeno) y una purga de aire enriquecido. La caja fría es una unidad completamente aislada y empaquetada que contiene un intercambiador de calor de placas y aletas donde la corriente de gas y líquido se separa en una serie de pasos, que están separados entre sí por placas planas. El aire se enfría desde aproximadamente la temperatura ambiente hasta la temperatura de licuefacción al mismo tiempo que las corrientes de gas salientes se calientan casi hasta la temperatura del aire entrante. El turboexpansor está diseñado para funcionar casi en condiciones de expansión isentrópica: una entrada radial normalmente puede lograr dichas condiciones con una transferencia eficiente a la generación de energía a través de un generador sincrónico. Se compone de una carcasa, la rueda y el generador ensamblados sobre un eje común y el sistema de alimentación de aceite. La corriente de aire limpio a enfriar entra a la turbina con presión y mueve la rueda, que está acoplada al generador. La expansión del gas a través de la turbina reduce la temperatura del gas en la salida hasta cerca de la temperatura de licuefacción del aire.
De acuerdo con lo anterior, la sección de licuefacción de aire comprende un turboexpansor que está configurado para impulsar un generador para proporcionar una primera fuente de energía. Esta primera fuente de energía, tal como se aplica en el modo de carga, se aplica preferiblemente para complementar la fuente de energía renovable.
En el lado de aire líquido de la sección de licuefacción de aire, una salida está conectada con una entrada de aire de un almacenamiento de aire líquido. Dicho almacenamiento está provisto del aislamiento necesario para mantener un ambiente frío suficiente para conservar el aire en estado líquido. El almacenamiento de aire líquido está configurado como una unidad fundamental para que la planta pueda funcionar en modo de carga y descarga. Para este fin, el almacenamiento de aire líquido tiene una salida cerrable para aire líquido en conexión de fluido con la unidad de suministro de nitrógeno. Al poder cerrarse o abrirse, esta salida permite la elección operativa de proporcionar aire líquido a la unidad proveedora de nitrógeno o no. Preferiblemente, se proporciona una conexión de fluido entre el almacenamiento de aire líquido y la unidad de suministro de nitrógeno que está configurada para ajustar la cantidad de aire líquido enviada a la unidad de suministro de nitrógeno. El almacenamiento de aire líquido tiene además una salida cerrable para aire líquido en conexión de fluido con una sección de generador. Además, esta conexión está configurada preferiblemente para ajustar la cantidad de aire líquido enviado a la sección del generador. Se entenderá que las conexiones cerrables antes mencionadas pueden ser totalmente separadas o pueden combinarse. En el primer caso, el acumulador de aire líquido puede estar provisto de dos salidas cerrables, para las dos conexiones de fluido respectivas. En este último caso, el almacenamiento de aire líquido puede estar provisto de una única salida conectada con una válvula de tres vías u otro sistema que permita cambiar la conexión desde la salida a una o ambas de la unidad de suministro de nitrógeno y la sección del generador. Preferiblemente, dicho interruptor o conexión conmutable está configurado para ajustar las cantidades de aire líquido que fluyen hacia la unidad de suministro de nitrógeno y la sección del generador o hacia ambas.
La sección del generador está configurada para proporcionar una segunda fuente de energía y una corriente de aire expandida. Para ello la sección generadora comprende, en secuencia, un evaporador con fuente de calor, una turbina de expansión conectada mecánicamente a un generador eléctrico y preferiblemente también otro intercambiador de calor. Este último sirve para proporcionar al gas una temperatura adecuada (normalmente de unos 100 °C) para la regeneración de los adsorbedores. La sección del generador tiene opcionalmente una salida de aire en conexión de fluido con una entrada de aire de la unidad proveedora de nitrógeno. Alternativamente, o en combinación con la salida de aire antes mencionada, la sección del generador tiene una salida de aire que permite que el aire expandido de la sección del generador se descargue a la atmósfera, preferiblemente después de ser utilizado para regenerar el adsorbedor o adsorbedores como se mencionó anteriormente. La sección del generador, situada antes de la expansión, se opera generalmente en un rango de presión de 120 a 250 bar, como por ejemplo 180 a 220 bar, por ejemplo, a 200 bar.
La planta dispone de una conexión eléctrica con una fuente de energía renovable y con la primera y segunda fuente de energía. Para que la planta pueda funcionar en modo de carga y en modo de descarga, la planta está provista de una unidad de control eléctrico que está configurada para ser conmutable entre la fuente de energía renovable y la primera y la segunda fuente de energía. Esta unidad de control está configurada para alimentar la planta y para hacerlo con una fuente de energía externa que se basa en energía renovable y con una o ambas de las fuentes de energía proporcionadas internamente.
La fuente de energía renovable se selecciona preferiblemente del grupo que consiste en energía solar, energía eólica, energía hidroeléctrica, energía de las mareas, energía geotérmica, energía de biomasa y combinaciones de las mismas. Por eso, en particular la energía solar y la energía eólica, son propensas a fuertes fluctuaciones, como las causadas por el día y la noche en el caso de la energía solar y las causadas por cambios de temperatura en el caso de la energía solar y la energía eólica. Para aprovechar al máximo la configuración juiciosa de la planta aquí divulgada, la fuente de energía renovable es preferiblemente energía solar, energía eólica o una combinación de ellas.
Además de estar configurada para hacer frente a fluctuaciones en la energía procedente de una fuente de energía renovable, la planta preferiblemente también está configurada para tener en cuenta la gestión del calor, preferiblemente una gestión del calor mejorada.
Para este fin, la planta comprende preferiblemente una unidad de almacenamiento de calor que está configurada para recibir calor de varias unidades, según lo proporcionado por los pasos del proceso asociados. Estas unidades incluyen el reactor catalítico, la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión y la unidad de compresión de aire de alta presión. La unidad de almacenamiento de calor está configurada para proporcionar calor a la sección del generador, es decir, la sección que sirve como fuente de energía interna adicional durante el funcionamiento de la planta en el modo de descarga.
A continuación, se explicará el funcionamiento de la planta en operaciones de carga y descarga con referencia a los procesos para los cuales está configurada para ser operada.
En términos generales, el presente proceso se lleva a cabo como un proceso sustancialmente continuo para la producción de amoníaco. Este proceso se lleva a cabo en modo de carga en momentos en que una fuente de energía renovable es abundante y en modo de descarga en otros momentos.
Durante el modo de carga, el aire se comprime en una etapa LP (preferiblemente a aproximadamente 10 barg) y el calor producido se almacena preferiblemente en una unidad de almacenamiento de calor. La unidad de almacenamiento de calor también almacena calor de la reacción del nitrógeno y el hidrógeno para formar amoníaco. El aire LP pasa a través de un adsorbedor a una etapa de compresión HP donde el aire se comprime, preferiblemente a aproximadamente 150 barg, se enfría y se convierte en aire líquido para su almacenamiento en un tanque de almacenamiento. Luego, se alimenta aire líquido a la unidad de suministro de nitrógeno, normalmente una unidad de separación de aire (ASU) o una unidad de generación de nitrógeno (NGU), para proporcionar una corriente de nitrógeno suficiente para el funcionamiento completo del reactor de síntesis de amoníaco. En este modo, la unidad de electrólisis funciona con una fuente de energía renovable para proporcionar la corriente de hidrógeno necesaria. En una realización alternativa, el aire para la ASU o NGU se extrae de la salida del adsorbedor en lugar de como aire líquido del almacenamiento.
Durante el modo de descarga, el reactor de síntesis de amoníaco funciona a un ritmo más bajo. Por lo general, esto supondrá una reducción de entre el 30 % y el 90 %, como por ejemplo entre el 40 % y el 80 %, o entre el 50 % y el 70 % del modo de carga. Esto permite que la unidad de suministro de nitrógeno (como ASU o NGU) y la unidad de electrólisis también funcionen a velocidades más bajas. La tasa reducida de la unidad suministradora de nitrógeno corresponde a un menor requerimiento de aire líquido para esta unidad. Esto permite omitir la etapa de compresión de HP Se extrae una menor cantidad de aire líquido del tanque de aire líquido, suficiente para satisfacer los menores requerimientos de nitrógeno de la ASU/NGU. Se extrae una mayor cantidad de aire líquido del tanque de almacenamiento, se comprime, se calienta y se expande mediante un generador. La presión en este caso se encuentra generalmente en un rango de desde aproximadamente 100 barg a aproximadamente 250 barg, tal como 180 barg a 220 barg, por ejemplo, 200 barg. La temperatura generalmente oscila entre 250 °C y 650 °C, por ejemplo, entre 500 °C y 600 °C. Las presiones y temperaturas más altas conllevan la ventaja de una mayor potencia de salida.
El generador proporciona la electricidad para operar el proceso durante el modo de descarga, incluido el funcionamiento de la unidad de electrólisis. En una realización alternativa, el suministro de aire a la ASU/NGU se proporciona desde el aire expandido en lugar de desde aire líquido, como se discutió anteriormente con referencia a la posible conexión de aire desde la sección de compresión y adsorción de LP a la sección de suministro de nitrógeno.
Opcionalmente, el aire expandido se utiliza para regenerar el adsorbedor (por ejemplo, se operan dos columnas en paralelo, una en funcionamiento y otra en regeneración, y se alternan).
Así, en el modo de carga, el proceso comprende operar la unidad de electrólisis con energía procedente de la fuente de energía renovable para proporcionar el hidrógeno. Preferiblemente, el proceso también comprende almacenar calor proveniente de la compresión de aire en la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión y de la reacción del nitrógeno y el hidrógeno en el reactor catalítico, en la unidad de almacenamiento de calor.
En el modo de descarga, el aire comprimido LP se envía a la sección de licuefacción de aire. En este modo, el aire se alimenta desde el almacenamiento de aire líquido a la sección del generador, expandiendo así el aire para proporcionar una segunda fuente de energía y aire expandido. Este aire expandido, posiblemente además del aire del almacenamiento de aire licuado, se alimenta a la unidad de suministro de nitrógeno. El proceso comprende adaptar la velocidad de funcionamiento de la unidad de suministro de nitrógeno, la unidad de electrólisis y el reactor catalítico de acuerdo con la cantidad de aire disponible para la unidad de suministro de nitrógeno. El modo de descarga implica el funcionamiento de la unidad de control para alimentar el proceso mediante la primera y la segunda fuente de energía.
Se entenderá que se pueden aplicar una variedad de fuentes de energía combinadas. Por ejemplo, es concebible que también en el modo de descarga esté disponible algo de energía procedente de una fuente de energía externa renovable, además de la energía proporcionada por la sección del generador. El experto podrá ajustar el funcionamiento de la planta de acuerdo con lo anterior. Por ejemplo, teniendo una tasa de operación menos reducida en la unidad proveedora de nitrógeno (y, de acuerdo con lo anterior, las otras unidades de proceso químico).
Como se describió anteriormente, en un aspecto adicional la invención también se puede aplicar en un método de modificación de una planta preexistente para la producción de amoníaco (es decir, un método de renovación). Las plantas de amoníaco preexistentes generalmente serán plantas de amoníaco “grises”, que funcionarán con hidrógeno producido a partir de hidrocarburos. Por lo general, una planta de amoníaco preexistente incluirá las secciones correspondientes, incluidas la eliminación de azufre, la conversión catalítica por desplazamiento, la eliminación de dióxido de carbono y la metanización catalítica. Independientemente de que dichas secciones permanezcan operativas como fuente alternativa de hidrógeno en dicha planta, el método de modernización de la presente invención servirá para añadir una unidad de electrólisis de agua como se ha descrito anteriormente, así como la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión y el almacenamiento de aire líquido, todo ello configurado como se ha descrito anteriormente. Se entenderá que el método de renovación requiere disponer que la planta tenga una conexión de energía con una fuente de energía renovable, así como con la primera y segunda fuentes de energía descritas anteriormente, y configurar la unidad de control eléctrico de manera que sea conmutable entre la fuente de energía renovable y la primera y segunda fuentes de energía, incluidas combinaciones de las mismas. El método comprende preferiblemente añadir cualquier unidad y/o conexión a la planta preexistente que permita que la modernización dé como resultado una planta como la descrita anteriormente en cualquiera de sus realizaciones.
Preferiblemente, la planta de la invención se construye como una planta nueva, de base. De hecho, una ventaja de la planta actual es que requiere mucha menos tecnología de conversión química que las plantas de amoníaco “gris”. Como resultado, se puede construir en una gran variedad de escalas deseadas y en una gran variedad de ubicaciones.
En resumen, la divulgación se refiere a una planta para la producción de amoniaco. El amoniaco se produce a partir del hidrógeno obtenido por electrólisis del agua. La electrólisis se alimenta de una fuente de energía renovable, complementada con energía obtenida de la planta durante períodos de baja o nula disponibilidad de la energía renovable. Para ello, la planta está configurada de tal forma que puede operar en una configuración de carga (obteniendo y almacenando energía) y una configuración de descarga (empleando dicha energía).
La invención se ilustra a continuación con más detalle con referencia a los dibujos no limitativos que se describen a continuación. Las unidades y corrientes que se muestran en los dibujos son representaciones generales. Además, a modo de ejemplo de cómo llevar a cabo la invención, se dan a continuación números específicos para posibles cantidades, presiones y temperaturas en varias etapas. La divulgación de las realizaciones de la planta y el proceso de la invención no está expresamente limitada por dichos números específicos.
La Figura 1 es un dibujo esquemático que ilustra una configuración de modo de carga aplicada a una planta de la invención. Aire (corriente (a), entrada total de aire 215000 Nm3/h) se comprime a 10 bar a 170 °C en un compresor LP (1); mediante calentamiento a 230 °C en un primer intercambiador de calor (2) y enfriamiento a 60-80 °C en un segundo intercambiador de calor (3), el aire comprimido LP (b) se conduce, a través de una sección de adsorción (4), a un compresor HP (5), donde se comprime a 150 bar a 550 °C. En un intercambiador de calor (6), el aire comprimido HP (c) se enfría a 100 °C y se envía a una sección de caja fría (7). En un turboexpansor (8) posterior, que opcionalmente se incluye en la sección de caja fría, el aire se licúa y se envía (corriente (d); 215000 Nm3/h) a un tanque de almacenamiento de aire líquido (9); el turboexpansor está configurado para accionar un generador (10), que proporciona una primera fuente de energía que produce 2 4 MW El aire líquido (d) del tanque de almacenamiento (9) se conecta a través de una bomba (11), normalmente una criobomba, a una unidad de suministro de nitrógeno (12), a una velocidad de 8.74 t/h, lo que da como resultado una producción de nitrógeno de 2810 Nm3/h. El modo de carga que se muestra normalmente funciona durante un período de 12 horas.
La Figura 2 es un dibujo esquemático que ilustra una configuración de modo de carga alternativo-aplicada a una planta de la invención. Aire (corriente (a), entrada total de aire 222000 Nm3/h) se comprime a 10 bar a 170 °C en un compresor LP (1); mediante calentamiento a 230 °C en un primer intercambiador de calor (2) y enfriamiento a 60-80 °C en un segundo intercambiador de calor (3), el aire comprimido LP (b) se conduce a través de una sección de adsorción (4). De allí, parte del aire comprimido LP a 9.5 barg y 40 °C (corriente (b'), 7000 Nm3/h) se envía a una unidad de suministro de nitrógeno (12), lo que da como resultado una producción de nitrógeno de 2810 Nm3/h). La porción restante del aire comprimido LP (b”) se envía a un compresor HP (5), donde se comprime a 150 bar a 550 °C. En un intercambiador de calor (6), el aire comprimido HP (c) se enfría a 100 °C y se envía a una sección de caja fría (7). En un turboexpansor posterior (8) el aire se licúa y se envía (corriente (d); 215000 Nm3/h) a un tanque de almacenamiento de aire líquido (9); el turboexpansor está configurado para accionar un generador (10), que proporciona una primera fuente de energía que produce 2-4 MW. El modo de carga que se muestra normalmente funciona durante un período de 12 horas.
La Figura 3 es un dibujo esquemático que ilustra una configuración del modo de descarga aplicada a una planta de la invención. Aire (corriente (a), entrada total de aire 5000 Nm3/h) se comprime a 10 bar a 170 °C en un compresor LP (1); mediante calentamiento a 230 °C en un primer intercambiador de calor (2) y enfriamiento a 60-80 °C en un segundo intercambiador de calor (3), el aire comprimido LP (b) se conduce a través de una sección de adsorción (4) a una sección de caja fría (7). En un turboexpansor (8) posterior, el aire se licúa y se envía (corriente (d); 215000 Nm3/h) a un tanque de almacenamiento de aire líquido (9); el turboexpansor está configurado para accionar un generador (10), que proporciona una primera fuente de energía. Una primera corriente de aire líquido (d') procedente del tanque de almacenamiento (9) se conecta a través de una bomba (11) a una unidad suministradora de nitrógeno (12), a un caudal de 8.74 t/h, dando como resultado una producción de nitrógeno de 2810 Nm3/h. Una segunda corriente de aire líquido (d”) se envía, a un caudal de 250 t/h, a otro compresor (13) y se comprime con calentamiento a través del intercambiador de calor (14). El aire comprimido resultante (corriente (e) a 200 bar y 550 °C) se envía a una sección de generador (15). Esta sección produce una corriente de aire expandida (f) que se lleva a una temperatura de 100 °C por medio de un intercambiador de calor (17) y se utiliza para la regeneración del adsorbedor o adsorbedores en la sección del adsorbedor (4) y se ventila a la atmósfera (no se muestra). La sección del generador está configurada para accionar un generador (16), que proporciona una segunda fuente de energía que produce 44 MW. El modo de descarga que se muestra normalmente funciona durante un período de 12 horas.
La Figura 4 es un dibujo esquemático que ilustra una configuración de modo de descarga alternativo aplicado a una planta de la invención. Aire (corriente (a), entrada total de aire 5000 Nm3/h) se comprime a 10 bar a 170 °C en un compresor LP (1); mediante calentamiento a 230 °C en un primer intercambiador de calor (2) y enfriamiento a 60-80 °C en un segundo intercambiador de calor (3), el aire comprimido LP (b) se conduce a través de una sección de adsorción (4) a una sección de caja fría (7). En un turboexpansor posterior (8) el aire se licúa y se envía (corriente (d); 215000 Nm3/h) a un tanque de almacenamiento de aire líquido (9); Se extrae aire del tanque de almacenamiento, con lo que se envía una corriente de aire líquido (d”), a un ritmo de 250 t/h a otra bomba (13) y se presuriza, con calentamiento a través de un intercambiador de calor (14). El aire comprimido resultante (corriente (e) a 200 bar y 550 °C) se envía a una sección de generador (15). Esta sección produce una corriente de aire expandida, parte de la cual (corriente (f) de 5000 Nm3/h a 9.5 bar y 40 °C se envía a la unidad de suministro de nitrógeno (12), lo que da como resultado una producción de nitrógeno de 2000 Nm3/h. Otra parte de la corriente de aire expandida (f”) se lleva a una temperatura de 100 °C por medio de un intercambiador de calor (17) y se utiliza para la regeneración de adsorbedores (18) y se ventila a la atmósfera. La sección del generador está configurada para accionar un generador (16), que proporciona una segunda fuente de energía que produce 44 MW. El modo de descarga que se muestra normalmente funciona durante un período de 12 horas.
La Figura 5 representa esquemáticamente una planta de amoniaco de la invención. Las corrientes de síntesis de amoníaco se representan como líneas continuas. De acuerdo con lo anterior, el amoníaco se produce y se almacena en una sección de síntesis de amoníaco y almacenamiento de producto (501) de la que se puede obtener una corriente de producto de amoníaco (5a). La sección de producción y almacenamiento de amoníaco comprende un reactor (no mostrado) al que se puede alimentar nitrógeno e hidrógeno. En el proceso, el nitrógeno (5b) se puede obtener de una o ambas de una unidad de almacenamiento de nitrógeno líquido (502) o una unidad de suministro de nitrógeno (503), que están ambas conectadas con la sección de síntesis de amoníaco y almacenamiento de producto (501). El hidrógeno (5c) se produce a partir de agua (entrada no mostrada) en una unidad de electrólisis (504) que está conectada con la sección de síntesis de amoníaco y almacenamiento de producto (501). La planta cuenta además con una entrada de aire, que se somete a compresión a baja presión en una unidad de compresión LP (505). La unidad de compresión LP (505) tiene una conexión conmutable con una unidad de compresión HP (506), lo que permite comprimir aún más el aire comprimido LP (5d) para obtener aire comprimido HP (5e). La unidad de compresión HP (506) está conectada con una sección de licuefacción de aire que comprende una unidad de refrigeración (507) conectada con un turboexpansor (508), permitiendo así que el aire HP enfriado (5f) se expanda, generando así energía (no se muestra) y aire líquido (5g). El turboexpansor (508) tiene una conexión para aire líquido (5g) con una unidad de almacenamiento de aire líquido (509). La unidad de almacenamiento de aire líquido (509) tiene una conexión cerrable (otras conexiones opcionales no se muestran) para aire líquido (5g) con una sección de generador que comprende una unidad de compresión de aire líquido (510) conectada con una unidad de evaporación (511) que está conectada además con un turboexpansor (512), permitiendo de este modo que el aire líquido (5g) obtenido de la unidad de almacenamiento de aire líquido (509) se comprima en aire líquido comprimido (5h), a 200 bar de presión, y se evapore para dar lugar a una corriente de aire (5i) que se somete a expansión en dicho turboexpansor (512). De acuerdo con lo anterior, se puede enviar una corriente de aire (5h) a la unidad suministradora de nitrógeno (503) que tiene una conexión conmutable con la sección del generador, es decir, con el turboexpansor (512). La unidad de suministro de nitrógeno (503) también tiene una conexión conmutable en un lado después de la unidad de compresión LP (505), lo que permite enviar aire comprimido LP (5d) a la unidad de suministro de nitrógeno (503).
La Figura muestra además las conexiones térmicas (5j) y (5k), y las conexiones de potencia (5l), (5m) y (5n).
De acuerdo con lo anterior, la planta comprende una sección de almacenamiento en caliente (513), que está en comunicación térmica con la unidad de compresión LP (505), la unidad de compresión HP (506) y la unidad turboexpansora (512) de la sección de generador, permitiendo el intercambio de calor (5j) con una cualquiera o más de estas unidades. La planta comprende además una sección de almacenamiento en frío (514), que está en comunicación térmica con una o más de las unidades de refrigeración (507), la unidad de evaporación (511) y la sección de síntesis de amoníaco y almacenamiento de producto (501). Esta comunicación térmica es criogénica y, preferiblemente, se encuentra en su totalidad en una sección de caja fría. De este modo se mantienen temperaturas criogénicas para corrientes frías (5k) entre un sumidero frío de la sección de síntesis de amoníaco y almacenamiento de producto (501), la unidad de evaporación de aire líquido (511) y dicha sección de almacenamiento en frío (515).
Las conexiones de energía que se muestran se relacionan con la energía generada por el proceso llevado a cabo en la planta y la energía proveniente de energía renovable. De acuerdo con lo anterior, una unidad de energía renovable (515) proporciona energía (5l) a la unidad de electrólisis (504). La última unidad posiblemente también recibe energía (5m) de la sección del generador. La potencia de salida de la planta puede gestionarse mediante una unidad de salida de potencia (516), y posiblemente también se utiliza para alimentar la sección de síntesis de amoníaco y almacenamiento de producto (501).

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una planta para la producción de amoniaco, dicha planta comprende:
(a) un reactor catalítico que tiene una entrada de nitrógeno para una alimentación de nitrógeno, una entrada de hidrógeno para una alimentación de hidrógeno y una salida de amoníaco para el amoníaco producido;
(b) una unidad de electrólisis que tiene una entrada de agua para una alimentación de agua, una salida de oxígeno para el oxígeno y una salida de hidrógeno para el hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor;
(c) una unidad de suministro de nitrógeno que tiene al menos una entrada de aire para una corriente de aire, una salida de oxígeno para una corriente enriquecida con oxígeno y una salida de nitrógeno para una corriente de nitrógeno; dicha salida de nitrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de nitrógeno del reactor;
(d) una sección de compresión y adsorción de aire de baja presión, que tiene una entrada de aire para una alimentación de aire externa y una salida de aire para aire comprimido LP, dicha salida de aire opcionalmente está en comunicación de fluidos con una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno y está en comunicación de fluidos conmutable con una sección de licuefacción de aire, o una unidad de compresión de aire de alta presión que tiene una salida para aire comprimido en comunicación de fluidos con la sección de licuefacción de aire, dicha sección de licuefacción de aire comprende un turboexpansor configurado para impulsar un generador para proporcionar una primera fuente de energía;
(e) un almacenamiento de aire líquido que tiene una entrada de aire líquido para aire líquido obtenido de la sección de licuefacción de aire, una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con la unidad de suministro de nitrógeno, y una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con una sección de generador configurada para proporcionar una segunda fuente de energía y una corriente de aire expandida;
(f) una unidad de control eléctrico configurada para alimentar la planta;
en la que la planta tiene una conexión eléctrica con una fuente de energía renovable y con la primera y segunda fuentes de energía, y en la que la unidad de control eléctrico está configurada para ser conmutable entre la fuente de energía renovable y la primera y segunda fuentes de energía, incluyendo combinaciones de las mismas.
2. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
(g) una unidad de almacenamiento de calor que está configurada para recibir calor de una unidad de producción de calor seleccionada del grupo que consiste en el reactor catalítico, la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión, la unidad de compresión de aire de alta presión y combinaciones de los mismos, dicha unidad de almacenamiento de calor está configurada para proporcionar calor a la sección del generador.
3. Una planta de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en la que la fuente de energía renovable se selecciona del grupo que consiste en energía solar, energía eólica, energía hidroeléctrica, energía de las mareas, energía geotérmica, energía de biomasa y combinaciones de las mismas.
4. Una planta de acuerdo con la reivindicación 3, en la que la fuente de energía renovable es energía solar, energía eólica o una combinación de las mismas.
5. Una planta de acuerdo con la reivindicación 4, en la que la energía renovable es exclusivamente energía solar.
6. Una planta de acuerdo con la reivindicación 5, en la que la salida de aire para aire comprimido LP está en comunicación de fluidos con una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno.
7. Una planta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la sección de generador tiene una salida de aire en conexión de fluido con una entrada de aire de la unidad proveedora de nitrógeno.
8. Un proceso para la producción de amoníaco, llevándose a cabo el proceso en una planta de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende las etapas de:
(i) obtener al menos parte del nitrógeno de la unidad proveedora de nitrógeno;
(ii) obtener al menos parte del hidrógeno de la unidad de electrólisis;
(iii) hacer reaccionar el nitrógeno y el hidrógeno en el reactor catalítico en condiciones de formación de amoníaco;
el proceso comprende operar la planta en un modo de carga, dicho modo de carga comprende comprimir aire en la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión para proporcionar aire comprimido LP; comprimir el aire comprimido LP en la unidad de compresión de aire de alta presión para proporcionar aire comprimido HP, someter el aire comprimido HP a expansión y licuefacción en el turboexpansor para obtener aire licuado; almacenar el aire licuado en el almacenamiento de aire líquido; alimentar aire desde el almacenamiento de aire líquido y/o alimentar aire desde la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión a la unidad de suministro de nitrógeno;
en el que el proceso comprende operar la unidad de electrólisis con energía de la fuente de energía renovable para proporcionar el hidrógeno.
9. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende almacenar calor proveniente de la compresión de aire en la sección de compresión y adsorción de aire de baja presión y de la reacción del nitrógeno y el hidrógeno en el reactor catalítico, en una unidad de almacenamiento de calor.
10. Un proceso para la producción de amoníaco, llevándose a cabo el proceso en una planta como se describe en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende los pasos de:
(iv) obtener al menos parte del nitrógeno de la unidad proveedora de nitrógeno;
(v) obtener al menos parte del hidrógeno de la unidad de electrólisis;
(vi) hacer reaccionar el nitrógeno y el hidrógeno en el reactor catalítico en condiciones de formación de amoníaco;
el proceso comprende operar la planta en modo de descarga, comprimiendo aire en la sección de compresión y adsorción de aire a baja presión para proporcionar aire comprimido LP; enviando el aire comprimido LP a la sección de licuefacción de aire; sometiendo el aire comprimido LP a expansión y licuefacción en el turboexpansor para obtener aire licuado; dicho turboexpansor proporciona una primera fuente de energía; almacena el aire licuado en el almacenamiento de aire líquido; alimentando aire desde el almacenamiento de aire líquido a la sección del generador, expandiendo así el aire para proporcionar una segunda fuente de energía y aire expandido, alimentando la unidad de suministro de nitrógeno con aire desde uno o ambos del almacenamiento de aire líquido y el aire expandido, en el que el proceso comprende adaptar la tasa de operación de la unidad de suministro de nitrógeno, la unidad de electrólisis y el reactor catalítico de acuerdo con la cantidad de aire disponible para la unidad de suministro de nitrógeno, y operando la unidad de control para alimentar el proceso con la primera y la segunda fuentes de energía.
11. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende utilizar calor de una unidad de almacenamiento de calor que está configurada para recibir calor de una unidad de producción de calor seleccionada del grupo que consiste en el reactor catalítico, la sección de compresión y adsorción de aire a baja presión, la unidad de compresión de aire a alta presión y combinaciones de las mismas, el proceso comprende utilizar calor de dicha unidad de almacenamiento de calor para calentar el aire en la sección de generador.
12. Un método para modificar una planta preexistente para la producción de amoníaco, dicha planta preexistente comprende:
- un reactor catalítico que tiene una entrada de nitrógeno para una alimentación de nitrógeno, una entrada de hidrógeno para una alimentación de hidrógeno y una salida de amoníaco para el amoníaco producido;
- una sección de suministro de hidrógeno que tiene una salida de hidrógeno para hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor;
- una unidad de suministro de nitrógeno que tiene al menos una entrada de aire para una corriente de aire, una salida de oxígeno para una corriente enriquecida con oxígeno y una salida de nitrógeno para una corriente de nitrógeno; dicha salida de nitrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de nitrógeno del reactor;
- una unidad de control eléctrico configurada para alimentar la planta;
el método comprende añadir a la planta preexistente:
- una unidad de electrólisis que tiene una entrada de agua para una alimentación de agua, una salida de oxígeno para oxígeno y una salida de hidrógeno para hidrógeno, dicha salida de hidrógeno está en comunicación de fluidos con la entrada de hidrógeno del reactor;
- una sección de compresión y adsorción de aire de baja presión, que tiene una entrada de aire para una alimentación de aire externa y una salida de aire para aire comprimido LP, dicha salida de aire está opcionalmente en comunicación de fluidos con una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno y está en comunicación de fluidos conmutable con una sección de licuefacción de aire, o una unidad de compresión de aire de alta presión que tiene una salida para aire comprimido en comunicación de fluidos con la sección de licuefacción de aire, dicha sección de licuefacción de aire comprende un turboexpansor configurado para impulsar un generador para proporcionar una primera fuente de energía;
- un almacenamiento de aire líquido que tiene una entrada de aire líquido para aire líquido obtenido de la sección de licuefacción de aire, una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con la unidad de suministro de nitrógeno, y una salida cerrable para aire líquido en conexión fluida con una sección de generador configurada para proporcionar una segunda fuente de energía y una corriente de aire expandida; dicha sección de generador tiene una salida de aire en conexión fluida con una entrada de aire de la unidad de suministro de nitrógeno;
y disponer que la planta tenga una conexión eléctrica con una fuente de energía renovable y con la primera y segunda fuentes de energía, y configurar la unidad de control eléctrico de manera que sea conmutable entre la fuente de energía renovable y la primera y segunda fuentes de energía, incluidas combinaciones de las mismas.
13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende además añadir a la planta preexistente una unidad de almacenamiento de calor que está configurada para recibir calor de una unidad de producción de calor seleccionada del grupo que consiste en el reactor catalítico, la sección de compresión y adsorción de aire a baja presión, la unidad de compresión de aire a alta presión y combinaciones de las mismas, dicha unidad de almacenamiento de calor está configurada para proporcionar calor a la sección de generador.
14. Un método de acuerdo con la reivindicación 12 o 13, que comprende añadir una conexión para la comunicación de fluidos entre la salida de aire para aire comprimido LP con una entrada de aire de la unidad proveedora de nitrógeno.
15. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, que comprende añadir una conexión para la comunicación de fluidos entre una salida de aire de la sección del generador con una entrada de aire de la unidad proveedora de nitrógeno.
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