ES3040811T3 - Dual pressure system for producing nitric acid and method of operating thereof - Google Patents

Dual pressure system for producing nitric acid and method of operating thereof

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ES3040811T3 ES22768822T ES22768822T ES3040811T3 ES 3040811 T3 ES3040811 T3 ES 3040811T3 ES 22768822 T ES22768822 T ES 22768822T ES 22768822 T ES22768822 T ES 22768822T ES 3040811 T3 ES3040811 T3 ES 3040811T3
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Smet Andre De
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Abstract

Sistema de doble presión para la producción de ácido nítrico y su método de operación. La presente invención describe un sistema para la producción de ácido nítrico con un consumo energético reducido. El sistema comprende: un compresor de aire, que proporciona una corriente de aire comprimido; una fuente de gas rico en oxígeno presurizado, a una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, en comunicación fluida con esta, para generar una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido; un aparato de mezcla para combinar dicha mezcla con una corriente de gas amoníaco; un convertidor de amoníaco, que genera una mezcla de NOx y vapor; un enfriador/condensador de agua para separar y condensar el vapor del NOx presente en la mezcla gaseosa de NOx y vapor; un compresor de NOx, que comprime la corriente gaseosa de NOx; y una torre de absorción, aguas abajo del enfriador/condensador de agua, que genera una corriente de gas residual NOx crudo que contiene ácido nítrico y un gas de cola que contiene gases NOx. El sistema se caracteriza además porque comprende medios para dividir el gas de cola en una primera corriente de gas de cola en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas de cola y una segunda corriente de gas de cola con una presión P1 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; y medios para ajustar la cantidad de gas de cola que se divide en la primera y la segunda corriente de gas de cola. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

D E S C R I P C I Ó N
Sistema de doble presión para la producción de ácido nítrico y método de funcionamiento del mismo
Campo de la invención
La presente divulgación se refiere al campo de la producción de ácido nítrico en una planta de doble presión.
Introducción
El ácido nítrico puro es un líquido transparente e incoloro con un olor fuerte. El ácido nítrico se produce en grandes cantidades principalmente mediante la oxidación catalítica del amoníaco (proceso de Ostwald). El amoníaco se convierte en ácido nítrico en dos etapas. El amoníaco se oxida primero en un quemador de amoníaco sobre mallas de platino (comúnmente llamado convertidor de amoníaco), lo que produce óxido nítrico (en esta divulgación también llamado monóxido de nitrógeno (NO) y agua:
4 NH3 (g) 502 (g) -> 4 NO (g) 6 H20 (g) (1)
El producto de reacción de (1), óxido nítrico, tras el enfriamiento, se oxida a dióxido de nitrógeno (NO2) y posteriormente a tetróxido de dinitrógeno N2O4 (g) en una sección de oxidación:
2 N 0 (g )+ 02 (g ) - 2 N 02 (g) (2)
2 N02 (g)- >N204 (g) (3)
El enfriamiento de los gases de óxido de nitrógeno se logra primero mediante el uso de un sistema de recuperación de calor residual que recupera el calor de la conversión de amoníaco en óxido nítrico, y luego mediante el uso de un condensador más frío donde el ácido nítrico condensado se separa del óxido nítrico, el dióxido de nitrógeno, el tetróxido de dinitrógeno y los gases de ácido nítrico, denominados colectivamente gases NOx. Finalmente, se calienta el gas de cola liberado a la salida de la torre de absorción, donde se absorben los gases NOx.
Mediante la absorción en agua, tras la compresión mediante un compresor de gases NOx, el dióxido de nitrógeno y el tetróxido de dinitrógeno se convierten en ácido nítrico y óxido nítrico:
3 N02 (g) H20 (I) -► 2 HN03(aq) NO(g) (4)
3 N204 (g) 2 H20 (I) -+ 4 HN03 (aq) 2 NO (g) (5)
Se obtiene ácido nítrico débil, con una concentración de hasta el 68 % (azéotropo). Mediante un proceso de rectificación, la concentración de ácido nítrico puede aumentarse hasta un 99 %. La reacción total se obtiene mediante la siguiente fórmula:
NH3 202 -> HN03 H20 (6)
Las principales unidades de proceso en una planta de producción de ácido nítrico incluyen un convertidor de amoníaco (conversión de amoníaco en óxidos nítricos mediante oxígeno sobre un catalizador adecuado), una sección de oxidación (conversión de óxido nítrico en dióxido de nitrógeno y tetróxido de nitrógeno), una unidad de absorción (para la absorción de gases NOx en agua) y una unidad de blanqueo (eliminación de los gases disueltos no reaccionados, que contienen en particular NOx y otros gases, de la solución acuosa de ácido nítrico, lo que le confiere su característico color marrón).
El proceso de producción de ácido nítrico se puede diferenciar en un proceso de monopresión (presión simple) y un proceso de doble presión (presión dividida).
En un proceso de monopresión, el convertidor y la unidad de absorción operan aproximadamente a la misma presión de trabajo. Este proceso de doble presión generalmente incluye procesos de baja presión o LP, de 2 a 6 bar, y procesos de alta presión o HP, de 6 a 16 bar, en particular de 9 a 16 bar.
En un proceso de doble presión, la unidad de absorción opera a una presión de trabajo mayor que la del convertidor de amoníaco. Los procesos modernos de doble presión incluyen un convertidor de amoníaco de baja presión (LP), que opera típicamente de 2 a 6 bar, y una unidad de absorción de alta presión (HP), que opera de 9 a 16 bar.
Un proceso de doble presión requiere un compresor de aire para alimentar aire a baja presión (que comprende aproximadamente un 21 % vol. de oxígeno) al convertidor, y un compresor de gas NOx para alimentar gases NOx a alta presión a la unidad de absorción. La presión de trabajo de un compresor de aire es de 2 a 6 bar, ambos inclusive, y la presión de trabajo de un compresor de gas NOx es de 9 a 16 bar, ambos inclusive.
La potencia del compresor de aire suele provenir de una turbina de gas de cola y una turbina de vapor o un motor eléctrico. Por consiguiente, el tren de compresión de una planta de producción de ácido nítrico de doble presión suele estar compuesto por un compresor de aire, un compresor de gas NOx, una turbina de gas de cola y una turbina de vapor o un motor eléctrico.
Más detalladamente, en referencia a la Figura 1, una planta y un proceso de doble presión, según la técnica anterior, funcionan de la siguiente manera: El amoníaco gaseoso 32, opcionalmente precalentado en una unidad de precalentamiento (no mostrada), se mezcla con aire comprimido 34 presurizado a baja presión mediante un compresor de aire 36 que opera a baja presión de gas, en un aparato mezclador 35. La mezcla resultante de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno 14 se alimenta a un convertidor de amoníaco 37, que opera a baja presión, donde el amoníaco se oxida sobre un catalizador adecuado, obteniendo así una mezcla de gas/vapor de NOx LP 15, compuesta por agua y óxido nítrico (NO). El calor de la mezcla que sale del convertidor de amoníaco se recupera, tras lo cual la mezcla de gas/corriente de NOx se enfría posteriormente en un enfriador/condensador de agua 38 a la temperatura en la que el agua se condensa, y una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17 se separa de una corriente gaseosa de NOx 18. La corriente gaseosa de NOx LP se oxida aún más para convertir el NO en NO2 y N2O4, y opcionalmente se enfría de nuevo en un enfriador/separador 39 para separar otra mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17, que se dirige a una torre de absorción 41, comúnmente llamada torre de absorción. En el otro extremo, la corriente gaseosa de NOx 22 se envía a un compresor de gas de NOx 40, donde su presión se eleva de baja a alta, aproximadamente igual a la presión de funcionamiento de la unidad de absorción, y la corriente gaseosa de NOx presurizada 24 también se envía a la unidad de absorción 41. Dentro de la unidad de absorción 41, el gas NOx de alta presión reacciona con agua para producir el gas de cola 5 y una corriente de ácido nítrico crudo 27 que también contiene gas NOx residual, que se alimenta a un blanqueador (no mostrado). El gas NOx residual en la corriente de ácido nítrico crudo 27 se elimina posteriormente con un medio gaseoso (no mostrado), como un gas oxigenado o aire, dentro de la unidad de blanqueado (no mostrada), que opera a baja presión. La unidad de blanqueado generalmente opera aproximadamente a la misma presión que el convertidor de amoníaco. La potencia de accionamiento tanto del compresor de aire 36 como del compresor de gas NOx 40 proviene de un expansor de gas de cola 7 y una turbina de vapor 51 o un motor eléctrico (no mostrado). El calor generado en el convertidor de amoníaco 37 o de la corriente gaseosa de NOx 15 se utiliza opcionalmente para calentar el gas de cola 5 en el calentador de gas de cola 43, que por lo tanto está disponible opcionalmente. El vapor de la corriente gaseosa de NOx 24 también puede utilizarse para generar energía a partir de una turbina de vapor 51. El gas residual 5, opcionalmente calentado, se expande en el expansor de gas residual 7.
El aire utilizado para la oxidación del amoníaco se denomina comúnmente aire primario; el aire utilizado como medio de extracción en la unidad de blanqueo se denomina comúnmente aire secundario.
De acuerdo con el estado de la técnica, la modernización de las plantas de producción de ácido nítrico para aumentar su capacidad se basa habitualmente en el aumento de la cantidad de aire primario que llega al reactor, lo que conlleva un aumento proporcional de la cantidad de ácido nítrico producido.
El aumento de la cantidad de aire primario en el reactor implica la instalación de un nuevo compresor de aire o la modernización del existente. El aumento de aire primario también provoca que se procese posteriormente una mayor cantidad de gas en el compresor de gas NOx. Esto implica la modernización adicional del compresor de gas NOx o la instalación de uno nuevo, y la modificación o sustitución del gas residual, las turbinas de vapor o el motor eléctrico. De lo contrario, el compresor de gas NOx alcanzaría fácilmente su límite de proceso, convirtiéndose así en un cuello de botella de la planta.
Sin embargo, la modernización presenta importantes inconvenientes. En primer lugar, implica elevados costes para la modificación o sustitución del equipo existente, es decir, el compresor de aire, el compresor de gas NOx y las turbinas y el motor eléctrico correspondientes. Además, la modernización del equipo también es técnicamente exigente, lo que provoca largos periodos de inactividad de la planta.
Otro problema relacionado con las plantas de producción de ácido nítrico es el elevado consumo de energía necesario para el funcionamiento del compresor de aire. En consecuencia, se requiere una gran cantidad de energía para alcanzar el objetico de la producción de ácido nítrico.
Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema y un método para su funcionamiento que permita reducir la potencia necesaria para el funcionamiento del compresor de aire en una planta dual de ácido nítrico.
Antecedentes de la técnica anterior
En el documento CN110540178A (China Chengda Engineering Co Ltd, 2019), se describe un proceso para la producción de ácido nítrico. El ácido nítrico se produce mediante un método de presión media, que se caracteriza por comprender los siguientes pasos: oxidación y absorción de amoníaco a una presión de 0,5 0,6 MPa; permitir que el gas residual que sale de la torre de absorción pase a través de un dispositivo de tratamiento de adsorción por oscilación de temperatura (TSA) con tamiz molecular de carbono para reducir el contenido de óxidos de nitrógeno en el gas de cola a menos de 100 mg/Nm3; el aire de proceso del compresor de aire se utiliza como gas de desorción de regeneración del dispositivo de tratamiento de adsorción por oscilación de temperatura con tamiz molecular de carbono, y el gas de desorción de regeneración que contiene el óxido de nitrógeno puede devolverse al reactor de oxidación de amoníaco para su reutilización; añadir una capa de catalizador de descomposición de N2O en el reactor de oxidación para reducir el contenido de N2O a 50-100 ppm mediante la reacción; la torre de blanqueo con ácido nítrico está ubicada en la parte inferior de la torre de absorción, y ambas torres están integradas, lo que acorta el flujo del proceso y reduce la inversión en equipos. Sin embargo, en cuanto a la cantidad de aire comprimido por el compresor, se comprime la misma cantidad que en ausencia de la unidad TSA: en presencia de la unidad TSA, el aire comprimido se divide inicialmente entre la unidad TSA y el reactor de oxidación de amoníaco directamente y, finalmente, al salir de la unidad TSA, el aire comprimido se dirige también al reactor de oxidación de amoníaco, terminando así en el reactor de oxidación de amoníaco.
En el documento WO2018/162150A1 (Casale SA, 13 de septiembre de 2018) se propone una solución para superar los inconvenientes de la modernización. El documento WO2018162150A1 describe una planta de doble presión para la producción de ácido nítrico, que comprende un reactor que proporciona un efluente gaseoso con óxidos de nitrógeno, una unidad de absorción donde los óxidos de nitrógeno reaccionan con agua, lo que proporciona ácido nítrico crudo y, operando la unidad de absorción a una presión superior a la del reactor, un compresor que eleva la presión del efluente del reactor a la presión de la unidad de absorción. La planta también comprende una primera unidad de blanqueo de alta presión (HP) y una segunda unidad de blanqueo de baja presión (LP). La primera unidad de blanqueo de alta presión (HP) depura con aire el gas NOx de la corriente de salida de la unidad de absorción, proporcionando así una corriente de ácido nítrico parcialmente depurado y una corriente de aire cargada con óxidos de nitrógeno. La primera se alimenta a la segunda unidad de blanqueo de baja presión (LP) y la segunda se recicla a la sección de oxidación, aguas arriba del compresor de gas NOx.
También se proporciona un compresor de aire adicional que suministra aire a la primera unidad de blanqueo de alta presión (HP). Por lo tanto, se requiere energía para operar una primera unidad de blanqueo de alta presión (HP) a alta presión y luego reciclar los gases NOx al lado de suministro del compresor de gas NOx.
Se conocen otras plantas para la producción de ácido nítrico a partir de los documentos US2005/106092 A, CN102838096 B, US4869890 A y DE102020200235 A.
Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad de un proceso y la configuración de la planta correspondiente para minimizar la cantidad de energía requerida para operar el compresor de gas NOx y, preferiblemente, también el compresor de aire, a fin de evitar cuellos de botella en la producción de ácido nítrico asociada a dichos compresores.
Resumen de la invención
En un aspecto de la divulgación, se describe un sistema para producir ácido nítrico con un consumo de energía reducido. El sistema comprende:
• un compresor de aire para comprimir aire, con una entrada y una salida, para proporcionar una corriente de aire comprimido, como una corriente de aire comprimido con una presión P1;
• una fuente de gas presurizado rico en oxígeno con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido o con una presión superior a P1, como la proporcionada por un electrolizador de agua a alta presión, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido, para proporcionar una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido;
• un aparato mezclador para realizar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido con una corriente de gas amoníaco, para proporcionar una mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno;
• un convertidor de amoníaco para oxidar el amoníaco en la mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno, para proporcionar una mezcla de gas NOx y vapor, que comprende agua y óxido nítrico;
• medios para medir la temperatura en el convertidor de amoníaco;
• medios para regular la concentración de amoníaco y oxígeno en el convertidor de amoníaco;
• una turbina de vapor o un motor eléctrico y medios para convertir vapor en electricidad, en comunicación fluida con el convertidor de amoníaco o la mezcla de vapor de NOx/gas;
• un enfriador/condensador de agua para separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido y una corriente gaseosa de NOx; • un compresor de gas NOx para comprimir la corriente gaseosa de NOx y proporcionar una corriente de gas NOx comprimido;
• una torre de absorción aguas abajo del compresor de gas NOx para absorber los gases NOx de la corriente de gas NOx comprimido en agua y proporcionar una corriente de gas NOx residual con ácido nítrico crudo y un gas residual que contiene gases NOx, con una salida de gas residual en la torre de absorción para evacuar el gas residual; y
• un expansor de gas residual para expandir dicho gas aguas abajo de la torre de absorción, que comprende una entrada del expansor de gas de cola en comunicación fluida con la salida de gas de cola de la torre de absorción, y una salida del expansor de gas residual, generando así un gas residual expandido.
El sistema se caracteriza por comprender además:
• medios para dividir el gas residual en una primera corriente de dicho gas en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y una segunda corriente de gas residual, con una presión P1 o ajustada a una presión P1, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; y
• medios para ajustar la cantidad de gas residual que se divide en la primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de dicho gas y la segunda corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido.
Los inventores han observado que al recircular parte del gas residual a la corriente de aire comprimido, aguas abajo del compresor de aire y aguas arriba del convertidor de amoníaco, al mismo tiempo que se suministra oxígeno presurizado a la corriente de aire comprimido y se mantiene la temperatura en el convertidor de amoníaco entre 800 y 950 °C y la relación molar oxígeno/amoníaco entre 1,3 y 9, se obtiene una reducción neta del consumo de energía del tren de compresores, considerando la menor producción de energía del expansor de gas residual, la mayor demanda del compresor de NOx y la reducción de la potencia requerida por el compresor de aire. Por lo tanto, con el sistema descrito, se logra una reducción de potencia a la vez que se reduce el tamaño del compresor de aire y del expansor de gas residual, lo que resulta en una reducción del área ocupada por la planta y una simplificación del sistema. Además, el suministro separado de oxígeno presurizado o gas rico en oxígeno garantiza una conversión óptima de amoníaco en óxido nítrico.
En una realización, según el sistema preconizado, dicho sistema comprende además un calentador de gas residual, con una entrada en comunicación fluida con la salida de dicho gas de absorción 6 y una salida en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual, ubicado aguas arriba del enfriador/condensador de agua para calentar el gas residual procedente de la torre de absorción a una temperatura de entre 200 y 650 °C con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco, y donde un medio para dividir el gas residual está ubicado aguas arriba del calentador de gas residual.
En una realización, según el sistema de la presente divulgación, el sistema preconizado comprende además un calentador de gas residual, con una entrada en comunicación fluida con la salida del gas residual de absorción y una salida en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual, situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua para calentar el gas residual procedente de la torre de absorción a una temperatura de entre 200 y 650 °C con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco, y donde los medios para dividir el gas de cola se encuentran aguas abajo del calentador de gas residual.
En una realización, según el sistema de la presente divulgación, la fuente de gas rico en oxígeno presurizado se suministra mediante un electrolizador de agua de alta presión.
En una realización, según el sistema de la presente divulgación, el sistema comprende además una fuente de gas rico en oxígeno con una presión al menos igual a la presión atmosférica, en comunicación fluida con la entrada del compresor de aire.
En una realización, según el sistema de la divulgación, el sistema preconizado comprende además:
• una fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno en comunicación fluida con un área aguas abajo del compresor de gas NOx; o
• un eyector de gas con una primera entrada en comunicación fluida con el gas residual, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido, una segunda entrada en comunicación fluida con una fuente de aire o gas rico en oxígeno a una presión inferior a P1, el gas expandido o la corriente de NOx gaseoso, y una salida en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; o
• un expansor adicional de gas residual en comunicación fluida con la corriente de gas residual, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido.
En una realización, según el sistema de la divulgación, el sistema preconizado comprende además: • un blanqueador de alta presión en comunicación fluida con la torre de absorción para eliminar los gases NOx de la corriente de gas NOx residual que contiene ácido nítrico crudo; y
• un electrolizador de agua a alta presión en conexión fluida con el blanqueador de alta presión; donde la fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno es el electrolizador y está en comunicación fluida con el blanqueador de alta presión y, a su vez, con la torre de absorción y un área aguas abajo del compresor de gas NOx.
En un aspecto de la divulgación, se describe un método para producir ácido nítrico con un consumo de energía reducido. El método comprende los siguientes pasos:
a) comprimir aire en un compresor de aire, produciendo así una corriente de aire comprimido, por ejemplo, con una presión P1;
b) mezclar gas presurizado rico en oxígeno, con una presión superior a la presión de la corriente de aire comprimido o superior a P1, con la corriente de aire comprimido, obteniendo así una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido;
c) combinar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido con una corriente de gas amoníaco en un mezclador, produciendo así una mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno, de modo que se alcance una relación molar oxígeno/amoníaco de entre 1,3 y 9;
d) oxidar el amoníaco presente en la mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno en un convertidor de amoníaco a 800-950 °C, produciendo así una mezcla gaseosa de NOx y vapor, compuesta por agua y óxido nítrico;
e) convertir el vapor generado en el convertidor de amoníaco o de la mezcla gaseosa de NOx y vapor en energía;
f) Separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx y vapor, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido y una corriente gaseosa de NOx en un enfriador/condensador de agua.
g) Comprimir la corriente gaseosa de NOx, generando así una corriente de gas NOx comprimido en un compresor de gas NOx. 5;
h) absorber la corriente gaseosa de NOx en una torre de absorción, lo que produce una corriente de gas NOx residual crudo que contiene ácido nítrico y un gas de cola compuesto por gases NOx;
e i) expandir el gas residual en un expansor de gas residual, generando así un gas residual expandido.
El método se caracteriza porque comprende además los siguientes pasos:
j) mezclar parte del gas residual 5 obtenido en el paso h), a una presión P1 o ajustada a una presión P1, con la corriente de aire comprimido, generando así una comunicación fluida entre la corriente de gas residual (10) y la corriente de aire comprimido;
k) medir la temperatura en el convertidor de amoníaco; e
l) ajustar la cantidad del volumen total de gas mezclado en el paso j) si la temperatura medida en el paso k) está fuera del rango de 800-950 °C, de modo que la temperatura en el convertidor de amoníaco se mantenga entre 800 y 950 °C.
En una realización, según el método de la divulgación, el método preconizado comprende además los siguientes pasos:
m) calentar el gas residual obtenido en el paso h) a una temperatura de entre 200 y 650 °C en un calentador de gas residual situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco.
En una realización, según el método de la divulgación, en el paso j), el método comprende además:
m) calentar el gas residual obtenido en el paso h) a una temperatura de entre 200 y 650 °C en un calentador de gas residual situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco. En el paso h), parte del gas de cola obtenido en el paso h) o en el paso m) se presuriza.
En una realización, según el método de la divulgación, el método preconizado comprende además los siguientes pasos:
n) operar un electrolizador de agua a alta presión para producir el gas oxígeno utilizado en el paso de mezcla j).
En una realización, según el método de la divulgación, el método preconizado comprende además los pasos siguientes:
o) enviar un gas rico en oxígeno con una presión al menos igual a la presión atmosférica a la entrada del compresor de aire.
En una realización, según el método de la divulgación, el citado método comprende además los siguientes pasos:
p) alimentar una fuente adicional de gas rico en oxígeno presurizado aguas abajo del compresor de gas NOx;
u operar un eyector de gas con una primera entrada, una segunda entrada y una salida, haciendo fluir la corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido hacia la primera entrada, haciendo fluir una fuente de aire o gas rico en oxígeno a una presión inferior a P1, el gas residual expandido o la corriente gaseosa de NOx hacia la segunda entrada, y eyectando la mezcla de gases en la salida del eyector de gas hacia la corriente de aire comprimido; o expandir la corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido en un expansor de gas residual adicional.
En una realización, según el método de la divulgación, el método preconizado comprende además los pasos siguientes:
q) operar un blanqueador de alta presión en comunicación fluida con la torre de absorción, eliminando así los gases NOx de la corriente de gas NOx residual que contiene ácido nítrico crudo mediante un gas de arrastre;
r) operar un electrolizador de agua a alta presión, produciendo así la fuente de gas rico en oxígeno presurizado; y
t) suministrar el gas presurizado rico en oxígeno al blanqueador de alta presión como gas de arrastre y, a su vez, a la torre de absorción y a una zona aguas abajo del compresor de gas NOx y aguas arriba de la torre de absorción.
En un aspecto de la divulgación, se describe el uso del sistema preconizado para ejecutar el método del sistema.
En un aspecto de la divulgación, se describe un método para modernizar un sistema de producción de ácido nítrico que comprende:
• un compresor de aire para comprimir aire, con una entrada y una salida, que produce una corriente de aire comprimido;
• opcionalmente, una fuente de gas presurizado rico en oxígeno con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, en comunicación fluida con ésta, para generar una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido;
• un aparato mezclador para realizar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido con una corriente de gas amoníaco, y generar una mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno;
• un convertidor de amoníaco para oxidar el amoníaco presente en la mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno, para generar una mezcla de gas NOx y vapor, que comprende agua y óxido nítrico; Medios para medir la temperatura en el convertidor de amoníaco;
• medios para regular la concentración de amoníaco y oxígeno en el convertidor de amoníaco;
• Una turbina de vapor o un motor eléctrico y medios para convertir el vapor en electricidad, en comunicación fluida con el convertidor de amoníaco o la mezcla de NOx/vapor gaseoso;
• un enfriador/condensador de agua y, opcionalmente, un enfriador/separador, ubicado aguas arriba del enfriador/separador, para separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido y una corriente gaseosa de NOx;
• un compresor de gas NOx para comprimir la corriente gaseosa de NOx y generar una corriente comprimida de gas NOx;
• una torre de absorción, aguas abajo del compresor de gas NOx, para absorber los gases NOx de la corriente comprimida de gas NOx en agua y generar una corriente de gas NOx residual sin tratar que contiene ácido nítrico y un gas de cola que contiene gases NOx, incluyendo una salida de gas residual de la torre de absorción para evacuar el gas de cola;
• un expansor de gas residual para expandir el dicho gas, generando así un gas residual expandido, aguas abajo de la torre de absorción, que comprende una entrada del expansor de gas residual en comunicación fluida con la salida de gas residual de la torre de absorción y una salida del expansor de gas de cola; y •opcionalmente, un calentador de gas de cola aguas arriba del enfriador/condensador de agua y, opcionalmente, del enfriador/separador, para calentar el gas de cola a una temperatura de entre 200 y 650 °C, que comprende una entrada y una salida del calentador de gas residual, donde la entrada del calentador de gas residual está en comunicación fluida con la salida del gas residual de absorción y donde el calentador de gas residual está en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual;
Se describe un sistema según el sistema preconizado. El método comprende los siguientes pasos:
• introducir medios para dividir el gas residual en una primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y una segunda corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; y
• introducir medios para ajustar la cantidad de gas residual que se divide en la primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y la segunda corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; y
• opcionalmente, introducir una fuente de gas presurizado rico en oxígeno, como un electrolizador de alta presión, con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, y conectar fluidamente la fuente de gas presurizado rico en oxígeno con la corriente de aire comprimido para obtener una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido.
Lista de figuras
La figura 1 muestra esquemáticamente una planta de ácido nítrico de doble presión según el estado de la técnica.
La figura 2A muestra esquemáticamente una realización de una planta de ácido nítrico de doble presión según la presente divulgación.
La figura 2B muestra esquemáticamente una realización de una planta de ácido nítrico de monopresión según la presente divulgación.
La figura 3 muestra esquemáticamente una realización de la planta de ácido nítrico de doble presión según la presente divulgación.
La figura 4A muestra esquemáticamente una realización de la planta de ácido nítrico de doble presión según la presente divulgación.
La figura 4B muestra esquemáticamente una realización de la planta de ácido nítrico de doble presión según la presente divulgación.
La figura 4C muestra esquemáticamente una realización de la planta de ácido nítrico de doble presión según la presente divulgación.
Lista de números en las figuras
Descripción detallada de la invención
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones de esta memoria descriptiva, el término "comprende" y sus variaciones significan "incluyendo, entre otros", y no pretenden (ni excluyen) otros grupos, aditivos, componentes, enteros o etapas. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones de esta divulgación, el singular abarca el plural, a menos que el contexto indique lo contrario. En particular, cuando se utiliza el artículo indefinido, la divulgación debe entenderse que contempla tanto la pluralidad como la singularidad, a menos que el contexto indique lo contrario.
Las características, enteros, propiedades, compuestos, grupos químicos o grupos descritos junto con un aspecto, realización o ejemplo particular de la divulgación deben entenderse aplicables a cualquier otro aspecto, realización o ejemplo descrito en el presente documento, a menos que sean incompatibles con ellos. Todas las características descritas en esta divulgación (incluidas la descripción, las reivindicaciones, el resumen y los dibujos), y/o todos los pasos de cualquier método o proceso así descrito, pueden combinarse en cualquier combinación, excepto en aquellas en las que al menos algunas de dichas características y/o pasos sean mutuamente excluyentes. La divulgación no se limita a los detalles de las realizaciones anteriores. La divulgación se extiende a cualquier característica o combinación novedosa de las características descritas en esta divulgación (incluidas la descripción, las reivindicaciones, el resumen y los dibujos), o a cualquier característica o combinación novedosa de los pasos de cualquier método o proceso así descrito.
La enumeración de valores numéricos mediante rangos de cifras comprende todos los valores y fracciones en estos rangos, así como los puntos finales citados. Los términos "en los rangos de" y "que van desde... hasta...", utilizados al referirse a un rango para un valor medible, como un parámetro, una cantidad, un período de tiempo, etc., incluyen los límites asociados al rango descrito.
Según se define en el presente documento, un gas presurizado rico en oxígeno es un gas con una presión que oscila entre 9 y 30 bar, preferiblemente entre 15 y 30 bar, y que comprende más del 21 % en volumen de oxígeno, en particular más del 30 %, más del 40 %, más del 50 %, más del 60 %, más del 70 %, más del 80 %, más del 90 %, más del 95 % en volumen y más del 99 %, en particular el 100 % en volumen de oxígeno.
Según se define en el presente documento, un gas rico en oxígeno es un gas que comprende más del 21 % en volumen de oxígeno, más en particular más del 30 %, más del 40 %, más del 50 %, más del 60 %, más del 70 %, más del 80 %, más del 90 %, más del 95 % en volumen y más del 99 %, más en particular el 100 % en volumen de oxígeno.
Según se define en el presente documento, el aire es aire ambiente, con una presión similar a la atmosférica.
Sistema para la producción de ácido nítrico
Se hace referencia a las Figuras 2A y 2B. En un aspecto de la divulgación, se describe un sistema para la producción de ácido nítrico con un consumo de energía reducido. El sistema comprende un compresor de aire 36 para comprimir aire, con una entrada 48 y una salida 49, para proporcionar una corriente de aire comprimido 34; una fuente de gas presurizado rico en oxígeno 50, con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido 34, en comunicación fluida con dicha corriente, para proporcionar una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido 53; un aparato mezclador 35 para realizar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido 53 con una corriente de gas amoníaco 32, para proporcionar una mezcla de aire enriquecido con amoníaco y oxígeno 14; Una fuente de gas presurizado rico en oxígeno 50 con una presión superior a la presión de la corriente de aire comprimido 34. En algunas realizaciones, el gas presurizado rico en oxígeno u oxígeno se suministra mediante un electrolizador de agua a alta presión, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34; un convertidor de amoníaco 37 para oxidar el amoníaco en la mezcla de aire enriquecido con amoníaco y oxígeno 14, para generar una mezcla de gas/vapor de NOx 15, que comprende agua y óxido nítrico; medios para medir (no mostrados) la temperatura en el convertidor de amoníaco 37; medios para regular la concentración de amoníaco y oxígeno en el convertidor de amoníaco 37; una turbina de vapor 51 o un motor eléctrico y medios para convertir vapor en electricidad, en comunicación fluida con el convertidor de amoníaco 37 o la mezcla de NOx/gas/vapor 15; Un enfriador/condensador de agua 38 y, opcionalmente, un enfriador/separador 39. El enfriador/condensador de agua 38 se ubica aguas arriba del enfriador/separador 39 para separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor 15, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17 y una corriente gaseosa de NOx 22. Un compresor de gas NOx 40 para comprimir la corriente gaseosa de NOx 22 y generar una corriente de gas NOx comprimido 24. Una torre de absorción 41, aguas abajo del compresor de gas NOx 40, absorbe los gases NOx de la corriente de gas NOx comprimido 24 en agua y genera una corriente de gas NOx residual 27 con ácido nítrico crudo y un gas residual 5 que contiene gases NOx, y que comprende una salida de gas residual 6 de la torre de absorción para evacuar el gas residual 5. Un expansor de gas residual 7 para expandir el gas residual 5, generando así un gas residual expandido 64, aguas abajo de la torre de absorción. Este expansor comprende una entrada 8 en comunicación fluida con la salida 6 de gas residual de la torre de absorción y una salida 9 del expansor de gas residual; y opcionalmente, un calentador de gas residual 43 aguas arriba del enfriador/condensador de agua 38 y, opcionalmente, el enfriador/separador 39, para calentar el gas residual 5 a una temperatura de entre 200 y 650 °C. Este calentador comprende una entrada 46 y una salida 47 del calentador de gas residual. La entrada 46 está en comunicación fluida con la salida 6 de gas residual de absorción y la salida 47 del calentador de gas residual está en comunicación fluida con la entrada 8 del expansor de gas residual.
El sistema se caracteriza por comprender además medios para dividir el gas residual 5 en una primera corriente de dicho gas 5, en comunicación fluida con la entrada 8 del expansor de gas residual, y una segunda corriente de gas residual 10, con una presión P1 o P2. El gas residual 5 se divide en la primera corriente de gas residual 5, en comunicación fluida con la entrada 8 del expansor de gas residual, y la segunda corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34.
Como se define en este documento, el medio para ajustar la relación molar de oxígeno a amoníaco es cualquier medio adecuado para evaluar la cantidad de amoníaco que se debe introducir en el sistema a partir de una medición de la concentración de oxígeno, o la cantidad de oxígeno que se debe introducir en el sistema a partir de un valor de la concentración de amoníaco, de modo que la relación molar de oxígeno a amoníaco esté comprendida entre 1,3 y 9. La concentración de oxígeno o amoníaco puede determinarse, por ejemplo, a partir de una medición en fase gaseosa utilizando un analizador de gases de proceso. La concentración de oxígeno o amoníaco también puede determinarse mediante cálculos que utilizan la concentración de la fuente de oxígeno o amoníaco que se introduce en el sistema, el caudal al que se introduce dicha fuente y los valores relativos de caudal a los que se mezclan los gases. A partir de la concentración de oxígeno o amoníaco, se determina el caudal de amoníaco u oxígeno que se introducirá en el sistema, el cual se utiliza para controlar el flujo de amoníaco u oxígeno desde fuentes gaseosas a concentraciones predeterminadas. El control del flujo de amoníaco u oxígeno gaseoso puede lograrse, por ejemplo, mediante válvulas de control de caudal. En particular, se trata de un sistema integrado de control de procesos que mide la concentración de oxígeno o amoníaco, determinando así el caudal correspondiente, controlando así el flujo de amoníaco u oxígeno desde fuentes gaseosas a concentraciones predeterminadas.
Según se define en el presente documento, el medio para medir la temperatura es cualquier medio adecuado para medir e indicar la temperatura en el quemador de oxidación de amoníaco. En particular, el medio para medir la temperatura es un termopar o un termómetro adecuado para medir e indicar temperaturas de hasta 1000 °C. Más concretamente, el medio para medir la temperatura es un termómetro infrarrojo para medir e indicar temperaturas de hasta 1000 °C.
Según se define en el presente documento, el medio para convertir vapor en energía es cualquier medio que permita obtener energía a partir de vapor. En particular, estos medios son una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico.
Según se define en el presente documento, el medio de división es cualquier medio adecuado para dividir el gas residual 5, de modo que se genere, además de una primera corriente de gas residual (es decir, el gas residual o el gas residual calentado 5), otra segunda corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34. En particular, el medio de división es una conexión en T con una entrada y dos salidas, de modo que el gas que fluye a través de la entrada de la conexión en T se divide en dos corrientes de gas de idéntica composición química.
Como se define en este documento, el medio para ajustar la cantidad de gas residual 5 que se divide en la segunda corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34, y la primera corriente de gas residual 5, en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual 8, es cualquier medio para controlar la división en el medio de división 55. En particular, el medio de división 55 es una conexión en T, como se describió anteriormente, y el medio de ajuste es un orificio, un álabe guía o una válvula de control de flujo en una o ambas salidas de la conexión en T Más específicamente, el medio es un sistema integrado de control de procesos, en el que la temperatura en el convertidor de amoníaco 37 se determina mediante el medio de medición de temperatura. La temperatura en el convertidor de amoníaco 37 se utiliza para controlar una válvula de control de flujo en el sistema de división 55, controlando así la división del gas residual 5, para mantener la temperatura medida entre 800 y 950 °C.
Los inventores han descubierto que al recircular parte del gas residual 5 a la corriente de aire comprimido 34, aguas abajo del compresor de aire 36 y aguas arriba del convertidor de amoníaco 37, al mismo tiempo que se alimenta oxígeno presurizado 50, como el proporcionado por un electrolizador de alta presión, a la corriente de aire comprimido 34, y manteniendo la temperatura en el convertidor de amoníaco 37 entre 800 y 950 °C y la relación molar oxígeno/amoníaco entre 1,3 y 9, se obtiene una reducción neta del consumo de energía del compresor de aire. De hecho, el gas residual 5 que sale de la torre de absorción 41 está más presurizado que la corriente de aire comprimido 34 y, tanto aguas arriba como aguas abajo del calentador de gas residual 43, mantiene una presión de entre 9 y 16 bares. Por lo tanto, al mezclar la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34, se requiere menos energía para proporcionar la cantidad total necesaria de gas comprimido al aparato de mezcla 35. Al mantener la temperatura en el quemador entre 800 y 950 °C, se garantiza que, a pesar de la menor producción de energía del expansor de gas residual 7 debido a la menor expansión de gas residual 5 y a la demanda del compresor de gas NOx 40, se mantenga una reducción neta del consumo de energía del tren de compresión. Además, en particular al proporcionar un suministro separado de oxígeno a alta presión o gas rico en oxígeno, se garantiza que las concentraciones de oxígeno y amoníaco en el convertidor de amoníaco 37 permitan la producción de ácido nítrico de calidad comercial.
Además del ahorro neto en el consumo de energía del compresor de aire mencionado anteriormente, los inventores han identificado que la recirculación de parte del gas residual 5 produce una temperatura de la corriente gaseosa de NOx 15 a la salida del convertidor de amoníaco 37 tal que el intercambio de calor entre la corriente de gas NOx 15 y el gas residual 5 es más eficiente. Por lo tanto, si el calentador de gas residual está presente y el gas residual 5 se calienta, se puede reducir el tamaño del intercambiador de calor 43 y del enfriador 38.
En una realización, según el sistema de la divulgación, el sistema preconizado comprende además un calentador de gas residual 43, con una entrada 46 en comunicación fluida con la salida 6 del gas residual de absorción y una salida 47 en comunicación fluida con la entrada 8 del expansor de gas residual, situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua 38 para calentar el gas residual 5 procedente de la torre de absorción 41 a una temperatura de entre 200 y 650 °C con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor 15 procedente del convertidor de amoníaco 37, y donde un medio para dividir el gas residual 55 está situado aguas arriba del calentador de gas residual 43.
En una realización, según el sistema de la divulgación, el sistema preconizado comprende además un calentador de gas residual 43, con una entrada 46 en comunicación fluida con la salida 6 del gas residual de absorción y una salida 47 en comunicación fluida con la entrada 8 del expansor de gas residual, situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua 38 para calentar el gas residual 5 procedente de la torre de absorción 41 a una temperatura de entre 200 y 650 °C con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor 15 procedente del convertidor de amoníaco 37, y donde el medio de división 55 del gas residual 5 se ubica aguas abajo del calentador de gas residual 43.
Un experto en la materia comprenderá que es posible recircular al convertidor de amoníaco 37 el gas residual 5 o el gas residual calentado 5 en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual 8.
La elección del punto desde el que se recircula el gas residual 5, es decir, aguas arriba o aguas abajo del calentador de gas residual 43, influye en la temperatura de la mezcla de gases 14 y, por lo tanto, en la eficiencia de la combustión en el quemador. El sistema de la presente divulgación proporciona la flexibilidad necesaria para que un experto en la materia elija el origen de la recirculación del gas residual 5. De este modo, puede alcanzar la temperatura óptima para la mezcla de gases 14, en función de parámetros como, por ejemplo, el volumen de gas que fluye hacia el convertidor 37 o el catalizador presente en él, así como la proporción de oxígeno y amoníaco en la mezcla de gases 14.
En una realización, según el sistema de la presente divulgación, la fuente de gas presurizado rico en oxígeno 50 se suministra mediante un electrolizador de agua a alta presión. Dicho de otro modo, en realizaciones particulares, el sistema de la presente divulgación comprende un electrolizador de agua a alta presión, donde dicho electrolizador, en particular su ánodo, está en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido para proporcionar una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido.
Un electrolizador de agua es un dispositivo para la electrólisis del agua, es decir, su descomposición en oxígeno e hidrógeno gaseoso mediante el paso de una corriente eléctrica. Esta técnica permite producir hidrógeno gaseoso, componente principal del combustible de hidrógeno, y oxígeno gaseoso. Un electrolizador de agua de alta presión adecuado puede constar de un ánodo que produce oxígeno gaseoso según la reacción
2 OH- = H20 % 02 2 e-;
Un cátodo, que produce gas hidrógeno según la reacción
un electrolito compuesto por una solución alcalina, como hidróxido de potasio; y un diafragma poroso que separa el ánodo del cátodo para evitar la mezcla de hidrógeno y oxígeno, que juntos forman una mezcla explosiva. Alternativamente, el ánodo y el cátodo pueden estar separados por un electrolito polimérico sólido, como el fluoropolímero Nafion, que proporciona el transporte selectivo de protones del ánodo al cátodo, así como el aislamiento eléctrico entre ambos, y evita la mezcla de hidrógeno y oxígeno, que juntos forman una mezcla explosiva. El ánodo y el cátodo pueden estar hechos de níquel, acero o mezclas de ambos. Alternativamente, para mejorar las reacciones de los electrodos, el ánodo y el cátodo pueden contener catalizadores de iridio y platino, respectivamente. El diafragma de un material aislante eléctrico se basa, por ejemplo, en zirconio. El diafragma presenta una porosidad tal que forma una barrera contra el transporte de burbujas de hidrógeno y oxígeno, a la vez que contiene un electrolito líquido penetrado. Un conjunto ánodo-diafragma-cátodo constituye una celda de electrólisis. Las celdas de electrólisis se apilan en serie en pilas que componen el núcleo de un electrolizador. La producción de hidrógeno y oxígeno para un volumen de pila determinado es proporcional a la densidad de corriente e inversamente proporcional a la distancia de apilamiento. Independientemente del volumen de la pila, la producción de hidrógeno y oxígeno es proporcional a la corriente total. Además de la pila, el electrolizador incluye auxiliares como un rectificador de corriente, una unidad de desmineralización de agua, una bomba de agua, un sistema de refrigeración, una unidad de purificación de hidrógeno e instrumentación.
El electrolizador funciona aplicando una tensión correspondiente al potencial estándar más el sobrepotencial sobre cada celda. El voltaje total depende del número total de celdas que componen el electrolizador. Los iones OH“ generados en el cátodo migran a través del electrolito en el diafragma hasta el ánodo, donde son consumidos por la reacción anódica. Los electrones viajan en dirección opuesta en un circuito externo. El electrolizador puede operar a una temperatura de 50 a 80 °C, o de 60 a 80 °C, y una presión de gas de 9 a 30 bar, preferiblemente de 15 a 30 bar.
Un electrolizador de agua a alta presión produce hidrógeno presurizado en el cátodo y oxígeno presurizado en el ánodo. Para realizar la electrólisis a alta presión, es necesario presurizar el agua utilizada en el proceso. Dado que presurizar el agua requiere menos energía que presurizar un gas, el uso de un electrolizador de agua a alta presión produce gas presurizado rico en oxígeno 50 con un consumo de energía mínimo.
Se hace referencia a la Figura 3. En una realización, según el sistema de la presente divulgación, el sistema comprende además una fuente de gas rico en oxígeno 54 con una presión al menos igual a la presión atmosférica, en comunicación fluida con la entrada 48 del compresor de aire 36.
La presencia de la fuente de gas rico en oxígeno 54 implica que se debe presurizar menos aire para alcanzar el contenido de oxígeno alcanzado en el proceso de la técnica anterior en la salida del compresor de aire 36. Como resultado, se reduce la demanda de energía del compresor de aire 36.
Se hace referencia a las Figuras 4A-C. En una realización, según el sistema de la presente divulgación, el sistema comprende además una fuente adicional de gas rico en oxígeno presurizado 61 en comunicación fluida con un área aguas abajo del compresor de gas NOx 40, o un eyector de gas 56 con una primera entrada 57 en comunicación fluida con la corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34, una segunda entrada 58 en comunicación fluida con una fuente de aire o gas rico en oxígeno a una presión inferior a P1, el gas residual expandido 64 o la corriente gaseosa de NOx 22, y una salida 59 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34; o un expansor de gas residual adicional 60 en comunicación fluida con la corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34.
La presencia de una fuente adicional de gas rico en oxígeno presurizado 61 aguas abajo del compresor de gas NOx 40 presenta ventajas. De hecho, se logra una reducción en la demanda de energía del compresor de gas NOx 40. Además, al suministrar gas presurizado rico en oxígeno 61 adicional aguas abajo del compresor de gas NOx 40, pero aguas arriba de la torre de absorción 41, se mejora la absorción de gases NOx en la torre de absorción 41, lo que resulta en una mayor producción de ácido nítrico y una reducción de las emisiones a la atmósfera. Además, o alternativamente, se puede reducir el tamaño de la torre de absorción 41. Al suministrar gas presurizado rico en oxígeno adicional aguas abajo de la torre de absorción 41, se requiere presurizar menos aire para alcanzar el contenido de oxígeno alcanzado en el proceso de la técnica anterior en la salida del compresor de aire 36. Además, se generará energía adicional a través del expansor de gas de cola 7. Como resultado, se reduce la demanda de energía en el tren de compresión 36.
La presencia de un expansor de gas residual adicional 60 permite la recuperación de energía de la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34, minimizando así la pérdida de energía debido a que parte del gas residual 5 se divide aguas arriba del expansor de gas residual 7. Como resultado, se reduce el consumo neto de energía del tren de compresión.
La presencia de un eyector de gas 56 que utiliza la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 como gas motriz también presenta ventajas, incluyendo una reducción del consumo neto de energía del tren de compresión. La mezcla de aire u oxígeno con la corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 en el eyector de gas 56, también reduce la cantidad de aire a presurizar para alcanzar el contenido de oxígeno obtenido en el proceso de la técnica anterior a la salida del compresor de aire 36. Como resultado, se reduce la demanda de energía del compresor de aire 36. La corriente de NOx gaseoso 22, aguas arriba del compresor de NOx 40, tiene una presión inferior a P1. Por lo tanto, la corriente de NOx gaseoso 22 puede mezclarse con la corriente de gas residual 10 en el eyector de gas 56, utilizándose esta corriente como gas motriz. De este modo, se aumenta el caudal másico de la corriente de aire comprimido 34, lo que permite controlar la relación oxígeno/amoníaco y la temperatura en el convertidor de amoníaco 37.
Se hace referencia a la Figura 4A. En una realización, según el sistema de la divulgación, el sistema comprende además un blanqueador de alta presión 62 en comunicación fluida con la torre de absorción 41 para eliminar los gases NOx de la corriente de gas NOx residual 27 que contiene ácido nítrico crudo; y un electrolizador de agua de alta presión 63 en conexión fluida con el blanqueador de alta presión 62; donde la fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno 61 es el electrolizador 63 y está en comunicación fluida con el blanqueador de alta presión 62 y, a su vez, con la torre de absorción 41 y un área aguas abajo del compresor de gas NOx 40 y aguas arriba de la torre de absorción 41.
Como se define en el presente documento, un blanqueador de alta presión es un blanqueador que opera con gas presurizado rico en oxígeno como gas de extracción. Un experto en la materia comprenderá que el blanqueo puede realizarse a cualquier presión, siempre que la presión de la corriente resultante de la mezcla de los gases de blanqueo que salen del blanqueador 62 con la corriente de gas NOx comprimido 24 alcance una presión de entre 9 y 16 bares a la entrada de la torre de absorción 41.
En una planta convencional de ácido nítrico de doble presión, el blanqueador 62 suministra oxígeno a la torre de absorción 41. Una primera ventaja es que se requiere comprimir y suministrar menos aire secundario desde el compresor de aire 36 al blanqueador 57, lo que se traduce en un ahorro en la demanda de energía del compresor de aire 36. Además, cuando el blanqueador 62 se alimenta con un gas 61 rico en oxígeno, se mejora la absorción de los gases NOx en la torre de absorción 41, lo que resulta en una mayor producción de nítrico y una reducción de las emisiones a la atmósfera. Además, o alternativamente, se puede reducir el tamaño de la torre de absorción 41. Además, se reduce la demanda de energía del compresor de gas NOx 40. Además, si se presuriza el gas rico en oxígeno 61, la absorción de gases NOx en la torre de absorción 41 aumenta aún más debido al aumento de la presión parcial de oxígeno en dicha torre. Por lo tanto, si se suministra gas rico en oxígeno presurizado 61 mediante un electrolizador de agua a alta presión 63, se logra una absorción óptima en la torre de absorción 41 con una demanda mínima de energía para producir el gas rico en oxígeno presurizado 61: el electrolizador de agua a alta presión 63 producirá gas rico en oxígeno presurizado 61 a partir de agua presurizada, lo que consume menos energía que la presurización de gas oxígeno. Ventajosamente, el gas presurizado rico en oxígeno producido por el electrolizador de agua a alta presión 63 puede ser la fuente de ambas corrientes 50 y 61, y también una fuente de gas presurizado rico en oxígeno para ser enviado aguas abajo del compresor de NOx 40 y aguas arriba de la torre de absorción 41.
Método para la producción de ácido nítrico
Se hace referencia a las Figuras 2A y 2B. En un aspecto de la divulgación, se describe un método para la producción de ácido nítrico con un consumo de energía reducido. El método comprende los pasos de a) comprimir aire en un compresor de aire 36, lo que produce una corriente de aire comprimido 34; b) mezclar gas presurizado rico en oxígeno 50, con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, con la corriente de aire comprimido 34, obteniendo así una mezcla de gas rico en oxígeno/corriente de aire comprimido 53; c) mezclar la mezcla de gas rico en oxígeno/corriente de aire comprimido 53 con una corriente de gas amoníaco 32 en un mezclador 35, lo que produce una mezcla de aire enriquecido con amoníaco/oxígeno 14, de modo que se alcance una relación molar de oxígeno a amoníaco de entre 1,3 y 9. d) Oxidar el amoníaco en la mezcla de aire enriquecido con amoníaco y oxígeno 14 en un convertidor de amoníaco 37 a una temperatura de 800 a 950 °C, produciendo así una mezcla gaseosa de NOx/vapor 15, compuesta por agua y óxido nítrico; e) Convertir el vapor generado en el convertidor de amoníaco 37 o a partir de la mezcla gaseosa de NOx/vapor 15 en energía; f) Separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor 15, generando así una mezcla acuosa diluida de ácido nítrico 17 y una corriente gaseosa de NOx 22 en un enfriador/condensador de agua 38; g) Comprimir la corriente gaseosa de NOx 22, produciendo así una corriente de gas NOx comprimido 24 en un compresor de gas NOx 40. h) absorber la corriente gaseosa de NOx 22 en una torre de absorción 41, lo que produce una corriente de gas NOx residual 27 con ácido nítrico crudo y un gas residual 5 que contiene gases NOx; e i) expandir el gas residual 5 en un expansor de gas residual 7, generando así un gas residual expandido 64.
El método se caracteriza porque comprende además los pasos de j) mezclar parte del gas residual 5 obtenido en el paso h) a una presión P1 con la corriente de aire comprimido 34, generando así una comunicación fluida entre una corriente de gas residual 10 y la corriente de aire comprimido (34); k) medir la temperatura en el convertidor de amoníaco 37; e i) ajustar la cantidad del volumen total de gas mezclado en el paso j) si la temperatura medida en el paso k) está fuera del rango de 800-950 °C, de modo que la temperatura en el convertidor de amoníaco se mantenga entre 800 y 950 °C.
Se hace referencia a la Figura 4A. Los inventores han observado que al recircular parte del gas residual 5 a la corriente de aire comprimido 34, aguas abajo del compresor de aire 36 y aguas arriba del convertidor de amoníaco 37, al mismo tiempo que se alimenta oxígeno presurizado 50 a la corriente de aire comprimido 34 y se mantiene la temperatura en el convertidor de amoníaco 37 entre 800 y 950 °C y la relación molar oxígeno/amoníaco entre 1,3 y 9, se logra una reducción neta del consumo de energía del compresor de aire. De hecho, el gas residual 5 que sale de la torre de absorción 41 está más presurizado que la corriente de aire comprimido 34 y, tanto aguas arriba como aguas abajo del calentador de gas residual 43, mantiene una presión de entre 9 y 16 bar. Por lo tanto, al mezclar la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34, se requiere menos energía para suministrar la cantidad total necesaria de gas comprimido al aparato mezclador 35. Al mantener la temperatura del quemador entre 800 y 950 °C, se garantiza que, a pesar de la menor producción de energía del expansor de gas residual y la demanda del compresor de gas NOx 40, se mantenga una reducción neta de la potencia del tren de compresión. Además, se garantiza que las concentraciones de oxígeno y amoníaco en el convertidor de amoníaco 37 permitan la producción de ácido nítrico de calidad comercial.
Además del ahorro neto en el consumo de energía del compresor de aire mencionado anteriormente, los inventores han identificado que la recirculación de parte del gas residual 5 resulta en una temperatura de la corriente gaseosa de NOx 15 a la salida del convertidor de amoníaco 37 tal que el intercambio de calor entre la corriente de gas NOx 15 y el gas residual 5 es más eficiente. Por lo tanto, si el calentador de gas residual está presente y el gas residual 5 se calienta, se puede reducir el tamaño del intercambiador de calor 43 y del enfriador 38.
En una realización, según el método de la divulgación, el método comprende además el paso m) de calentar el gas residual 5 obtenido en el paso h) a una temperatura de entre 200 y 650 °C en un calentador de gas residual 43 situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua 38 con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor 15 procedente del convertidor de amoníaco 37.
En una realización, según el método de la divulgación, el método comprende además el paso m) de calentar el gas residual 5 obtenido en el paso h) a una temperatura de entre 200 y 650 °C en un calentador de gas residual 43 situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua 38 con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor 15 procedente del convertidor de amoníaco 37. En el paso h), parte del gas residual 5 obtenido en el paso h) o en el paso m) se presuriza.
Un experto en la materia comprenderá que es posible recircular al convertidor de amoníaco 37 el gas residual 5 o el gas residual calentado 5 en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual 8, o una mezcla de ambos.
La elección del punto desde el que se recircula el gas residual 5, es decir, aguas arriba o aguas abajo del calentador de gas residual 43, influye en la temperatura de la mezcla de gases 14 y, por lo tanto, en la eficiencia de la combustión en el quemador. El sistema descrito proporciona la flexibilidad necesaria para que un experto en la materia elija desde dónde recircular el gas residual 5. De este modo, puede alcanzar la temperatura óptima para la mezcla de gases 14, en función de parámetros como, por ejemplo, el volumen de gas que fluye hacia el convertidor 37 o el catalizador presente en él, así como la proporción de oxígeno y amoníaco en la mezcla de gases 14.
En una realización, según el método descrito en la presente divulgación, el método comprende además el paso n) de operar un electrolizador de agua a alta presión para producir el gas oxígeno 50 utilizado en el paso de mezcla j).
Un electrolizador de agua a alta presión produce hidrógeno presurizado en el cátodo y oxígeno presurizado en el ánodo. Para realizar la electrólisis a alta presión, es necesario presurizar el agua utilizada en el proceso de electrólisis. Dado que presurizar el agua requiere menos energía que presurizar un gas, el uso de un electrolizador de agua a alta presión produce gas presurizado rico en oxígeno 50 con un consumo mínimo de energía. La etapa de mezcla b) puede comprender, por lo tanto, operar un electrolizador de agua a alta presión, por ejemplo, a una temperatura de 50 a 80 °C o de 60 a 80 °C, y una presión de gas de 9 a 30 bar, preferiblemente de 15 a 30 bar, produciendo así un gas presurizado de oxígeno o rico en oxígeno 50 y mezclándolo con la corriente de aire comprimido 34.
Se hace referencia a la Figura 3. En una realización, según el método de la divulgación, el método comprende además la etapa o) de enviar un gas rico en oxígeno con una presión al menos igual a la presión atmosférica 54 a la entrada 48 del compresor de aire 36.
La presencia de la fuente de gas rico en oxígeno 54 implica que se debe presurizar menos aire para alcanzar el contenido de oxígeno alcanzado en el proceso de la técnica anterior en la salida del compresor de aire 36. Como Como resultado, se reduce la demanda de energía del compresor de aire 36.
Se hace referencia a las Figuras 4A-4C. En una realización, según el método de la divulgación, el método comprende además los pasos de p) alimentar una fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno 61 aguas abajo del compresor de gas NOx 40; o bien, operar un eyector de gas 56 con una primera entrada 57, una segunda entrada 58 y una salida 59, haciendo fluir la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 a la primera entrada 57, haciendo fluir una fuente de aire o gas rico en oxígeno a una presión inferior a P1, el gas residual expandido 64 o la corriente gaseosa de NOx 22 a la segunda entrada 59, y expulsando la mezcla de gases en la salida 59 a la corriente de aire comprimido 34. o expandiendo la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 en un expansor de gas residual adicional 60. En particular, el oxígeno presurizado o gas rico en oxígeno puede producirse mediante el funcionamiento de un electrolizador de alta presión.
La presencia de una fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno 61 aguas abajo del compresor de gas NOx 40 presenta ventajas. De hecho, se logra una reducción en la demanda de energía del compresor de gas NOx 40. Además, cuando se suministra gas presurizado rico en oxígeno 61 adicional aguas abajo del compresor de gas NOx 40, pero aguas arriba de la torre de absorción 41, se mejora la absorción de gases NOx en la torre de absorción 41, lo que resulta en una mayor producción de nitrógeno y una reducción de las emisiones a la atmósfera. Además, o alternativamente, se puede reducir el tamaño de la torre de absorción 41. Al suministrar gas presurizado rico en oxígeno adicional aguas abajo de la torre de absorción 41, se requiere presurizar menos aire para alcanzar el contenido de oxígeno obtenido en el proceso de la técnica anterior en la salida del compresor de aire 36. Además, se generará energía adicional a través del expansor de gas residual 7. Como resultado, se reduce la demanda de energía en el tren de compresión 36.
La expansión de la corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 en un expansor de gas residual adicional 60 permite la recuperación de energía, minimizando así la pérdida de energía, debido a que parte del gas residual 5 se divide aguas arriba del expansor de gas residual 7. Como resultado, se reduce el consumo neto de energía del tren de compresión.
El uso de un eyector de gas 56 con la corriente de gas rsidual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 como gas motriz también presenta ventajas, incluyendo una reducción del consumo neto de energía del tren de compresión. La mezcla de aire u oxígeno con la corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34 en el eyector de gas 56, también permite reducir la cantidad de aire a presurizar para alcanzar el contenido de oxígeno obtenido en el proceso de la técnica anterior a la salida del compresor de aire 36. Como resultado, se reduce la demanda de energía del compresor de aire 36. La corriente de NOx gaseoso 22, aguas arriba del compresor de gas NOx 40, tiene una presión inferior a P1. Por lo tanto, la corriente de NOx gaseoso 22 puede mezclarse con la corriente de gas residual 10 en el eyector de gas 56, utilizándose como gas motriz la corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34. De este modo, se incrementa el caudal másico de la corriente de aire comprimido 34, lo que permite controlar la relación oxígeno-amoníaco y la temperatura en el convertidor de amoníaco 37.
Se hace referencia a la Figura 4A. En una realización, según el método de la divulgación, el método comprende además los pasos de q) operar un blanqueador de alta presión 62 en comunicación fluida con la torre de absorción 41, eliminando así los gases NOx de la corriente de gas NOx residual 27 que contiene ácido nítrico crudo; r) operar un electrolizador de agua a alta presión 63, produciendo así la fuente de gas presurizado rico en oxígeno 61; y s) suministrar la fuente de gas presurizado rico en oxígeno 61 al blanqueador de alta presión 62 y, a su vez, a la torre de absorción 41 y a un área aguas abajo del compresor de gas NOx 40 y aguas arriba de la torre de absorción 41. De esta manera, se logra un uso eficiente de un gas de blanqueo rico en oxígeno para aumentar el contenido de oxígeno en la torre de absorción 41, incrementando así la absorción de los gases NOx en el paso g) y reduciendo las emisiones atmosféricas correspondientes. Además, dado que se requiere menos energía para presurizar el agua que para presurizar el gas oxígeno, se obtiene gas oxígeno presurizado con un consumo mínimo de energía.
Como se define en este documento, un blanqueador de alta presión es un blanqueador que opera con gas presurizado rico en oxígeno como gas de extracción. Un experto en la materia comprenderá que el blanqueo puede realizarse a cualquier presión, siempre que la presión de la corriente resultante de la mezcla de los gases de blanqueo que salen del blanqueador 62 con la corriente de gas NOx comprimido 24 alcance una presión de entre 9 y 16 bares a la entrada de la torre de absorción 41.
En una planta convencional de ácido nítrico de doble presión, el blanqueador 62 suministra oxígeno a la torre de absorción 41. Una primera ventaja es que se requiere comprimir y suministrar menos aire secundario desde el compresor de aire 36 al blanqueador 57, lo que se traduce en un ahorro en la demanda de energía del compresor de aire 36. Además, cuando el blanqueador 62 se alimenta con un gas 61 rico en oxígeno, se mejora la absorción de los gases NOx en la torre de absorción 41, lo que resulta en una mayor producción de ácido nítrico y una reducción de las emisiones a la atmósfera. Además, o alternativamente, se puede reducir el tamaño de la torre de absorción 41. Además, si se presuriza el gas rico en oxígeno 61, la absorción de gases NOx en la torre de absorción 41 aumenta aún más gracias al aumento de la presión parcial de oxígeno en dicha torre. Por lo tanto, si se suministra gas rico en oxígeno presurizado 61 mediante un electrolizador de agua a alta presión 63, se logra una absorción óptima en la torre de absorción 41 con una demanda mínima de energía para producir dicho gas. El electrolizador de agua a alta presión 63 producirá gas rico en oxígeno presurizado 61 a partir de agua presurizada, lo que consume menos energía que presurizar oxígeno gaseoso o aire. Otra ventaja es que el gas rico en oxígeno presurizado producido por el electrolizador de agua a alta presión 63 puede ser la fuente de ambas corrientes 50 y 61, y también una fuente de gas rico en oxígeno presurizado para su envío aguas abajo del compresor de NOx 40 y aguas arriba de la torre de absorción 41.
Uso del sistema de la divulgación
En un aspecto de la divulgación, se describe el uso del sistema preconizado para ejecutar el método de la divulgación.
Método de modernización
En un aspecto de la divulgación, se describe un método para modernizar un sistema de producción de ácido nítrico que comprende un compresor de aire 36 para comprimir aire, con una entrada 48 y una salida 49, para introducir una corriente de aire comprimido 34; opcionalmente, una fuente de gas presurizado rico en oxígeno 50 con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido 34, en comunicación fluida con dicha corriente, para introducir una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido 53; un aparato mezclador 35 para realizar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido 53 con una corriente de gas amoníaco 32, para introducir una mezcla de aire enriquecido con amoníaco y oxígeno 14; Un convertidor de amoníaco 37 para oxidar el amoníaco en la mezcla de aire enriquecido con amoníaco y oxígeno 14, para generar una mezcla de gas/vapor de NOx 15, compuesta por agua y óxido nítrico; medios para medir (no mostrados) la temperatura en el convertidor de amoníaco 37; medios para regular la concentración de amoníaco y oxígeno en el convertidor de amoníaco 37; una turbina de vapor 51 o un motor eléctrico y medios para convertir vapor en electricidad, en comunicación fluida con el convertidor de amoníaco 37 o la mezcla de gas/vapor de NOx 15; Un enfriador/condensador de agua 38 y, opcionalmente, un enfriador/separador 39. El enfriador/condensador de agua 38 se ubica aguas arriba del enfriador/separador 39 para separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor 15, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17 y una corriente gaseosa de NOx 22. Un compresor de gas NOx 40 comprime la corriente gaseosa de NOx 22 y proporciona una corriente de gas NOx comprimido 24. Una torre de absorción 41, aguas abajo del compresor de gas NOx 40, absorbe los gases NOx de la corriente de gas NOx comprimido 24 en agua para proporcionar una corriente de gas NOx residual 27 con ácido nítrico crudo y un gas de cola 5 que contiene gases NOx, y cuenta con una salida de gas de cola 6 de la torre de absorción para evacuar el gas residual 5. Un expansor de gas residual 7 para expandir el gas residual, generando así un gas residual expandido 64, aguas abajo de la torre de absorción, que comprende una entrada 8 del expansor de gas residual en comunicación fluida con la salida 6 de gas residual de la torre de absorción y una salida 9 del expansor de gas residual; y opcionalmente, un calentador de gas residual 43 aguas arriba del enfriador/condensador de agua 38 y, opcionalmente, el enfriador/separador 39, para calentar el gas residual 5 a una temperatura de entre 200 y 650 °C, que comprende una entrada 46 y una salida 47 del calentador de gas residual, donde la entrada 46 del calentador de gas residual está en comunicación fluida con la salida 6 de gas residual de absorción, y donde la salida 47 del calentador de gas residual está en comunicación fluida con la entrada 8 del expansor de gas residual; en un método según el sistema de la presente divulgación.
El método comprende medios para dividir 55 el gas residual 5 en una primera corriente de gas residual 5 en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual 8 y una segunda corriente de gas residual 10 en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34; y medios para ajustar la cantidad de gas residual 5 que se divide en la primera corriente de gas residual 5, en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual 8, y la segunda corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34. En ciertas implementaciones, si el sistema existente no incluye una fuente de gas presurizado rico en oxígeno, el método de modernización comprende además la introducción de una fuente de gas presurizado rico en oxígeno 50, como un electrolizador de alta presión, con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido 34, y la conexión fluida de la fuente de gas presurizado rico en oxígeno, como el electrolizador de alta presión, con la corriente de aire comprimido 34, para obtener una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido. Según se define en el presente documento, el medio para ajustar la relación molar de oxígeno a amoníaco es cualquier medio adecuado para evaluar la cantidad de amoníaco que se introducirá en el sistema a partir de una medición de la concentración de oxígeno, o la cantidad de oxígeno que se introducirá en el sistema a partir de un valor de la concentración de amoníaco, de modo que la relación molar de oxígeno a amoníaco oscile entre 1,3 y 9. La concentración de oxígeno o amoníaco puede determinarse, por ejemplo, a partir de una medición en fase gaseosa utilizando un analizador de gases de proceso. La concentración de oxígeno o amoníaco también puede determinarse mediante cálculos utilizando la concentración de la fuente de oxígeno o amoníaco que se introduce en el sistema, el caudal al que se introduce la fuente y los valores relativos del caudal de los gases con los que se mezcla la fuente. Utilizando la concentración de oxígeno o amoníaco, se determina el flujo correspondiente de amoníaco u oxígeno que se introduce en el sistema, el cual se utiliza para controlar dicho flujo, proveniente de fuentes gaseosas, a concentraciones predeterminadas. El control del flujo de amoníaco u oxígeno gaseoso puede lograrse, por ejemplo, mediante válvulas de control de flujo. En particular, el sistema consiste en un sistema integrado de control de procesos que mide la concentración de oxígeno o amoníaco, determinando así el flujo correspondiente, controlando así dicho flujo.
Como se define en este documento, el medio para medir la temperatura son cualquier medio adecuado para medir e indicar la temperatura en el quemador de oxidación de amoníaco. En particular, el medio para medir la temperatura es un termopar o un termómetro adecuado para medir e indicar temperaturas de hasta 1000 °C. Más concretamente, el medio para medir la temperatura es un termómetro infrarrojo que mide e indica temperaturas de hasta 1000 °C.
Según se define en el presente documento, el medio para convertir vapor en energía es cualquier medio para obtener energía a partir del vapor. En particular, este medio es una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico.
Según se define en el presente documento, el medio para dividir es cualquier medio adecuado para dividir el gas residual 5 de forma que se genere, además del gas residual 5, otra corriente de gas 10. En particular, el medio para dividir es una conexión en T con una entrada y dos salidas, de modo que el gas que fluye a través de la entrada de la conexión en T se divide en dos corrientes de gas de idéntica composición química.
Según se define en este documento, el medio para ajustar la cantidad de gas residual 5 que se divide en la segunda corriente de gas residual 10, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido 34, y el primer gas residual 5, en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual 8, es cualquier medio para controlar la división en el medio de división 55. En particular, el medio de división 55 es una conexión en T, como se describió anteriormente, y el medio de ajuste es un orificio, un álabe guía o una válvula de control de flujo en una o ambas salidas de la conexión en T Más concretamente, el medio es un sistema integrado de control de procesos, en el que la temperatura en el convertidor de amoníaco 37 se determina mediante el medio de medición de temperatura. La temperatura en el convertidor de amoníaco 37 se utiliza para controlar una válvula de control de flujo en el medio de división 55, controlando así la división del gas residual 5, para mantener la temperatura medida en el rango de 800 a 950 °C.
Ejemplos
1. Recirculación del gas residual al 24 % y uso de un expansor de gas residual adicional
Se hace referencia a la Figura 4B. El aire ambiente 4 se comprimió en un compresor de aire 36, generando la corriente de aire comprimido 34. El gas presurizado rico en oxígeno 50 a una presión de 8 bar se mezcló con la corriente de aire comprimido 34, produciendo así una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido 53. El amoníaco 32 se mezcló con la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido 53 en un mezclador 35, para lograr una relación molar de oxígeno a amoníaco de entre 1,3 y 9. La mezcla resultante de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno 14 se traspasó a un convertidor de amoníaco 37, a una temperatura de entre 800 y 950 °C y operando a una presión de 5,2 bar. En el convertidor de amoníaco 37, el amoníaco se oxidó sobre un catalizador mixto de platino/rodio, obteniendo así una mezcla de gas NOx/vapor a baja presión 15, compuesta por agua y óxido nítrico (NO). El calor de la mezcla que salía del convertidor de amoníaco se recuperó mediante la turbina de vapor 51 y el calentamiento del gas residual 5, como se describe a continuación. La mezcla de gas/corriente de NOx se enfrió posteriormente en un enfriador/condensador de agua 38 a la temperatura de condensación del agua, y se separó una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17 de una corriente gaseosa de NOx 18. Posteriormente, la corriente gaseosa de NOx se oxidó aún más para convertir el NO en NO2 y N2O4, y se enfrió de nuevo en un enfriador/separador 39 para separar otra mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17, que se dirigió a una torre de absorción 41. En el otro extremo, la corriente gaseosa de NOx 22 se comprimió en el compresor de gas de NOx 40 a una presión de 12 bar, produciendo así la corriente gaseosa de NOx presurizada 24. Esta corriente gaseosa de NOx presurizada 24 también se envió a la unidad de absorción 6. Dentro de la unidad de absorción 6, el gas NOx reaccionó con agua para producir el gas residual 5 y una corriente de ácido nítrico crudo que también contenía gas NOx residual, que se transfirió a un blanqueador (no mostrado). El calor de la corriente gaseosa de NOx 24 se utilizó para calentar el gas residual 5 en el calentador de gas residual 43 a 575 °C. La corriente de gas rsidual calentado 5 se dividió a través de un tubo en T, de modo que se dividió el 24 % del gas residual calentado 5, produciendo así el gas residual calentado 10. El gas reesidual calentado 10 se expandió a través de un expansor de gas residual adicional 60 y luego se mezcló con la corriente de aire comprimido 34. Se midió la temperatura dentro del convertidor de amoníaco 37 y se determinó que se mantuvo entre 800 y 950 °C. El 76 % del gas residual 5 se envió al expansor de residual 7. El gas NOx residual en la corriente de ácido nítrico crudo 27 se eliminó con un medio gaseoso (no mostrado), como un gas con oxígeno o aire, dentro de la unidad de blanqueo (no mostrada), operando aproximadamente a la misma presión que el convertidor de amoníaco (5,2 bar). La potencia de accionamiento tanto del compresor de aire 36 como del compresor de NOx 40 provino del expansor de residual 7, el expansor adicional de residual 60 y la turbina de vapor 51. La potencia neta asociada a los compresores de aire 36, el compresor de gas NOx 40, el expansor de gas rsidual 7 y el expansor adicional de gas residual 60 fue de 37 kW/h/t de HNO3 al 100 %. Esta potencia fue generada por la turbina de vapor 51.
2. Recirculación del gas de residual al 42 % y uso de un eyector de gas
Se hace referencia a la Figura 4C. El aire ambiente 4 se comprimió en un compresor de aire 36, generando la corriente de aire comprimido 34. El gas presurizado rico en oxígeno 50 a una presión de 8 bar se mezcló con la corriente de aire comprimido 34, produciendo así una mezcla de gas rico en oxígeno/corriente de aire comprimido 53. El amoníaco 32 se mezcló con la mezcla de gas rico en oxígeno/corriente de aire comprimido 53 en un mezclador 35, para lograr una relación molar de oxígeno a amoníaco de entre 1,3 y 9. La mezcla resultante de amoníaco/aire enriquecido con oxígeno 14 se alimentó a un convertidor de amoníaco 37, a una temperatura de entre 800 y 950 °C y operando a una presión de 5,2 bar. En el convertidor de amoníaco 37, el amoníaco se oxidó sobre un catalizador mixto de platino/rodio, obteniendo así una mezcla de gas NOx/vapor a baja presión 15, compuesta por agua y óxido nítrico (NO). El calor de la mezcla que salía del convertidor de amoníaco se recuperó mediante la turbina de vapor 51 y el calentamiento del gas residual 5, como se describe a continuación. La mezcla de gas/corriente de NOx se enfrió posteriormente en un enfriador/condensador de agua 38 a la temperatura de condensación, y se separó una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17 de una corriente gaseosa de NOx 18. Posteriormente, la corriente gaseosa de NOx LP se oxidó aún más para convertir el NO en NO2 y N2O4, y se enfrió de nuevo en un enfriador/separador 39 para separar otra mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17, que se dirigió a una torre de absorción 41. Por otro lado, la corriente gaseosa de NOx 22 se comprimió en el compresor de gas de NOx 40 a una presión de 12 bar, produciendo así la corriente gaseosa de NOx presurizada 24. Esta corriente gaseosa de NOx presurizada 24 también se envió a la unidad de absorción 6. Dentro de la unidad de absorción 6, el gas NOx reaccionó con agua para producir el gas residual 5 y una corriente de ácido nítrico crudo que también contenía gas NOx residual, el cual se alimentó a un blanqueador (no mostrado). El calor de la corriente gaseosa de NOx 24 se utilizó para calentar el gas residual 5 en el calentador de gas residual 43 a 575 °C. La corriente de gas residual calentado 5 se dividió a través de un tubo en T, de modo que el 42 % del gas residual calentado 5 se dividió, produciendo así el gas residaul calentado 10. Este gas residual calentado 10 se utilizó como gas motriz y se introdujo en un eyector de gas 56 en la entrada 58. La corriente gaseosa de NOx 22 se introdujo en la entrada 58 del eyector de gas 56. Los gases que salían de la salida 59 del eyector de gas 56 se mezclaron con la corriente de aire comprimido 34. Se midió la temperatura dentro del convertidor de amoníaco 37 y se determinó que se mantuvo entre 800 y 950 °C. El 58 % residual del gas residual 5 se envió al expansor de gas residual 7. El gas NOx residual en la corriente de ácido nítrico crudo 27 se eliminó posteriormente con un medio gaseoso (no mostrado), como un gas con oxígeno o aire, dentro de la unidad de blanqueo (no mostrada), que operaba, generalmente, a aproximadamente la misma presión que el convertidor de amoníaco (5,2 bar). La potencia de accionamiento tanto del compresor de aire 36 como del compresor de gas NOx 40 provenía del expansor de gas residual 7 y de la turbina de vapor 51. La potencia neta asociada al compresor de aire 36, al compresor de gas NOx 40 y al expansor de gas residual 7 era de 64 kWh/t de HNO3 al 100 %. Esta potencia era generada por la turbina de vapor 51.
3. Ejemplo comparativo: Sin recirculación de gas residual
El aire ambiente 4 se comprimió en un compresor de aire 36, generando la corriente de aire comprimido 34. El amoníaco 32 se mezcló con la mezcla de gas rico en oxígeno/corriente de aire comprimido 53 en un mezclador 35, y la mezcla resultante de amoníaco/aire enriquecido con oxígeno 14 se transfirió a un convertidor de amoníaco 37, que operaba a una presión de 5,2 bar. En el convertidor de amoníaco 37, el amoníaco se oxidó sobre un catalizador mixto de platino/rodio, obteniendo así una mezcla de gas/vapor de NOx a baja presión 15, compuesta por agua y óxido nítrico (NO). El calor de la mezcla que salía del convertidor de amoníaco se recuperó mediante la turbina de vapor 51. La mezcla de gas/corriente de NOx se enfrió posteriormente en un enfriador/condensador de agua 38 a la temperatura de condensación del agua, y se separó una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17 de una corriente gaseosa de NOx 18. Posteriormente, la corriente gaseosa de NOx LP se oxidó aún más para convertir el NO en NO2 y N2O4, y se enfrió de nuevo en un enfriador/separador 39 para separar otra mezcla acuosa de ácido nítrico diluido 17, que se dirigió a una torre de absorción 41. Por otro lado, la corriente gaseosa de NOx 22 se comprimió en el compresor de gas de NOx 40 a una presión de 12 bar, produciendo así la corriente gaseosa de NOx presurizada 24. Esta corriente gaseosa de NOx presurizada 24 también se envió a la unidad de absorción 6. Dentro de la unidad de absorción 6, el gas NOx a alta presión reaccionó con agua para producir el gas residual 5 y una corriente de ácido nítrico crudo que también contenía gas NOx residual, que se transportó a un blanqueador (no mostrado). El calor de la corriente gaseosa de NOx 24 se utilizó para calentar el gas residual 5 en el calentador de gas residual 43 a 450 °C. Toda la corriente de gas residual 5 se envió al expansor de gas residual 7. El gas NOx residual en la corriente de ácido nítrico crudo 27 se eliminó posteriormente con un medio gaseoso (no mostrado), como un gas con oxígeno o aire, dentro de la unidad de blanqueado (no mostrada), operando a baja presión; la unidad de blanqueado generalmente operaba a aproximadamente la misma presión que el convertidor de amoníaco, de 5,2 bar. La potencia de accionamiento del compresor de aire 36 y del compresor de NOx 40 provino del expansor de gas residual 7 y de la turbina de vapor 51. La potencia neta asociada al compresor de aire 36, al compresor de NOx 40 y al expansor de gas residual 7 fue de 75,5 kW/h/t de HNO3 al 100 %. Esta potencia fue generada por la turbina de vapor 51.
Por lo tanto, en comparación con el ejemplo 1, se ahorró una potencia neta de 39 kWh/t de HNO3 al 100 % (50 %) al recircular el 24 % del gas residual.
Por lo tanto, en comparación con el ejemplo 2, se ahorró una potencia neta de 12 kWh/t de HNO3 al 100 % (16 %) al recircular el 42 % del gas residual.

Claims (16)

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Un sistema para producir ácido nítrico con un consumo de energía reducido, que comprende:
• un compresor de aire para comprimir aire, con una entrada y una salida, para generar una corriente de aire comprimido;
• una fuente de gas presurizado rico en oxígeno con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, como un electrolizador de agua a alta presión, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido, lo que produce una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido;
• un aparato mezclador para mezclar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido con una corriente de gas amoníaco, para generar una mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno; un convertidor de amoníaco para oxidar el amoníaco presente en la mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno, para generar una mezcla de gas NOx y vapor, que comprende agua y óxido nítrico;
• medios para medir la temperatura en el convertidor de amoníaco;
• medios para regular la concentración de amoníaco y oxígeno en el convertidor de amoníaco; • una turbina de vapor o un motor eléctrico y medios para convertir el vapor en electricidad, en comunicación fluida con el convertidor de amoníaco o la mezcla de vapor de NOx/gas;
• un enfriador/condensador de agua para separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido y una corriente gaseosa de NOx;
• un compresor de gas NOx para comprimir la corriente gaseosa de NOx y generar una corriente comprimida de gas NOx;
• una torre de absorción, aguas abajo del compresor de gas NOx, para absorber los gases NOx de la corriente comprimida de gas NOx en agua y generar una corriente de gas NOx residual con ácido nítrico crudo y un gas residual que contiene gases NOx, con una salida de gas residual en la torre de absorción para evacuar dicho gas. y
• un expansor de gas residual para expandir el gas residual, generando así un gas residual expandido, aguas abajo de la torre de absorción, que comprende una entrada del expansor de gas residual en comunicación fluida con la salida de gas residual de la torre de absorción y una salida del expansor de gas residual; caracterizado porque: el sistema comprende además:
• medios para dividir el gas residual en una primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y una segunda corriente de gas residual, con una presión P1 o ajustada a una presión P1, en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; y
• medios para ajustar la cantidad de gas residual que se divide en la primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y la segunda corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido.
2. El sistema, según la reivindicación 1, comprende además un calentador de gas residual, con una entrada en comunicación fluida con la salida de gas residual de absorción y una salida en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual, situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua para calentar el gas residual procedente de la torre de absorción a una temperatura de entre 200 y 650 °C con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco, y donde un medio para dividir el gas residual está situado aguas arriba del calentador de gas residual.
3. El sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, que comprende además un calentador de gas residual, con una entrada en comunicación fluida con la salida del gas residual de absorción y una salida en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual, situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua para calentar el gas residual procedente de la torre de absorción a una temperatura de entre 200 y 650 °C con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco, y en el que los medios para dividir el gas residual están situados aguas abajo del calentador de gas residual.
4. El sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la fuente de gas presurizado rico en oxígeno se suministra mediante un electrolizador de agua a alta presión.
5. El sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, comprende además una fuente de gas rico en oxígeno con una presión al menos igual a la presión atmosférica, en comunicación fluida con la entrada del compresor de aire.
6. El sistema, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, comprende además:
• una fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno en comunicación fluida con un área aguas abajo del compresor de gas NOx y aguas arriba de la torre de absorción; o
• un eyector de gas con una primera entrada en comunicación fluida con la corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido, una segunda entrada en comunicación fluida con una fuente de aire o un gas rico en oxígeno a una presión inferior a P1, la corriente de NOx gaseoso o el gas residual expandido, y una salida en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; o
• un expansor adicional de gas residual en comunicación fluida con la corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido.
7. El sistema, según las reivindicaciones 1 a 5, comprende además:
• un blanqueador de alta presión en comunicación fluida con la torre de absorción para eliminar los gases NOx de la corriente de gas NOx residual crudo que contiene ácido nítrico; y
• un electrolizador de agua de alta presión en conexión fluida con el blanqueador de alta presión; donde la fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno es el electrolizador y está en comunicación fluida con el blanqueador de alta presión y, a su vez, con la torre de absorción y un área aguas abajo del compresor de gas NOx y aguas arriba de la torre de absorción.
8. Un método para producir ácido nítrico con un consumo de energía reducido, que comprende los siguientes pasos:
a) comprimir aire en un compresor de aire, produciendo así una corriente de aire comprimido; b) mezclar gas presurizado rico en oxígeno, a una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, con la corriente de aire comprimido, obteniendo así una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido;
c) realizar la mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido con una corriente de gas amoníaco en un mezclador, produciendo así una mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno, de modo que se alcance una relación molar de oxígeno a amoníaco de entre 1,3 y 9;
d) oxidar el amoníaco presente en la mezcla de amoníaco y aire enriquecido con oxígeno en un convertidor de amoníaco a una temperatura de 800 a 950 °C, produciendo así una mezcla gaseosa de NOx y vapor, compuesta por agua y óxido nítrico.
e) convertir el vapor generado en el convertidor de amoníaco o de la mezcla gaseosa de NOx/vapor en energía;
f) separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor, generando así una mezcla acuosa diluida de ácido nítrico y una corriente gaseosa de NOx en un enfriador/condensador de agua;
g) comprimir la corriente gaseosa de NOx, produciendo así una corriente comprimida de gas NOx en un compresor de gas NOx;
h) absorber la corriente gaseosa de NOx en una torre de absorción, produciendo así una corriente de ácido nítrico crudo que contiene gas NOx residual y un gas residual compuesto por gases NOx; e
i) expandir el gas residual en un expansor de gas residual, generando así un gas residual expandido;
caracterizado porqueel método comprende además los siguientes pasos:
j) mezclar parte del gas residual obtenido en el paso h) a una presión P1 con la corriente de aire comprimido, generando así una comunicación fluida entre la corriente de gas residual y la corriente de aire comprimido;
k) medir la temperatura en el convertidor de amoníaco; y
l) ajustar la cantidad del volumen total de gas mezclado en el paso j) si la temperatura medida en el paso k) está fuera del rango de 800-950 °C, de modo que la temperatura en el convertidor de amoníaco se mantenga entre 800 y 950 °C.
9. El método según la reivindicación 8, que comprende además los siguientes pasos:
m) calentar el gas residual obtenido en el paso h) a una temperatura de entre 200 y 650 °C en un calentador de gas reesidual situado aguas arriba del enfriador/condensador de agua con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco.
10. El método según la reivindicación 8, que comprende además:
m) calentar el gas residual obtenido en el paso h) a una temperatura de entre 200 y 650 °C en un calentador de gas residual ituado aguas arriba del enfriador/condensador de agua con el calor de la mezcla de gas NOx/vapor procedente del convertidor de amoníaco; en donde, en el paso h), se presuriza parte del gas residual obtenido en el paso h) o en el paso m).
11. El método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende además:
n) operar un electrolizador de agua a alta presión para producir el gas oxígeno utilizado en el paso de mezcla i).
12. El método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, que comprende además:
o) enviar un gas rico en oxígeno con una presión al menos igual a la atmosférica a la entrada del compresor de aire.
13. El método, según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que comprende además los siguientes pasos:
p) alimentar una fuente adicional de gas presurizado rico en oxígeno aguas abajo del compresor de gas NOx y aguas arriba de la torre de absorción; u operar un eyector de gas con una primera entrada, una segunda entrada y una salida, haciendo fluir la corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido hacia la primera entrada, haciendo fluir una fuente de aire o gas rico en oxígeno a una presión inferior a P1, la corriente de NOx gaseoso o el gas residual expandido hacia la segunda entrada, y eyectando la mezcla de gases en la salida hacia la corriente de aire comprimido; o expandir la corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido en un expansor de gas residual adicional.
14. El método, según la reivindicación 13, que comprende además los siguientes pasos:
q) operar un blanqueador de alta presión en comunicación fluida con la torre de absorción, eliminando así los gases NOx de la corriente de gas NOx residual que contiene ácido nítrico crudo; r) operar un electrolizador de agua a alta presión, lo que produce la fuente de gas presurizado rico en oxígeno; y
s) suministrar la fuente de gas presurizado rico en oxígeno al blanqueador de alta presión y, a su vez, a la torre de absorción y a una zona aguas abajo del compresor de gas NOx y aguas arriba de la torre de absorción.
15. Uso del sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para llevar a cabo el método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14.
16. Un método para modernizar un sistema de producción de ácido nítrico, donde el sistema existente comprende:
• un compresor de aire para comprimir aire, con una entrada y una salida, para introducir una corriente de aire comprimido;
• opcionalmente, una fuente de gas presurizado rico en oxígeno con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, en comunicación fluida con ésta, para obtener una mezcla de gas/aire comprimido rica en oxígeno;
• un aparato mezclador para mezclar la mezcla de gas/aire comprimido rica en oxígeno con una corriente de gas amoniaco, para obtener una mezcla de aire enriquecido con amoniaco y oxígeno; un convertidor de amoniaco para oxidar el amoniaco en la mezcla de aire enriquecido con amoniaco y oxígeno, para obtener una mezcla de gas/vapor de NOx, que comprende agua y óxido nítrico; medios para medir la temperatura en el convertidor de amoníaco;
• medios para regular la concentración de amoníaco y oxígeno en el convertidor de amoníaco; • una turbina de vapor o un motor eléctrico y medios para convertir vapor en electricidad, en comunicación fluida con el convertidor de amoníaco o la mezcla de vapor de NOx/gas;
• un enfriador/condensador de agua para separar y condensar el vapor del gas NOx en la mezcla gaseosa de NOx/vapor, generando así una mezcla acuosa de ácido nítrico diluido y una corriente gaseosa de NOx;
• un compresor de gas NOx para comprimir la corriente gaseosa de NOx y proporcionar una corriente de gas NOx comprimido;
• una torre de absorción aguas abajo del compresor de gas NOx para absorber los gases NOx de la corriente de gas NOx comprimido en agua y proporcionar una corriente de gas NOx residual con ácido nítrico crudo y un gas residual que contiene gases NOx, con una salida de gas residual en la torre de absorción para evacuar dicho gas; y
• un expansor de gas residual para expandir el gas residual, generando así un gas residual expandido aguas abajo de la torre de absorción, que comprende una entrada del expansor de gas residual en comunicación fluida con la salida de gas residual de la torre de absorción, y una salida del expansor de gas residual;
en un sistema según las reivindicaciones 1 a 6, que comprende los siguientes pasos:
• introducir medios para dividir el gas residual en una primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y una segunda corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; e
• introducir medios para ajustar la cantidad de gas residual que se divide en la primera corriente de gas residual en comunicación fluida con la entrada del expansor de gas residual y la segunda corriente de gas residual en comunicación fluida con la corriente de aire comprimido; y
• opcionalmente, introducir una fuente de gas presurizado rico en oxígeno, como un electrolizador de alta presión, con una presión superior a la de la corriente de aire comprimido, y conectar fluidamente la fuente de gas presurizado rico en oxígeno con la corriente de aire comprimido para obtener una mezcla de gas rico en oxígeno y aire comprimido.
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