VIABILIDAD TÉCNICA

VIABILIDAD TÉCNICA Introducción: Se realizará un análisis del proceso en forma general, luego se mostrarán las principales tecnologías de diversos licenciantes y se escogerá la tecnología más conveniente y adecuada para nuestro medio, tanto para la obtención de amoniaco como para la obtención de urea. También se analizará el tamaño de planta y la localización más adecuada de la planta 1. PROCESO DE OBTENCIÓN DE AMONIACO La obtención de amoniaco pasa por diferentes etapas, en primer lugar el gas natural y el vapor son mezclados y precalentados para ingresar a un reformador primario. Reformador Primario: La mezcla de gas natural y vapor de agua ingresan a un reactor que en sus tubos contiene catalizador de níquel. Las temperaturas y presiones están en el rango de 700-800 ºC y 30-50 atmósferas, respectivamente. Las reacciones principales son: ( ) ( )

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Esta mezcla fluye al reformador secundario. Reformador Secundario: La principal reacción que ocurre en este reactor, es la oxidación parcial del metano con una cantidad limitada de aire. El producto es una mezcla de hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. La reacción química es representada como sigue: ⁄ (

)

La temperatura del reactor puede alcanzar los 900ºC en este reformador, debido al calor de la reacción exotérmica. Shift Conversión: El producto de gas proveniente del reformado secundario es enfriado y enviado a la unidad de conversión con vapor (Shift converter). La carga de esta unidad se caracteriza por tener grandes cantidades de monóxido de carbono, el cual debe ser oxidado. En la unidad el monóxido de carbono reacciona con vapor de agua, para dar dióxido de carbono e hidrógeno. La reacción química es altamente exotérmica y se representa como:

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El reactor contiene catalizador de fierro soportado en óxido de cromo, alcanzando la oxidación el rango de temperatura de 425-500 ºC Remoción de dióxido de carbono: Los gases de salida de la unidad Shift Conversión son tratados para remover el dióxido de carbono. Esto puede ser efectuado absorbiendo este compuesto por procesos físicos o químicos como Monoetanolaminas (MEA) o solución de carbonato de potasio o adsorbiendo por medio de tamices moleculares. El dióxido de carbono recuperado es un coproducto que posteriormente se utilizará con el amoniaco para producir urea. Metanación: La corriente de gas que contiene básicamente hidrógeno y nitrógeno se pasa por un reactor de lecho fijo (Catalizador de níquel) donde las trazas de óxidos de carbono se convierten a metano. Las reacciones principales son: ( ) ( )

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El reactor de Metanación opera en el rango de 200-300 ºC y aproximadamente 10 atmósferas. El producto purificado es una mezcla de hidrógeno y nitrógeno con un ratio de 3:1 para la producción de amoniaco. Compresión de Syngas: La mezcla de hidrógeno y nitrógeno se comprimen a altas presiones en el rango de 200-300 atmósferas por medio de compresores centrífugos de gran capacidad. Síntesis de amoniaco (Proceso de Haber-Bosch): El proceso de la obtención del amoniaco consiste en sintetizarlo directamente a partir de hidrógeno y nitrógeno. La mezcla de hidrógeno y nitrógeno en la proporción de 3:1, se comprime para ingresar a un reactor que contiene catalizador de fierro. Se efectúa la reacción por medio de la siguiente reacción, a una temperatura de 500ºC y presión entre 200-300 atmósferas.

Separación: El hidrógeno y el nitrógeno no convertidos son separados del amoniaco por procesos de enfriamiento utilizando agua de refrigeración (El amoniaco condensa a 33ºC). El hidrógeno y el nitrógeno son reciclados a los compresores de Syngas y el

amoniaco condensado es almacenado en tanques para posterior comercialización o utilización en otros procesos. A continuación se presenta las principales licenciantes de tecnología para la obtención de amoniaco: 1.1. TECNOLOGÍA CASALE

Aplicación: Para producir amoniaco anhidro a partir de gas natural. El proceso se basa en la aplicación de equipos altamente eficientes de Casale, incluyendo:     

Diseño Casale de alta eficiencia para el reformador secundario. La tecnología Casale axial-radial de conversión catalítica Sistema eyector CASALE de lavado de amoniaco La tecnología Casale axial-radial para el convertidor de amoniaco Diseño avanzado Casale en el calentador residual en la síntesis.

Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook El gas natural (1) es primero desulfurado (2) antes de entrar al reformador de vapor (3) donde el metano y otros hidrocarburos se hacen reaccionar con vapor para ser parcialmente convertidos a gas de síntesis: Hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO)

y dióxido de carbono (CO2). El gas parcialmente reformado entra al reformador secundario (4) donde es inyectado aire (5), y el metano se convierte finalmente a gas de síntesis. En esta unidad Casale suministra un quemador de procesos de alta eficiencia caracterizado por un bajo ∆P y una llama pequeña. El gas reformado se enfría generando vapor de alta presión (HP), y luego entra en la sección Shift (6), donde el CO reaccionan con el vapor para formar hidrógeno y CO2. Hay dos convertidores Shift, Shift de alta temperatura y shift de baja temperatura, ambos están diseñados de acuerdo con el diseño único Casale Radial-Axial para lechos de catalizador, lo que garantiza un bajo ∆P, un volumen de catalizador más bajo, una más larga vida del catalizador y recipientes a presión menos costosos. El shift gas se enfría aún más y luego entra a la sección de remoción de CO2 (7), Donde el CO2 se elimina por lavado (8). El gas lavado, después de un precalentamiento, entra al reactor Metanador (9), donde las trazas restantes de óxidos de carbono se convierten en metano. El gas de síntesis limpio puede entrar en el compresor syngas (10), donde se comprime a la presión de síntesis. Dentro del compresor de syngas, el gas es secado por un lavado de amoniaco impulsado por un eyector Casale para remover la saturación de agua y posibles trazas de CO2. Esta tecnología patentada aumenta aún más la eficiencia del circuito de síntesis, mediante la reducción de los requerimientos de potencia del compresor de gas de síntesis y la carga de energía en la sección de refrigeración del circuito de síntesis. El Syngas comprimido alcanza el circuito de síntesis (12), donde se convierte en amoniaco en el convertidor Casale axial-radial (13), caracterizado por la conversión más alta por paso y resistencia mecánica. El gas es entonces enfriado aguas abajo, en una caldera de calor residual (14), que ofrece el diseño tubos de agua de Casale, donde se genera vapor de alta presión. El gas se enfría adicionalmente (15 y 16) para condensar el producto amoniaco (17) que es separado a continuación, mientras que se recircula el gas sin reaccionar (18) de vuelta al convertidor (19). Los inertes (20), presentes en el gas de síntesis, se purgan del circuito a través de la unidad de recuperación de purga Casale (21), lo que garantiza una recuperación casi completa del hidrógeno purgado (22) de vuelta al circuito de síntesis (12), mientras que los inertes son reciclados como combustible (23) de nuevo al reformador primario (3). Economía: Gracias a la alta eficiencia del proceso y diseño de los equipos, el consumo total de energía es inferior a 6,5 Gcal / TM de amoníaco producido. Plantas comerciales: Una planta de 2.050 tpd ha estado en funcionamiento desde principios de 2008, y cuatro más de 2050 tpd cada uno, están en construcción. Licenciante: Ammonia Casale SA, Switzerland .

1.2. TECNOLOGÍA UHDE GMBH

Aplicación: Este proceso se utiliza para producir amoniaco a partir del gas natural, GNL, GLP o nafta. Otros hidrocarburos - carbón, petróleo, residuos de metanol o purga de gas también son posibles como materias primas con ciertas adaptaciones. Este proceso utiliza la reformación convencional con vapor para la generación de gas de síntesis y un circuito de síntesis de amoníaco. Está optimizado con respecto al bajo consumo energético y la máxima fiabilidad. La planta más grande de un solo tren construido por Uhde con una síntesis convencional tiene una capacidad nominal de 2.200 toneladas métricas por día. Sin embargo para capacidades superiores es recomendable el Proceso de doble presión Uhde. Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook Las materias primas (gas natural un ejemplo) son desulfuradas, mezcladas con vapor de agua y se convierten en gas de síntesis sobre un catalizador de níquel de aproximadamente 40 bar y 800 ºC a 850 ºC en el reformador primario. El reformador de

vapor Uhde es un reformador con tubos de acero micro aleación y un sistema propio “cold outlet manifold”, lo que mejora la fiabilidad.

En el reformador secundario, el aire de proceso es admitido en el gas de síntesis a través de un sistema de boquilla especial dispuesta en la circunferencia de la cabeza del reformador secundario que proporciona una mezcla perfecta de aire y gas. Con la generación de presión alta (HP) y sobrecalentamiento garantizan el uso máximo de calor para lograr un proceso eficiente de energía optimizada. El CO se convierte en CO2 y en el cambio de LT sobre los catalizadores convencionales. El CO2 se retira en una unidad de lavado, que normalmente es la BASF-aMDEA o el proceso UOP-Benfield. Los óxidos de carbono restantes se reconvirtieron en metano en la metanización catalítica hasta niveles de ppm. La síntesis de amoníaco utiliza dos convertidores de amoníaco con tres lechos de catalizador. El calor residual se utiliza para la generación vapor de alta presión y los generadores de vapor de recuperación de calor con agua de alimentación integrada van al precalentador de caldera que contiene una placa de tubos refrigerados especiales para minimizar la temperatura de la piel y las tensiones materiales. Los convertidores mismos tienen el concepto de flujo radial para minimiza la caída de presión en el circuito de síntesis y permite tasas de conversión máxima de amoníaco. El amoníaco líquido se separa por condensación desde el circuito de síntesis y será subenfriado y luego llevado al almacenamiento, o se transporta a temperatura moderada para los consumidores subsiguientes. El vapor de amoníaco y gases de purga se tratan en un sistema de lavado y una unidad de recuperación de hidrógeno (no mostrado), y los restos se utilizan como combustible. Plantas comerciales: Entre 1998 y 2010 se han construido nueve plantas de amoniaco, y seis instalaciones están bajo la ingeniería o construcción con capacidades que van desde 600 tpd métrica hasta 2, 200 tpd métrica.

1.2.1. Amoniaco Dual pressure process Aplicación: producción de amoníaco a partir de gas natural, GNL, GLP O nafta. El proceso utiliza vapor convencional de reformación para la generación de gas de síntesis en la parte delantera del proceso, mientras que la sección de síntesis comprende una siguiente sección seguido del circuito de síntesis. De este modo se optimiza las plantas de amoniaco para producir grandes capacidades. La primera planta sobre la base

de este proceso será la planta de amoniaco SAFCO IV en Al-Jubail, Arabia Saudita, que está actualmente en construcción. Este concepto es la base de las plantas, incluso más grandes (4.000-5.000 tpd). Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook

El material de alimentación (por ejemplo, gas natural) se desulfura, mezclado con vapor de agua y se convierte en gas de síntesis sobre catalizador de níquel a aproximadamente 42 bar y 800-850 ° C en el reformador primario. El reformador de vapor Uhde es un reformador con tubos de acero micro aleación y un sistema propio “cold outlet manifold”, lo que mejora la fiabilidad. En el reformador secundario, se admite aire de proceso en el gas de síntesis a través de un sistema de boquilla especial dispuesta en la circunferencia del cabezal del reformador secundario que proporciona una buena mezcla de aire y gas.

La generación de vapor de alta presión (HP) sobrecalentado garantiza la máxima recuperación de calor del proceso para lograr un proceso eficiente con optimización de energía. Conversión de CO se logra en el HT y LT Shift sobre un catalizador estándar, mientras que el CO2 se elimina en la unidad de lavado mediante el proceso BASF-aMDEA, por el proceso UOP-Benfield o por UOP-Amine Guard process. Los óxidos de carbono remanentes se convierten a metano por metanización catalítica hasta quedar niveles de ppm. El circuito de síntesis de amoníaco utiliza dos etapas. El gas se comprime en dos etapas con refrigeración intermedia. La presión de descarga de este compresor es de aproximadamente 110 bar. Una vez enfriado pasa convertidor, en este lugar produce un tercio del total de amoníaco. El efluente de este convertidor se enfría y la mayor parte del amoníaco producido se separa del gas. En el segundo paso, el gas de síntesis restante es comprimido a la presión de funcionamiento del sistema de síntesis de amoniaco (aproximadamente 210 bar) en la carcasa de HP del compresor de gas de síntesis. Esta carcasa de HP funciona a una temperatura mucho más baja que la usual. La presión del sistema de síntesis se logra mediante la combinación de la segunda carcaza refrigerada del compresor de gas de síntesis y una presión frontal ligeramente elevada. El amoníaco líquido se separa por condensación a través de una sección, el circuito de síntesis es sub enfriado y dirigido a almacenamiento, o si no se lleva a temperaturas moderadas para otros consumidores. Vapores de amoniaco y gases de purga se tratan en un sistema de lavado y una unidad de recuperación de hidrógeno (no mostrada), los gases restantes se utilizan como combustible. Economía: las cifras de consumo típicas (alimentación + combustible) son de 6,7 a 7,2 Gcal por tonelada de amoniaco y dependerá del concepto de planta individual, así como las condiciones locales. Plantas comerciales: la primera planta sobre la base de este proceso es la planta SAFCO IV amoniaco con 3.300 tpd métrica en AI-Jubail, Arabia Saudita, en funcionamiento desde el 2006. Una segunda planta se encuentra en construcción. Licenciante Uhde GmbH

1.3. TECNOLOGÍA HALDOR TOPSOE A / S Aplicación: Para producir amoniaco a partir de una variedad de material de alimentación hidrocarbonado que van desde el gas natural a la nafta pesada utilizando la tecnología de amoníaco de baja energía Topsoe.

Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook Gas Natural u otra materia prima de hidrocarburo se comprime (si se requiere), desulfurado, mezclado con vapor y luego se convierten en gas de síntesis. La sección de reformación comprende un pre-reformador (opcional, pero da beneficios particulares cuando el material de alimentación son hidrocarburos pesados o nafta), un reformador tubular y un reformador secundario, donde se añade aire de proceso. La cantidad de aire se ajusta para obtener una relación de H2/N2 de 3.0 como se requiere por la reacción de síntesis de amoniaco. El reformador tubular de vapor es propiedad de Topsoe. Después de la sección de reformado, el gas de síntesis se somete a alta y baja temperatura de conversión shift, la eliminación de dióxido de carbono y metanización. El gas de síntesis se comprime a la presión de síntesis, que típicamente varía desde 140 hasta 220 Kg/cm2g y se convierte en amoniaco en un circuito de síntesis utilizando convertidores radiales de flujo de síntesis, ya sea el de tres lechos S-300 o S-350, el concepto de uso de un convertidor S-300 seguido por una caldera de vapor o sobrecalentador, y de un lecho convertidor S-50. El producto amoníaco se condensa y se separa por refrigeración. Este proceso de diseño es flexible, y cada planta de amoniaco será optimizado para las condiciones locales mediante el ajuste de diversos parámetros del proceso. Topsoe suministra todos los catalizadores utilizados en las etapas de proceso catalítico para la producción de amoníaco. Las características tales como la inclusión de un prereformador, la instalación de un quemador en forma de anillo con boquillas para el reformador secundario y la actualización a un convertidor de amoniaco S-300, todas las características serán facilitar el mantenimiento y mejorar la eficiencia de la planta.

Plantas comerciales: Más de 60 plantas utilizan el concepto de proceso Topsoe. Desde 1990, 50% de la nueva capacidad de producción de amoníaco se ha basado en la tecnología de Topsoe. Capacidades de las plantas construidas dentro de la última gama de 650 TMPD hasta más de 2000 TMPD. El diseño de nuevas plantas con una capacidad aún mayor está disponible. 1.4 TECNOLOGÍA KBR La empresa KBR Energy and Chemicals es licenciante y posee tecnología propia para la producción de amoníaco, ofreciendo tecnología para plantas con capacidades que se encuentren en el rango de los 500 a 4.000 TM/D. Dicha empresa posee la tecnología para los procesos KRES, Purificador y KAAP, que a su vez forman parte del proceso Tecnología KAAPplus. La Síntesis KAAP utiliza el catalizador de KAAP de rutenio en lecho de carbón logrando trabajar a bajas presiones de operación y alcanzando una actividad superior de hasta veinte veces en comparación del uso tradicional del catalizador de hierromagnetita. Consecuentemente, la presión del proceso de síntesis baja a cerca de 90 bar, lo que significa ahorros significativos en costo de capital y mantenimiento del proceso. Por lo que podemos decir que las ventajas de la tecnología de KAAP incluyen:   

Un compresor de gas de síntesis que reduce los costos de capital, el funcionamiento y mantenimiento. Costo de capital reducido debido a la baja presión de diseño. Conversiones más altas del amoníaco con volúmenes reducidos de catalizador.

Cabe señalar que KBR fue elegido para diseñar, construir y operar una planta de amoniaco en Egipto de capacidad de 2000 TM/D representando en el año 2006 uno de las más grandes aplicaciones de la tecnología KAAP realizada por dicha empresa.

2. PROCESO DE OBTENCIÓN DE UREA Reacciones principales: La obtención de urea pasa por la producción de un intermedio llamado carbamato de amonio que por deshidratación genera urea, las principales reacciones químicas son las siguientes: ( )

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( (

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⁄ ⁄

Las dos reacciones están en equilibrio y sus principales limitaciones son las siguientes:  No hay una conversión total de los reactivos.  No hay una desaparición completa del producto intermedio, carbamato, hacia la urea.  La reacción de transformación de carbamato en urea es muy lenta, por lo que determina la velocidad de reacción. Estos hechos hacen necesarios operar en dos etapas:  En la primeara, se obtiene un efluente constituido por urea (40 a 60 %), carbamato de amonio, y los reactantes no convertidos como el amoniaco y el gas carbónico.  En la segunda, se elimina el carbamato de amonio por un proceso de descomposición, siguiendo la inversa de la reacción de formación para obtener los reactivos de partida:

()

( )

( )

La principal reacción secundaria es la siguiente:

En ella se forma un compuesto denominado Biuret, como consecuencia de la recuperación y purificación de la urea. El biuret es un veneno para la flora por lo que su concentración debe ser inferior a 0.9 % en la composición del producto final.

Síntesis: Se realiza en una sola etapa en un reactor en las condiciones de operación siguientes: temperatura de 180-220 ºC y presión de alrededor 200 atmósferas. El amoniaco y el dióxido de carbono están presentes en el reactor de síntesis en una relación de 3.5:1 respectivamente (exceso de amoniaco) para promover la formación de urea. Según estas condiciones más del 70% de carbamato es descompuesto a urea. La mezcla formada por urea y carbamato amónico se deja expansionar a 200 ºC y 30 atmósferas, en estas condiciones ingresan a una columna de destilación (descomponedor). En este equipo la urea sale por el fondo, liberándose del carbamato amónico. El carbamato amónico se descompone en amoniaco y gas carbónico, saliendo estos gases por el tope de la columna. La solución es concentrada por evaporación para posteriormente ingresara a una torre de secado para obtener urea granulada. A continuación se presenta las principales licenciantes de tecnología para la obtención de amoniaco: 2.1. TECNOLOGÍA SAIPEM Aplicación: Produce Urea a partir de amoniaco y dióxido de carbono usando un proceso de stripping de amoniaco. Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook Amoniaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2) reaccionan a 150 bar para producir urea y carbamato de amonio. La conversión en el reactor es muy alta favorecida por un ratio de NH3/CO2 de 3.3 ~3.5:1 y una temperatura de operación de a C. Con estas condiciones se previene problemas de corrosión. El carbamato es descompuesto en tres etapas a diferentes presiones: en el stripper a la misma presión que el reactor, en el descomponedor de media presión a 18 bar y en el descomponedor de baja presión a 4.5 bar. Los reactantes que no se han transformado en urea son recirculados al reactor por medio de un eyector. Los equipos principales son instalados al nivel del suelo. Este layout es esencial para las plantas grandes. Los intercambiadores de calor están especialmente desarrollados para usar una baja energía. Cualquier acabado del producto puede ser acoplado a la síntesis: Prilling y granulado, ambos directamente o por cristalización. La planta es completamente libre de problemas de contaminación. Todos los venteos son eficientemente tratados o quemados para descargar a la atmósfera prácticamente libre de amoniaco o urea. Las aguas residuales del proceso se hidrolizan dentro de la planta para logar agua en especificación para alimentación a la caldera y recuperar el amoniaco y dióxido de carbono. La tecnología de granulación de snamprogetti es aplicada en plantas operativas de 1650 tpd desde 1990.

Economía: La materia prima utilizada para producir 1000 kg de urea (tipo prilling) son las siguientes:

INSUMOS Y MATERIA PRIMA Amoniaco (kg) Dióxido de carbono (kg) Vapor a 110 bar y 510 ºC (kg) Electricidad (kWh) Agua de enfriamiento (m3)

CONSUMO 566 735 735 21 80

Plantas comerciales: 116 plantas han sido licenciadas, con una capacidad hasta de 3850 tpd en un solo paso. Licenciante: Saipem 2.2. TECNOLOGÍA TOYO ENGINEERING CORP. (TOYO) Aplicación: Se utiliza para producir urea a partir de amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2) mediante el proceso de separación de CO2.

Fuente: Petrochemical Processes Handbook

Descripción: Amoníaco y dióxido de carbono reaccionan a 155 bares para sintetizar urea y carbamato. La tasa de conversión del reactor es muy alta bajo la relación N / C de 3,7 con una temperatura de 182 ºC - 185 ºC. Los materiales no convertidos en la síntesis de solución se separan de manera eficiente mediante la eliminación del CO. La condición de funcionamiento más suave y el uso de dos fases de acero inoxidable van evitar problemas de corrosión. El gas procedente del separador se condensa en un condensador vertical de carbamato. Se usa alta presión (HP) en el eyector para el sistema interno de recirculación y los principales equipos de síntesis se encuentran a nivel del suelo. La solución de urea a partir de la sección de síntesis se envía a una presión media (MP) de 17 bar y una de baja presión (LP) a 2,5 bar para purificación adicional. El amoníaco reciclado sin pureza es necesario para lograr una alta separación en el stripper. La unidad de evaporador de vacío produce material fundido de urea a la concentración requerida, ya sea para formación de prilling o de granulación. El lavado del venteo y el proceso de la unidad de tratamiento de condensados tratan a todas las emisiones, por lo tanto, la planta es libre de contaminación. El condensado del proceso se hidroliza y reutiliza como agua de alimentación de caldera. Toyo Engineering Corp. (TOYO) tiene una tecnología de granulación de chorro de fluido en lecho para producir urea granular típicamente 2 mm - 4 mm de tamaño. Debido a ser el propietario del granulador, el consumo de energía eléctrica es la más baja entre los procesos. Economía: Materia prima y consumos por tonelada de urea granulada son: INSUMOS O MATERIA PRIMA Amoníaco, Kg

CONSUMO 566

dióxido de carbono, Kg

733

vapor, 110 bar 510 ºC

690

energía eléctrica, Kw/h

20

3

75

agua, refrigeración, m

Plantas Comerciales. Más de 100 plantas, incluyendo las plantas de granulación de urea, se han diseñado y construido en base a tecnología de TOYO.

2.3. TECNOLOGÍA STAMICARBON B.V. 2.3.1. UREA MEGAPLANT Aplicación: Se utiliza para producir urea a partir de amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2), utilizando la tecnología urea Stamicarbon de stripping de CO2. La urea encuentra su aplicación en 90% como fertilizante, tambien se utiliza como material de base para la producción de resinas de melamina, como alimento para el ganado, y como un agente de reducción de NOx "Ad blue" Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook

Las grandes plantas de urea requieren equipo de alta presión (HP) que es difícil y costoso de fabricar. Para reducir los costos, Stamicarbon ha desarrollado un concepto de Mega planta que son plantas de urea de una sola línea que producen 5.000 tpd de urea. En el concepto de la Mega planta Stamicarbon, una porción del efluente líquido del reactor de urea se desvía a una sección de reciclado a presión media (MP), reduciendo así el tamaño de los vasos HP necesarios. Gracias al concepto de Mega planta, el tamaño del equipo requerido y las líneas de HP no excederá el tamaño de los equipos necesarios para 3500 tpd. Una Mega planta puede ser construida tanto con el Stamicarbon AVANCORE o la urea Stamicarbon 2000 además de esta tecnología. Alrededor del 70% de la solución de urea que sale del reactor fluye hacia el separador de alta presión de CO2. El resto se alimenta a una sección de recirculación. La alimentación reducida de líquido para el separador, a su vez, reduce no sólo el tamaño

del separador, sino también el intercambio de calor. El grado de eficiencia de separación se ajusta para asegurar vapor de baja presión como mucho es producido por la reacción de carbamato en el condensador, ya que se necesita en las secciones aguas abajo de la planta. Alrededor del 30% de la solución de urea que abandona el reactor se expande y entra en un separador de gas / líquido en una etapa de recirculación que funciona a una presión reducida. Después de la expansión, la solución de urea se calienta por vapor de media presión. Mediante el calentamiento de la solución de urea, el carbamato no convertido se disocia en NH3 y CO2. El concepto de mega planta de Stamicarbon no necesita de la sección de recirculación de NH3 como son comúnmente vistos en competidores, en plantas de urea de recirculación total. Esto es porque el bajo ratio molar NH3:CO2 en el separador de gases permite una fácil condensación solamente como carbamato. La presión de operación en la etapa e recirculación de media presión es alrededor de 20 bar. Luego la solución de urea deja el separador de disociación de media presión, este flujo entra en un stripper adiabático de CO2, que utiliza CO2 para despojar la solución. Como resultado de este proceso el ratio molar NH3:CO2 en el líquido que deja la sección de recirculación de media presión, es reducido, esto facilita la condensación de gases de carbamato en el siguiente paso. Los vapores que salieron del separador de disociación de media presión junto con los gases que salieron del stripper adiabático de CO2 son consensados en el lado de la carcasa del evaporador. El carbamato formado en la etapa de recirculación de baja presión es también ingresado en la carcasa del evaporador. El calor liberado por la condensación es usado para concentrar la solución de urea. Además la concentración de la solución de urea es alcanzada usando vapor de baja presión. Los remantes de NH3 y CO2 dejan la carcasa del evaporador y son enviados al condensador de carbamato de media presión. El calor liberado por condensación en este condensador es disipado mediante el sistema de agua de enfriamiento. Este proceso forma carbamato que contiene solo 20% a 22% en peso de agua. El carbamato es transferido por una bomba de alta presión hacia el lavador de alta presión en la sección de síntesis de urea. La solución de urea que deja el stripper adiabático de CO2 y el stripper de alta presión son expandidos juntos en la sección de recirculación de baja presión. Economía: Dependiendo de las diferentes opciones de intercambio de calor en el diseño, los materiales y la utilidad consumos de materia prima por tonelada de producto de urea normalmente son:

INSUMOS O MATERIA PRIMA

GRANULADA PRILLING

Amoníaco, Kg

564

767

Dióxido de carbono, Kg

730

733

Vapor, 23 bar, 330 ºC , Kg

770

785

56

20

64

71

Poder eléctrico, Kwh Agua, enfriamiento (Δ T =

ºC), m

3

Plantas comerciales: En la actualidad cinco plantas de urea están utilizando esta tecnología de Mega plata en su operación.

2.3.2 UREA 2000 PLUS Aplicación: para producir urea a partir de amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2), producción de resinas, melamina, como alimento para el ganado y como un agente reductor utilizando la tecnología Stamicarbon de stripping CO2. La urea encuentra su aplicación para el 90% como fertilizante, además la urea se utiliza como material de base para la de NOx. Descripción: El amoníaco y CO2 reaccionan a la presión de síntesis de 140 bar formando urea y carbamato (fig. 1). La conversión de amoniaco, así como de CO2 en la sección de síntesis es de 80%, debido a una recirculación extremadamente bajo de carbamato. Debido a la alta eficiencia de amoniaco, amoníaco no puro se recicla en este proceso. La temperatura de síntesis de 185 ° C es baja y, en consecuencia, la corrosión en la planta es insignificante. Debido a la diferencia de elevación dentro de la sección de síntesis, el reciclado interno se basa en el flujo por gravedad. Esto se traduce en requerimientos de energía eléctrica muy baja. El gas de síntesis de condensación en el condensador o reactor pool genera vapor, que se utiliza en las secciones aguas abajo dentro de la planta. Consumo de vapor de proceso es bajo.

Fuente: Petrochemical Processes Handbook En el procesamiento los inertes son ventilados a la atmósfera después del lavado, por lo que las emisiones de amoniaco en la planta son prácticamente cero. Debido a las altas conversiones en la síntesis, la sección de reciclado de la planta es muy pequeña. Una etapa de evaporación con un sistema de condensación de vacío produce urea fundida con la concentración requerida ya sea para la granulación o prilling. El agua de proceso se produce en la planta es tratada en una sección desorción / hidrolizador. En esta sección se produce un efluente, que es adecuado para su uso como agua de alimentación de caldera. Con la tecnología de Stamicarbon del condensador, la condensación se puede hacer muy eficiente mediante la inversión del condensador de carbamato de alta presión. Tecnología Urea 2000plus de Stamicarbon se puede ofrecer para capacidades de hasta 5,000 tpd - 6000 tpd. Dando un paso más, Stamicarbon inventó el reactor (fig.2), que combina de forma efectiva el condensador y el reactor de urea aguas abajo en una sola pieza de equipo de alta presión. El reactor tipo pool de las plantas de urea se ofrecen actualmente para capacidades de hasta 2 300 tpd.

Fuente: Petrochemical Processes Handbook

Economía: en función de las distintas opciones de intercambio de calor en el diseño, los materiales y consumos de materia prima por tonelada de producto de urea normalmente son:

INSUMOS O MATERIA PRIMA

GRANULADA PRILLING

Amoníaco (kg)

564

567

Dióxido de carbono (kg)

730

733

Vapor, 23 bar, 330°C (kg)

770

785

Energía eléctrica kWh

56

20

Agua, refrigeración m³

64

71

Plantas comerciales: Más de 150 plantas están en funcionamiento. La unidad de una sola línea más grande con urea 2000plus technology produce más de 3600 tpd. Licenciante: Stamicarbon B.V.

2.3.3 AVANCORE PROCESS Aplicación: para producir urea a partir de amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2), producción de resinas, melamina, como alimento para el ganado y como un agente

reductor utilizando la tecnología Stamicarbon de stripping CO2. La urea encuentra su aplicación para el 90% como fertilizante, además la urea se utiliza como material de base para la de NOx. Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook Amoniaco y dióxido de carbono se introducen a alta presión (HP) usando una bomba de amoniaco de alta presión (HP) y compresor de dióxido de carbono (fig 1). El NH3, junto con la solución de carbamato de la sección de recirculación, aguas abajo, entra en el condensador. La mayor parte del CO2 entra en la síntesis a través del separador de HP en contracorriente a la solución de urea y carbamato que sale del reactor. Por el lado de la carcasa, el separador de alta presión se calienta con vapor. El gas de escape del separador contiene CO2 junto con NH3 y CO2 resultante de carbamato disociado, se introduce en el condensador. La parte menor del CO2, entrando en la síntesis de la alimentación, entra en el reactor de urea en la parte inferior con el fin de producir suficiente calor para la reacción endotérmica de urea. En el condensador, NH3 y CO2 se condensan a partir de carbamato, y una parte sustancial de la conversión a la urea ya se ha establecido aquí. El calor liberado por la condensación y la posterior formación de carbamato se utiliza para producir vapor de baja presión reutilizable.

Aguas abajo del condensador, el líquido de urea y carbamato entra en el reactor vertical, si es necesario, que se encuentra a nivel del suelo. Aquí se lleva a cabo La parte final de la conversión de urea. La solución de urea a continuación, sale de la parte superior del reactor, todo por flujo por gravedad a través de un embudo de desbordamiento, antes de ser introducido en el separador de alta presión. Los gases que salen del reactor de urea se dirigen al condensador. Los gases que salen del condensador se introducen en el lavador que opera a una presión reducida. Aquí, el gas se lava con la solución de carbamato de la etapa de recirculación de baja presión. La solución de carbamato enriquecida se alimenta a continuación en el condensador. Este flujo de carbamato enriquecido no contiene más agua que las plantas de generaciones anteriores de Stamicarbon, lo que significa que las conversiones en la sección de síntesis son tan altas. Los gases inertes que salen del lavador a presión reducida que contiene algo de NH3 y CO2 se liberan a la atmósfera después del tratamiento en un absorbedor de baja presión. Economía: en función de las distintas opciones de intercambio de calor en el diseño, los materiales y la utilidad consumos prima por tonelada de producto de urea normalmente son:

INSUMOS O MATERIA PRIMA

GRANULADA PRILLING

Amoníaco (kg)

564

567

Dióxido de carbono (kg)

730

733

Vapor, 23 bar, 330°C (kg)

770

785

Energía eléctrica kWh

56

20

Agua, refrigeración m³

64

71

Plantas Comerciales: el proceso de urea AVANCORE es un nuevo concepto de síntesis de urea, que incorpora todos los beneficios de Stamicarbon de las anteriores innovaciones probadas. El proceso de urea AVANCORE combina las ventajas de la tecnología de urea 2000plus. Licenciante: Stamicarbon B.V

2.4. TECNOLOGÍA UREA CASALE Aplicación: Para producir urea a partir de amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2). El proceso se basa en la aplicación de equipo altamente eficiente de Casale, incluyendo: -

Condensador completo Casale Casale-dente bandejas de alta eficiencia

-

Hidrolizador Casale de alta eficiencia, es un proceso de separación de CO2 mejorada.

Descripción:

Fuente: Petrochemical Processes Handbook La urea se forma a partir de CO2 (18) y NH3 (19) en el circuito de HP (1) en el reactor (2) provisto de Casale-Dente bandejas de alta eficiencia. La solución de urea (3) del reactor (2), que contiene todavía NH3 y CO2 sin reaccionar, se trata en primer lugar en un separador (4), que operan a la misma presión que el reactor, se calienta con vapor de agua y el usando CO2 (18) como agente despojador para recuperar la mayor parte del CO2 y NH3 sin reaccionar. La corriente de vapor (5) (NH3, CO2 y H2O) generado en el separador, que contiene todos los productos inertes, se divide después de salir del separador (4) de alta presión (HP). Una porción de la corriente de vapor se envía al condensador de carbamato de HP (6) (condensador completo Casale), mientras que el resto de los vapores van directamente al reactor (2) El condensador Casale (6) es prácticamente un condensador sumergido y el flujo de carbamato obtenido en este equipo se envía al reactor. Desde el separador (4), la solución de urea, que contiene todavía NH3 y CO2 sin reaccionar, se envía a la etapa de descomposición a una baja presión (LP) / etapa de condensación (7a + 7b) cuando la totalidad de los remanentes NH3 y el CO2 sin reaccionar son recuperados en forma de una solución de carbamato (8).

La solución de urea-agua (9), que contiene sólo pequeñas cantidades de NH3 y CO2, se trata adicionalmente en una sección de evaporación al vacío (10) para obtener una masa fundida de urea (11) de la torre de granulación o granulador. El proceso de condensación, obtenido a partir del condensador de vacío (12) se purifica con dos columnas y una hidrolizador (13) para eliminar todo el NH3, CO2 y urea, obteniendo de este modo el agua purificada (14). La solución de carbamato (15) obtenido en la sección de LP se envía primero al lavador HP (16), donde se lavan los gases inertes (17) que salen del circuito de HP, y luego se envía a través del condensador Casale (6) al reactor (2). Economía: Gracias a su diseño, el proceso de circuito de flujo dividido Casale es altamente eficiente, para una capacidad dada, los beneficios del proceso incluyen baja inversión debido a los equipos de menor tamaño y el consumo de vapor de baja a media presión (22 bar, sobrecalentado) de 750 Kg / tonelada y el consumo de materia prima casi estequiométrica . Plantas comerciales: Tres plantas están en operación por el proceso de circuito de flujo dividido, con capacidades que van desde 1,300 TMPD hasta 2300 TMPD. Además, una planta con capacidad de 1000 TMPD fue construido recientemente. Licenciante: Urea Casale SA, Suiza 3. EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA Para escoger la tecnología más conveniente, se comprará los diferentes rendimientos de materia prima e insumos para obtener el producto, así como la cantidad de energía utilizada y el número de plantas instaladas.

AMONIACO DUAL PRESSURE UHDE GMBH PROCESSUHDE GMBH

TECNOLOGÍA

CASALE

HALDOR TOPSOE

Consumo total de energía (GJ/TM de producto)

6.5

No indica

No indica

7.2

Plantas instaladas

5

60

15

2

Insumos y materia primas

No indica

No indica

No indica

No indica

Tabla 1: Comparación de licenciantes para amoniaco.

UREA TIPO PRILLING: MATERIA Y INSUMOS USADOS POR TONELADA DE UREA PRODUCIDA

TEC.

Saipem Casale

Toyo Stamicarbon Stamicarbon Stammicarbon Engineering 2000 PLUS Avancore Megaplant

Amoníaco (Kg)

566

No indica

566

567

567

767

dióxido de carbono (Kg)

735

No indica

733

733

733

733

vapor, 110 bar 510 ºC

735

No indica

690

785

785

785

energía eléctrica ( Kw/h)

21

No indica

20

20

20

20

agua, refrigeración ( m3 )

80

No indica

75

71

71

71

Plantas instaladas

116

4

100

150

0 (nueva tecnología)

5

Tabla 2: Comparación de licenciantes para urea. Se seleccionan la tecnología de Haldor Topsoe apara amoniaco y la de Stamicarbon 2000 plus para urea.

4. TAMAÑO DE LA PLANTA Una planta de amoniaco de 1500 toneladas/día se considera como una planta de capacidad estándar. Existen plantas con capacidades por encima de las 1800 toneladas/día.

Este es el tamaño adecuado a partir del cual se alcanza una eficiencia en el proceso y en sistema energético. Para nuestro caso se proyectará una planta de 2000 TM/día de capacidad (Todo el amoniaco producido se usará para la fabricación de urea). 5. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA Consideraciones para la selección: Criterios Fundamentales

Económicos

Estratégicos

Institucionales

Estos criterios fundamentales para la localización de la planta se agrupan en factores que determinarán la elección de los criterios detallados -

costo de materia prima cercanía del mercado disponibilidad de potencia y combustibles disponibilidad de y costo de mano de obra posición geográfica eliminación de efluentes o residuos servicios básicos

Se tomará en cuenta también otros criterios del contexto y realidad del lugar en donde se plantea ubicar la planta,

Figura N° 1: Panorama en la zona sur del Perú. Fuente: MINEM

Se realizará la comparación de diferentes propuestas de ubicación, en los puntos ya mencionados de forma cualitativa (aún no se tiene datos económicos exactos para un análisis cualitativo minucioso). Propuestas de ubicación: -

Pampa Melchorita o Clarita, Cañete. Matarani, provincia de Islay, departamento de Arequipa. Paracas, provincia de Pisco, departamento de Ica San Juan o San Nicolás de Marcona, distrito de Marcona, provincia de Nazca, departamento de Ica Ilo, provincia de Ilo, departamento de Moquegua

Figura N° 2: Gaseoductos existentes y en proyectos en la zona sur del Perú. Fuente: MINEM

PRODUCCIÓN Y SEPARACIÓN DEL GAS NATURAL

PROYECTOS INDUSTRIALES

Figura N° 3: Visión de la industria en el Perú. Fuente: MINEM

Evaluación Y Selección De La Ubicación De La Planta La evaluación será determinada según el rango de calificación siguiente: Rango de calificación: de 0 a 1 Donde: 0  Poca probabilidad, no conveniente : 0.5  Hay probabilidad, incertidumbre de dudas : 1  Buena probabilidad, conviene

Método cualitativo, localización de la planta LUGARES DE UBICACIÓN Cañete

Matarani (Arequipa)

Paracas (Ica)

Marcona (Nazca)

Ilo (Moquegua)

1

1

1

1

1

0.5

1

0.5

0.5

1

1

1

1

1

0.5

Posición geográfica

1

1

1

1

1

Eliminación de efluentes o residuos

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

FACTORES A TOMAR EN CUENTA Costo de materia prima (transporte) Cercanía del mercado (costo) Costo de mano de obra

Servicios básicos

0.5

0.5

Posición geográfica

0.5

1

0.5

1

1

Disposición política regional y nacional

1

1

1

1

1

5.5

7

5.5

6

6

TOTAL

Conclusiones: Según el análisis cualitativo, la ubicación adecuada de la planta sería Arequipa, pero los demás lugares no se pueden descartar (no hay muchas diferencias en el análisis cualitativo) Se necesitará un análisis más exhaustivo (De forma cuantitativa) entre las ubicaciones q dieron de resultado los más altos valores, así tenemos: Matarani, Marcona e Ilo.