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Resumen: Se produce amoníaco sintético mediante el uso de la adsorción por presión variable para extraer hidrógeno. Se optimiza el sistema de recuperación de los gases residuales generados por este proceso. Se utiliza una mezcla de gases desorbidos y gases provenientes de los hornos de coque para obtener gas combustible. Además, se emplea un sistema de suministro de gas en paralelo mediante PSA, con el objetivo de lograr la producción de amoníaco líquido a partir de dos fuentes de gas diferentes. Se analizaron las ventajas y desventajas de todo el proceso. Palabras clave: Gas de horno de coque, gas desorbido por PSA, recuperación, amoníaco líquido. Introducción: Los dispositivos de extracción de hidrógeno a partir del gas de liberación de metanol generan una gran cantidad de gas desorbido al mismo tiempo que producen hidrógeno de alta pureza. El gas desorbido representa entre el 30% y el 35% del gas de liberación de metanol. Los componentes del gas desorbido son CH4 (11,09%), H2 (24,11%), CO (8,93%), N2 (40,98%) y CO2 (14,89%). Si se vierte directamente en la atmósfera, no solo se genera un desperdicio de energía, sino que también se causa contaminación ambiental; por lo tanto, es necesario reciclarlo. 1. Análisis de los equipos existentes 1.1 Análisis de la capacidad de producción de los equipos La capacidad de diseño del equipo para la síntesis de amoníaco es de 100 kt/a. El gas de alimentación proviene de dos plantas de metanol con capacidad de 100 kt/a cada una, ubicadas dentro del complejo industrial. El nitrógeno, por su parte, proviene del sistema de separación del aire de dichas plantas de metanol. Cada planta de metanol produce entre 12000 y 14000 Nm3/h de gas de desecho de metanol. Dos plantas juntas pueden producir entre 24000 y 28000 Nm3/h de gas de desecho de metanol. Por hora, se puede obtener entre 15600 y 18200 Nm3/h de hidrógeno puro. Debido a la instalación de nuevos equipos de producción de caprolactama en el complejo, PSA se encargará de suministrar hidrógeno, tanto para la refinación del benceno crudo como para la hidrogenación del benceno con el fin de obtener ciclohexano, además del hidrógeno necesario para el uso en peróxido de hidrógeno. Se necesitan 14.000 Nm3/h de hidrógeno por hora. Después del equilibrio, solo quedan entre 1600 y 4200 Nm3/h de hidrógeno disponible para la síntesis de amoníaco. Por lo tanto, la planta de síntesis de amoníaco no podrá satisfacer las necesidades de producción de caprolactama. Será necesario construir una nueva planta que utilice una mezcla de gas de coquería y gas de desorción PSA para producir hidrógeno y nitrógeno. 1.2 Descripción del proceso original: El gas de descompresión del metanol, proveniente de la planta de producción de metanol, es purificado mediante el proceso PSA, lo que permite obtener hidrógeno de alta pureza. Este hidrógeno se combina con nitrógeno comprimido, proveniente de la planta de separación del aire. Juntos, estos gases ingresan a la planta de metanización, donde el CO y el CO2 se convierten en CH4. Posteriormente, el gas resultante es sometido a un proceso de presurización antes de ser enviado al proceso de síntesis. Véase la Figura 1. Fig. 1. Diagrama simplificado del proceso original de síntesis de amoníaco. Además, la opción para recuperar el gas descompresado en el equipo PSA consistía en utilizarlo para la combustión en las cámaras de carbonización de los altos hornos. Sin embargo, debido a las grandes fluctuaciones de presión, ese gas no podía ser utilizado para la combustión y, en su lugar, se vertía directamente en las antorchas de combustión, lo que representaba un desperdicio de recursos. 2. Análisis del equipo tras la modificación
2.1 Análisis de la capacidad de producción tras la modificación
El nuevo equipo para la producción de gas funciona bien en la actualidad. La cantidad de gas proveniente de los altos hornos es de 17.500 Nm3/h; el gas purificado se envía a las unidades de síntesis a una tasa de aproximadamente 26.000 Nm3/h, lo que equivale a unos 9 toneladas de amoníaco por hora. Con esto, se logra alcanzar el objetivo de producción máxima, en conjunto con el proceso existente. 2.2 Descripción del proceso: El gas de coquera y los gases residuales del proceso PSA ingresan a los tanques de almacenamiento de gas. Posteriormente, son comprimidos por un compresor combinado para gas de coquera/gas purificado, y luego pasan al proceso de desulfuración. En este proceso, el azufre presente en el gas de coquera se elimina mediante conversión hidrogenada con hierro y molibdeno, así como con agentes desulfurizantes a base de óxido de zinc. Se introduce vapor de proceso según la relación agua-carbón requerida, en el horno de conversión por intercambio de calor; posteriormente, se añade aire enriquecido en oxígeno, también según los requisitos del proceso, para que entre en el segundo horno de conversión y se complete la reacción de conversión. El gas de conversión a altas temperaturas, tras ser sometido a recuperación de calor para precalentar el gas de alimentación y los líquidos de proceso, pasa por una reacción de conversión a bajas temperaturas del monóxido de carbono. Una vez que el contenido de monóxido de carbono se mantiene dentro de los valores establecidos, el gas es enviado al proceso de descarbonización MEDA. Después de eso, el gas es presurizado en la sección de purificación del compresor combinado de gas de horno de coque y gas purificado, y posteriormente se combina con el hidrógeno proveniente del PSA. Finalmente, este gas pasa por el horno de metanización y por el compresor combinado de gas sintético, antes de entrar en el proceso de síntesis. Véase la Figura 2. Fig. 2 Proceso actual de la planta de síntesis de amoníaco 2.3 Problemas detectados durante el inicio de operación del proceso reformado 1. El dióxido de carbono generado como subproducto por la planta (aproximadamente 4000 Nm3/h) se descarta directamente, lo que representa un desperdicio de recursos. Actualmente se planea instalar equipos de presurización para utilizar ese dióxido de carbono como material de carbonación en la producción de metanol; el dióxido de carbono restante se utilizará como hielo seco. 2. Según el control de los parámetros técnicos actuales relacionados con la operación del sistema y el equilibrio térmico, aún es necesario demostrar la viabilidad de añadir oxígeno en el sistema. Por el momento, el oxígeno se introduce únicamente cuando PSA produce una cantidad insuficiente de hidrógeno; esto representa una desviación considerable con respecto al diseño original ； Al diseñar la bomba de oxígeno líquido no se incluyó la posibilidad de variar su frecuencia de funcionamiento; por lo tanto, el exceso de oxígeno líquido que se utiliza se descarta directamente en el lugar, lo que representa una gran pérdida. 3. Dado que el sistema de descarbonización no se ha utilizado durante mucho tiempo después de su limpieza, y aunque se le ha lavado en varias ocasiones antes de su puesta en marcha, aún quedan impurezas sólidas en la solución del sistema. Por lo tanto, es necesario limpiar periódicamente la bomba de la solución ； Los enfriadores de la parte del sistema de descarbonización que utilizan intercambiadores de calor de tipo placa son propensos a obstrucciones, por lo que es necesario limpiarlos con frecuencia. 4. Los nuevos hornos de calentamiento del sistema son tres, y comparten un solo conducto de humos, lo cual no es seguro ni facilita la operación al inicio del funcionamiento. 5. La combinación del proceso de stripping del condensado con el flujo del proceso hace que, durante la calentamiento inicial del equipo, se requiera una mayor cantidad de trabajo para invertir el flujo. 6. El diseño es conservador: algunos componentes son de tamaño reducido y la cantidad de catalizador utilizado también es menor. 7. La disposición de los componentes del dispositivo no es adecuada, lo que dificulta la mantenimiento y el reemplazo del catalizador. 8. Al utilizar varios puntos de muestreo y un enfriador de muestras, se producen grandes errores en los resultados del análisis. 9. En la desorción a presión atmosférica de MEDA, se debe utilizar un sello de agua; no se deben emplear bombas de solución. 10. Los sellos de agua en las entradas y salidas del tanque de gas se encuentran por debajo del nivel del suelo, lo cual dificulta la evacuación del agua condensada. Por ello, deben colocarse en la superficie del suelo y contar con un sistema de drenaje automático. 3. Ventajas y desventajas de la producción de amoníaco sintético con dos fuentes de gas 3.1 Ventajas 1. El gas desorbido proveniente del proceso PSA se recupera en los tanques de almacenamiento de gas. Esto resuelve el problema ambiental que supone la eliminación directa de dicho gas en la atmósfera. Además, se recupera el CH4, H2, CO y N2, que son gases útiles para la producción de amoníaco sintético. Esto permite aumentar la producción de este producto. 2. La conversión del gas de coquera se realiza en dos etapas, lo que reduce el consumo de oxígeno puro y aumenta la conversión del gas metano. 3. Se combina el dispositivo de estirpación de los condensados del proceso con el equipo de producción de hidrógeno, lo que permite aprovechar al máximo el calor generado por estos equipos. De esta manera, se obtiene vapor como subproducto, y al mismo tiempo se estirapa los condensados del proceso, reduciendo así las emisiones de aguas residuales contenientes amoníaco. 3.2 Desventajas: 1. La presión y la composición del gas de desgasificación varían mucho; por lo tanto, no puede mezclarse adecuadamente con el gas de coquería en los tanques de almacenamiento. Esto afecta negativamente a la producción estable posterior. Además, cuando la cantidad de gas de coquería suministrado es baja (menos de 6000 Nm3/h), las fluctuaciones en el sistema son mayores después de la adición del gas de desgasificación. 2. Debido a la recuperación del gas de desgasificación, aumenta el contenido de nitrógeno en los tanques de gas. Esto hace que la capacidad de los compresores de gas de coquería sea insuficiente, lo que a su vez incrementa el consumo eléctrico del sistema. 3. El método de control mediante el cual el gas descompresado del proceso PSA ingresa al tanque de gas no es adecuado; se debe utilizar una válvula programable para controlar el proceso según la secuencia del PSA, lo que facilita un control estable de la relación entre hidrógeno y nitrógeno. 4. Resumen: Este complejo de producción de amoníaco sintético es el primero en el país en utilizar los gases residuales del metanol para producir hidrógeno. Los gases obtenidos se combinan con el gas de los altos hornos y, posteriormente, se convierten en hidrógeno. De esta manera, se logra la producción de amoníaco sintético a partir de dos fuentes de gas diferentes. Según la situación actual de operación de las instalaciones, el nuevo equipo de producción de hidrógeno se ha integrado con éxito al equipo existente para la síntesis de amoníaco. Una vez que se garantice un suministro estable de gas de coquería y gas de descompresión del metanol, será posible alcanzar el objetivo de producir 300 toneladas diarias de amoníaco líquido, logrando así tanto la plena capacidad productiva como la reducción de emisiones. También se analizan los problemas existentes en el equipo, con el fin de sentar las bases para futuras reparaciones y mejoras en él.