Perspectiva De Los Fertilizantes Nitrogenados.docx

Perspectiva de los fertilizantes nitrogenados El Medio Oriente es uno de los mayores productores de fertilizantes nitrogenados del mundo, con una producción estimada de amoníaco de cerca de 17 millones de toneladas y una producción de urea de 22 millones de toneladas en 2016. El bajo costo del gas natural en la región y Por lo tanto, el bajo costo de producción hace que la construcción de plantas de urea integradas orientadas a la exportación sea muy atractiva. Irán, Qatar y Arabia Saudita son las mayores regiones productoras de amoníaco y urea en el Medio Oriente, como se muestra en la Figura 1. En 2016, la región exportó un estimado de 16 millones t-17 millones t de urea; El segundo volumen de exportación regional más grande del mundo. En el Medio Oriente, Arabia Saudita es el mayor exportador de urea, seguido por Irán y Qatar.

Consumo histórico La demanda de fertilizantes en la región es relativamente pequeña, con un consumo estimado de aproximadamente 5 millones de toneladas en 2016. El Medio Oriente es en gran parte una región árida, y el desarrollo de su sector agrícola se ha visto obstaculizado por muchos factores, como el tamaño de las explotaciones pequeñas. Infraestructura débil, deterioro del suelo y escasez de agua. Sin embargo, debido a los bajos niveles de precipitación en gran parte de la región, el uso de fertilizantes es fundamental para mejorar la producción agrícola. Turquía e Irán representan más del 50% del consumo de urea en el Medio Oriente. Nexant cree que la demanda total de urea en Medio Oriente crecerá cerca del 3% por año hasta 2025, más rápido que el crecimiento del 1% por año experimentado en el período 2000-2017. La creciente población de la región y la consiguiente demanda de alimentos impulsarán el crecimiento regional de la urea en el segmento de aplicación directa, que representa aproximadamente el 80% del consumo total de urea en el Medio Oriente. Se espera que el consumo de Irán, que representa un tercio del consumo total de urea en el Medio Oriente, crezca cerca de 3.5% en la próxima década, impulsado por la creciente demanda de exportaciones de varios productos agrícolas.

Un gran impacto La capacidad de reforma en la mayoría de las plantas de amoniaco más antiguas está limitada por una combinación de factores. El reformador secundario en la mayoría de las plantas de amoníaco está infrautilizado debido a un déficit en los resultados en el sacrificio de la eficiencia energética, pero también a la producción máxima de amoníaco alcanzable, que tal vez no sea realizada por la mayoría de los operadores de la planta. Si el déficit en el flujo de aire del proceso es suficiente compuesto junto con un mayor precalentamiento y una capacidad de aire de proceso mínima. Como resultado de esto, el reformador primario generalmente se opera en condiciones subóptimas en la caída de presión, permite la integración del reformador secundario a una búsqueda para maximizar la producción de amoníaco. Del reformador primario no solo un potencial mucho mayor. El rendimiento mejorado del reformador secundario permite descargar el reformador primario para aumentar la producción de gas de síntesis con eficiencia energética mejorada Este artículo destaca un enfoque rentable y eficiente para descargar al reformador primario con el fin de impulsar un mayor rendimiento para aumentar la producción de amoníaco. Este nuevo enfoque utiliza una combinación de dos esquemas: un enfriamiento integrado de múltiples etapas (MIC) y / o un enfriamiento de múltiples etapas (MC) para actualizar el compresor de aire de proceso (PAC), junto con una división de flujo integrado de calor (HIFS) para el aire de proceso. Esta combinación no solo aumenta la capacidad del PAC

hasta un 115% sin una actualización costosa del PAC, sino que también maximiza el proceso de precalentamiento del aire con una caída de presión mínima a pesar de la sección de convección con espacio limitado. La capacidad de aire de proceso adicional no necesita ninguna potencia adicional ni ninguna modificación del PAC y su controlador. La producción adicional de amoníaco, junto con la reducción de la combustión y el consumo de vapor del conductor por tonelada de amoníaco, ofrece rendimientos atractivos.

Estudio de caso de una planta de amoniaco. KPl llevó a cabo un estudio exhaustivo de una gran planta de amoníaco para mejorar la capacidad y la energía mientras la implementación en otra planta de amoníaco está en progreso. La planta de amoníaco de referencia se había estirado a sus límites operativos a aproximadamente 1800 pts. Con las siguientes restricciones en la sección de reformado, incluyendo el PAC  

PAC operando cerca de su velocidad máxima de diseño (aproximadamente 103.6%) Baja temperatura de precalentamiento del aire del proceso (aproximadamente 130 ° F por debajo de lo normal) diseño)  Baja temperatura a la salida del reformador secundario (aproximadamente 75 ° F por debajo del diseño normal).  Mayor deslizamiento de metano del reformador secundario (+ 0.45% por encima de lo normal).  Mayor relación S / C en el reformador primario (aproximadamente 3.4) para bajar completamente los amortiguadores de ventilador ID / FD de deslizamiento de metano.  Baja temperatura de precalentamiento de la alimentación mixta (aprox. 40 ° F Temperatura inferior del vapor de sobrecalentamiento (aprox. 85 F por debajo del diseño normal). Diseño normal).  Flujo de calor muy alto (aprox. 133% por encima de lo normal).  Temperatura de precalentamiento de alimentación más alta (aprox. 95 ° F por encima de lo normal)  Fuga excesiva de aire de combustión del precalentador de aire giratorio (aprox., 15%).  Superficie de transferencia de calor por convección limitada (HT) sin espacio adicional para agregar más bobinas. Los límites adicionales en el balance de la planta incluyen:   

Compresores de gas de síntesis y de amoniaco a velocidades de 100% y 102.8%. Alta inercia en el gas de reposición (MUG) debido a las altas pérdidas de metano y CO2. Synloop ineficiente con alta inercia y alta proporción de hidrógeno a nitrógeno (H / N).

Renovar el enfoque de la premisa. La premisa principal del enfoque de renovación se basó en los siguientes requisitos:    

Sin modificaciones de los compresores principales. sacrificando la eficiencia energética o la confiabilidad los siguientes requisitos Sin tiempo de respuesta adicional Mínimo 10% de la producción de amoníaco sin capital mínimo con un reembolso atractivo.

El estudio de renovación de una planta con cuellos de botella tan alto con la premisa definida anteriormente supuso un desafío inusualmente grande, especialmente sin actualizaciones de compresor costosas. Basado en los cuellos de botella de la planta identificados junto con la premisa y el enfoque de la renovación, junto con una selección inicial de varios opciones, la mejora de la capacidad de aire del proceso se identificó como clave para actualizar la capacidad de reforma con cambios mínimos. Una revisión adicional de las opciones de mejora de la capacidad de la planta identificó un nuevo enfoque para evitar cualquier modificación de la capacidad de la planta con una eficiencia energética mejorada para una mayor capacidad de reformado, la capacidad de sincronización también es el principal compresor para un aumento razonable en el atractivo retorno. Para aprovechar al máximo el beneficio de una actualización necesaria para equilibrar y maximizar la producción de amoníaco. La discusión en este artículo se limitará principalmente a la actualización de la capacidad de reforma solo.

PAC. El PAC existente para la planta de amoníaco es una máquina centrífuga multietapa accionada por una turbina de vapor. Se configura en dos carcasas con cuatro etapas de compresión, cada una separada por un intercooler como se muestra en la Figura 1. El compresor de baja presión es accionado por una turbina de condensación que utiliza vapor de presión media sobrecalentada (MP), y el compresor de alta presión es accionado a través de Un engranaje que aumenta la velocidad acoplado a la máquina de alta presión.

¿Qué son los esquemas MIC o MC? Un MIC es un acoplamiento térmico por etapas del compresor de amoníaco con el PAC para maximizar su capacidad. La limitación de capacidad del PAC se evalúa con un modelo de reclasificación riguroso para el requisito de enfriamiento en cada etapa para maximizar su capacidad. La corriente de amoníaco está adecuadamente preparada para equilibrarse con el sistema de compresor de amoníaco existente. El esquema MIC puede usar un modo directo o indirecto de enfriamiento como se muestra en las Figuras 2 y 3. Un esquema MC es similar a un esquema MIC, excepto que usará un paquete de refrigeración externo. Dependiendo de las restricciones específicas de la planta, se puede usar un sistema híbrido con una parte del servicio de refrigeración suministrado por un paquete de refrigeración externo. En cualquier caso, la capacidad de PAC se maximiza al evaluar la limitación en cada etapa con el modelo de reclasificación riguroso. Los desafíos de las limitaciones de espacio en torno al compresor de aire de proceso se pueden manejar con un diseño diligente desarrollado por KPl y verificado con proveedores de compresores

Refrigeración de amoníaco de repuesto Cualquier combinación de las siguientes opciones se puede usar para crear cierta capacidad de refrigeración de amoníaco de repuesto a través del compresor de amoníaco existente, a menos que ya tenga alguna capacidad adicional. La capacidad de refrigeración de amoníaco de repuesto se usa con el PAC para mejorar su capacidad. Reducción de inertes totales en el MUG Optimización de inertes dentro de la sinloop dentro de los límites de la unidad de recuperación de purga Reducción marginal en la temperatura de suministro de CW (si es posible) Adición de un convertidor de cama individual.

Dependiendo de las restricciones específicas de cada planta de amoniaco, se puede adoptar una combinación de las medidas anteriores. En la mayoría de las situaciones, la capacidad adicional de amoníaco proporciona el mayor incentivo para una recuperación más rápida. En esa situación, agregar un convertidor de un solo lecho en serie puede proporcionar una opción viable para aumentar también la capacidad de sincronización para equilibrar razonablemente con la mayor capacidad de reformado para maximizar la producción de amoníaco junto con la eficiencia energética mejorada

Descargar la temperatura del reformador primario El flujo de aire del proceso adicional, junto con un mayor grado de precalentamiento, permite la salida del reformador secundario para aumentar con deslizamiento de metano reducido. Para obtener el beneficio adicional de esta actualización, se descarga el reformador primario para impulsar más rendimiento dentro de los límites de su sistema hidráulico y térmico para aumentar la producción de amoníaco. A continuación:  

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Reduzca la relación S / C para reducir el disparo del arco. Aumente el precalentamiento del aire del proceso utilizando el esquema HIFS con: o Modificaciones menores en las bobinas de convección. o Adición de un intercambiador de calor de vapor de alta presión externo. Aumento de la temperatura de alimentación mixta. Aumento de la temperatura de precalentamiento del aire de combustión.

El cambio en la conversión de metano para reformadores primarios y secundarios, junto con el deslizamiento reducido de metano, se muestra en la Figura 7 para la operación básica y el caso de renovación con una capacidad de 112% de amoníaco. Muestra un cambio en el deber de reforma del reformador primario al secundario para el caso de renovación. Además, el deslizamiento final de metano para el caso de renovación podría reducirse significativamente a pesar de una relación S / C reducida. El deslizamiento reducido de metano redujo proporcionalmente el nivel inerte en el MUG, lo que mejora la eficiencia de la sincronización con la utilización de gas de síntesis por tonelada de amoníaco. Además, el cambio de carga al reformador secundario con una proporción reducida de H2 / N2 ayudó a mejorar la conversión de amoníaco. Una combinación de inertes reducidos y una relación H / N más favorable ayuda a reducir la demanda de refrigeración de amoníaco por tonelada de amoníaco producido. La capacidad de refrigeración de amoníaco liberado se combina con el PAC para maximizar su capacidad. Los tubos de catalizador radiante se clasificaron rigurosamente para el perfil de temperatura máxima del metal del tubo para el caso de operación base, así como para el caso de renovación como se muestra en la Figura 8. La estimación del caso base de la temperatura del metal del tubo (TMT) también se comparó con la temperatura real. Mediciones de campo con un buen partido. Los TMT máximos estimados se analizaron más a fondo y también se verificaron a través de los proveedores de tubos radiantes para detectar cualquier impacto en su vida de diseño. Según el análisis de KPI, el TMT máximo estimado para el caso de renovación es aproximadamente 90'F más bajo que el valor de diseño. La vida de diseño del tubo de 100 000 hr no se vio afectada. No hubo modificaciones requeridas en la sección radiante.

Los parámetros clave del proceso de los reformadores para los casos de base y renovación se resumen en la Tabla 1. Los parámetros clave de la sección de convección para los casos de base y renovación, mientras tanto, se resumen en la Tabla 2

El ácido nítrico se fabrica a partir de amoníaco en forma de una solución de HNO, en agua, siguiendo el conocido proceso de Ostwald. Las concentraciones de 55-60% de HNO3 son necesarias para ser utilizadas en la industria de fertilizantes, mientras que las concentraciones azeotrópicas (65-70%) son requeridas por procedimientos generales en la industria de procesamiento químico, principalmente para la nitración orgánica. Espindesa desarrolló su proceso de alta presión durante la década de 1970 en Europa y, desde entonces, ha actualizado continuamente esta tecnología para lidiar con las regulaciones más severas y el creciente costo de la energía al desarrollar un proceso de doble presión. En el escenario real de energía y metales de alto costo, existe un claro beneficio del proceso dual para la fabricación de ácido nítrico en comparación con el proceso de presión simple principalmente para grandes plantas. Esto se debe principalmente a los costos operativos relacionados con el amoníaco y el catalizador, el platino. A principios de la década de 2000, Espindesa mejoró su proceso de doble presión, con concentraciones de ácido azeotrópico, bajo contenido de N2O y NOx emisiones de cola, consumo de materias primas y energías extremadamente eficientes y prevención de la contaminación al inicio y cierre de la planta.

Despliegue de procesos Como licenciante de procesos y proveedor de tecnología, Espindesa a menudo se encarga no solo de la ingeniería. Etapas del proyecto de adquisiciones y construcción (EPC), pero también de las etapas de puesta en servicio, puesta en marcha de la planta y servicio de soporte operativo. Para cubrir mejor las necesidades de sus clientes y usuarios finales de su tecnología. Espindesa necesitaba una herramienta que pudiera simplificar las etapas de puesta en marcha y puesta en marcha. La compañía especificó los requisitos para una herramienta de software; un gemelo digital de la planta de procesamiento que se podría usar para demostrar a los ingenieros y operadores de planta cómo se construyeron las nuevas instalaciones y cómo se espera que se comporten una vez que estén en funcionamiento. Además, a través de la integración con las interfaces hombre-máquina (HMI) de control de procesos existentes, también tenía que ser una herramienta excelente para capacitar a los operadores de campo y de control en los procedimientos operativos de la planta, así como en el sistema de control implementado.

Beneficios asociados ENADT, una vez implementado, se usaría principalmente para capacitar a los operadores de salas de control en varios aspectos de las instalaciones de la planta. Se ha demostrado que las herramientas de capacitación operativa basadas en modelos pueden proporcionar a los operadores el equivalente a aproximadamente seis años de capacitación en el trabajo, y que la capacitación periódica, especialmente en escenarios críticos de emergencia, eleva los niveles de habilidad del operador a su nivel más alto. Los simuladores dinámicos en tiempo real son reconocidos como la mejor herramienta de entrenamiento porque permiten obtener

experiencia en todo tipo de condiciones operativas de una manera virtual que incluye lo siguiente:        

Operación normal: diversas condiciones en torno al diseño. Escenarios operativos inusuales. Arranque desde condiciones frías. Reinicio desde condiciones disparadas. Apagado, tanto normal como de emergencia. Mal funcionamiento del equipo. Condiciones de emergencia y alteraciones del proceso. Comunicación con operadores de campo.

Además, la capacitación en simuladores es también una de las herramientas más rentables para la capacitación de operadores. Un simulador de alta fidelidad le permite al operador experimentar más situaciones operativas en un período relativamente corto de entrenamiento, generalmente antes de la puesta en servicio de la planta. Por lo tanto, un OTS representa el mejor método para realizar ejercicios de capacitación supervisados, que ayudan a reducir los errores del personal y, por consiguiente, maximizan la disponibilidad de la planta. En consecuencia, el uso de tales herramientas de capacitación da como resultado un aumento de la productividad de la planta y una mejora de la calidad del producto. Por lo tanto, los siguientes beneficios se pueden lograr mediante la capacitación adecuada del operador basada en una herramienta de simulación dinámica:   

Minimización del tiempo de inicio y, por lo tanto, logrando una producción estable dentro de un tiempo más corto. Reducción o prevención de incidentes de operación, Viajes y emergencias innecesarios, lo que conlleva un riesgo de daños al equipo. Aumento de la confianza del operador, que permite que la planta funcione más cerca de las especificaciones del producto y las limitaciones del proceso.

En el presente caso, el proceso de ácido nítrico, especialmente en la tecnología de proceso de doble presión, es principalmente un proceso continuo. Las operaciones de inicio y apagado son infrecuentes pero siguen siendo muy importantes. Estos transitorios pueden tardar mucho tiempo y la operación incorrecta puede conducir a altas emisiones de NO en la atmósfera. Pocos operadores de salas de control tienen la oportunidad de experimentar esas actividades en el campo. Por consiguiente. La mayoría de ellos tienen poca o no experiencia directa con tales procedimientos. La herramienta desarrollada por Inprocess llena este vacío y proporciona información sobre el proceso fuera de las condiciones normales de funcionamiento.

Proceso Oxidación con amoníaco. El aire del proceso se filtra y comprime hasta 3 - 4 bar en la primera etapa del sistema de compresión. El amoníaco evaporado se recalienta. , se filtra y se mezcla con aire de proceso antes de ingresar al quemador de amoníaco donde se colocan el catalizador de Pt-Rh y las gasas deseadas. La temperatura alcanza los 870-890 ° C. El reactor puede incluir un catalizador de reducción de N2O para reducir los niveles de N, O por debajo de 50 ppm en el gas de la cola. El calor del proceso se recupera en una serie de intercambiadores de calor, donde la temperatura

disminuye desde la temperatura real hasta 145 ° C. En este punto, los gases entran en el enfriador-condensador de baja presión, que los enfría por debajo del punto de rocío, por lo que la mayor parte del agua producida en la reacción de oxidación del amoníaco se condensa en forma de una corriente de ácido nítrico al 30%. Este se separa del gas y se bombea a la bandeja apropiada del absorbedor.

Proceso de compresión y enfriamiento del gas. Los gases de proceso de enfriamiento seco se mezclan con el aire secundario después de que se haya utilizado en la torre de blanqueo para eliminar la mayor parte del NO libre, que queda en El producto ácido. Luego, los comprimidos a 8-11 bar, con un aumento de temperatura de 200 °C En las tuberías situadas aguas abajo del sistema de compresión, el NO contenido en el gas de proceso reacciona con el oxígeno del aire secundario y se oxida a NO. Dos intercambiadores de calor adicionales reducen la temperatura de los gases de proceso a 50 ° C antes de ingresar a la torre de absorción.

Absorción En el momento en que los gases alcanzan la entrada de la torre de absorción, se ha completado la oxidación de NO a NO2. Los elementos internos del absorbedor son bandejas de tamices con serpentines de enfriamiento integrales. El número requerido de bandejas depende del NOx permitido, contenido en los gases de escape. Si se requieren valores por debajo de 200 ppm, entonces es probable que sea necesario un catalizador de DeNOx. La solución de ácido nítrico que sale del fondo del absorbedor es de color rojizo debido a la presencia de NO2 disuelto libre. El color se elimina con una corriente de decoloración con el aire secundario en una columna de bandeja de tamiz pequeña. Después del blanqueo, el producto ácido es incoloro y contiene menos de 20 ppm de NO2. El gas de la cola sale del absorbente a aproximadamente 10 bar y 20 ° C antes de ser recalentado a 420 ° C en una serie de tres intercambiadores de calor. Los gases se envían a la turbina de gas, que recupera aproximadamente el 70% de la energía requerida para impulsar la turbina de vapor. El resto de la energía es proporcionada por un sistema de compresión

Desafíos del modelado dinámico La complejidad de los fenómenos físicos y químicos involucrados en los procesos de ácido nítrico (reacciones químicas en fase gaseosa en casi todas las piezas del equipo; propiedades termodinámicas no fáciles de modelar, etc.) y la especificidad del equipo utilizado en estas unidades ( Columnas de absorción para vapores nitrosos mediante soluciones acuosas de ácido nítrico: reacciones químicas autocatalíticas en fase gaseosa, transferencia de masa con reacción química en fase líquida, torres de placas o empaques, columnas de aspersión, enfriadores de placas, etc.) hacen que la simulación dinámica de estos procesos sea muy compleja Con software de simulación dinámica de propósito general. Sin embargo, Aspen HYSYS, un simulador de procesos de propósito general, tiene la ventaja de ser fácilmente extensible (a través de la programación orientada a objetos), aunque es una industria de procesamiento de reconocimiento mucho mejor. Además, el personal de Inprocess tiene un historial de éxito al usar las capacidades dinámicas de Aspen HYSYS en más de cien proyectos relacionados con estudios de diseño de ingeniería o, como en este proyecto, para

crear una réplica dinámica de la planta operativa, con el Sistemas asociados de apagado de emergencia (ESD) y controlador lógico programable (PLG), que incorporan los procedimientos operativos, capaces de apagar y poner en marcha la planta. Por su énfasis en el hidrocarburo Para superar con éxito algunas de las limitaciones de modelado conocidas de Aspen HYSYS para procesos químicamente complejos, Inprocess aplicó las siguientes soluciones personalizadas: Desarrollo de una columna de absorción dinámica etapa por etapa (el bloque absorbente estándar no permitía todos los fenómenos que ocurren en el NO real, el absorbente que debe combinarse). La Figura 2 muestra la coincidencia entre los resultados simulados obtenidos con la aproximación de Inprocess y los datos reales de la planta Combinación de paquetes termodinámicos (ecuación de estado (EOS) y modelos de actividad) con parámetros de interacción binarios ajustados correctamente y cálculo inverso de densidades. Programación de una extensión de reacción cinética dinámica para modelar el tipo de reacción autocatalítica que ocurre en el área de absorción.