Lavado con nitrógeno líquido

El lavado con nitrógeno líquido es un proceso que se utiliza principalmente para la producción de gas de síntesis de amoníaco en plantas de producción de fertilizantes. Generalmente es el último paso de purificación en la secuencia del proceso de producción de amoníaco, antes de la producción propiamente dicha de amoníaco . ^{[ 1 ]}

El propósito de la etapa final de purificación previa a la producción de amoníaco es eliminar todos los componentes que son tóxicos para el catalizador sensible de síntesis de amoníaco . ^{[ 2 ]} Esto se puede hacer con los siguientes conceptos:

• La metanación , formalmente el concepto estándar con la desventaja de que el contenido de metano no se elimina, sino que incluso aumenta, ^{[ 2 ]} ya que en este proceso, los óxidos de carbono ( monóxido de carbono y dióxido de carbono ) se convierten en metano . ^{[ 3 ]}
• La adsorción por cambio de presión , que puede reemplazar el cambio de baja temperatura, la eliminación de dióxido de carbono y la metanación, ^{[ 2 ]} ya que este proceso produce hidrógeno puro, que puede mezclarse con nitrógeno puro. ^{[ 3 ]}
• El lavado con nitrógeno líquido produce un gas de síntesis de amoníaco para un circuito de síntesis de amoníaco denominado "libre de inertes", que puede funcionar sin la extracción de una corriente de gas de purga. ^{[ 3 ]}

El lavado con nitrógeno líquido tiene dos funciones principales: ^{[ 1 ]}

• Eliminación de impurezas como monóxido de carbono , argón y metano del gas hidrógeno crudo.
• Adición de la cantidad estequiométrica requerida de nitrógeno a la corriente de hidrógeno para lograr la relación correcta de gas de síntesis de amoníaco de hidrógeno a nitrógeno de 3  :1.

El monóxido de carbono debe eliminarse por completo del gas de síntesis (es decir, syngas ) ya que es tóxico para el catalizador sensible de la síntesis de amoníaco . ^{[ 4 ]} Los componentes argón y metano son gases inertes dentro del circuito de síntesis de amoníaco, pero se acumularían allí y requerirían un sistema de gas de purga con pérdidas de gas de síntesis o gastos adicionales para una unidad de separación de gas de purga. Las principales fuentes para el suministro de gases de alimentación son los procesos de oxidación parcial .

Dado que el gas de síntesis que sale del proceso de oxidación parcial se compone principalmente de monóxido de carbono e hidrógeno , normalmente se instala una reacción de desplazamiento de CO tolerante al azufre (es decir, una reacción de desplazamiento del gas de agua ) para convertir la mayor cantidad posible de monóxido de carbono en hidrógeno.

La transformación de monóxido de carbono y agua en hidrógeno también produce dióxido de carbono , que normalmente se elimina en un proceso de lavado de gases ácidos junto con otros gases corrosivos como el sulfuro de hidrógeno (por ejemplo, en una unidad de lavado Rectisol ). ^{[ 1 ]}

El lavado con nitrógeno líquido consiste en

• una unidad de adsorción donde los restos de disolvente de un proceso de lavado de gases ácidos aguas arriba (por ejemplo, metanol , agua ), los restos de dióxido de carbono u otros compuestos se eliminan por completo en un lecho de tamiz molecular para evitar la congelación ^{[ 1 ]} y el bloqueo posterior en el proceso de baja temperatura que opera a temperaturas de hasta 80 K (-193  °C o -315  °F) ^{[ 5 ]} y
• El lavado con nitrógeno líquido propiamente dicho se realiza dentro de una denominada caja fría donde se ubica todo el equipo de proceso criogénico y que está aislada para minimizar la entrada de calor del ambiente. ^{[ 6 ]}

El nitrógeno se suministra desde fuera de la unidad para ser utilizado para el lavado como nitrógeno gaseoso a alta presión, suministrado por la Unidad de Separación de Aire que generalmente también proporciona el oxígeno para la Oxidación Parcial aguas arriba . ^{[ 7 ]} Este nitrógeno gaseoso a alta presión se licúa parcialmente en el proceso y se utiliza como agente de lavado. En una llamada columna de lavado de nitrógeno, las impurezas monóxido de carbono, argón y metano se lavan del gas de síntesis mediante este nitrógeno líquido. Estas impurezas se disuelven junto con una pequeña parte de hidrógeno y salen de la columna como corriente inferior. El gas purificado sale de la columna por la parte superior. El gas de síntesis ahora purificado se calienta y se mezcla con la cantidad requerida de nitrógeno gaseoso a alta presión para lograr la relación hidrógeno:nitrógeno de 3 a 1, y luego puede dirigirse a la síntesis de amoníaco . ^{[ 5 ]} A presiones de funcionamiento superiores a unos 50 bar(a), la demanda de refrigeración del lavado con nitrógeno líquido está cubierta por el efecto Joule-Thomson , ^{[ 4 ]} y no se requiere refrigeración externa adicional, por ejemplo, mediante la vaporización de nitrógeno líquido.

El lavado con nitrógeno líquido es especialmente ventajoso cuando se combina con la Unidad de Lavado Rectisol . La combinación y las interconexiones ventajosas entre una Unidad de Lavado Rectisol y un lavado con nitrógeno líquido dan como resultado equipos más pequeños y una mejor operatividad. El gas proveniente de la Unidad de Lavado Rectisol puede enviarse al lavado con nitrógeno líquido a baja temperatura (directamente desde el absorbedor de metanol sin calentarse). ^{[ 5 ]} Dado que parte del gas purificado se recalienta en la Unidad de Lavado Rectisol, las pequeñas fluctuaciones en el flujo y las temperaturas se pueden compensar fácilmente, lo que resulta en una operatividad óptima. Para mejorar la recuperación de hidrógeno, se puede instalar un sistema integrado de recirculación de hidrógeno desde el lavado con nitrógeno líquido a la Unidad de Lavado Rectisol, que utiliza el compresor de recirculación ya existente de la Unidad de Lavado Rectisol para recircular el gas flash rico en hidrógeno del lavado con nitrógeno líquido de vuelta al gas de alimentación de la Unidad de Lavado Rectisol. Esto da como resultado tasas de recuperación de hidrógeno extremadamente altas sin ningún equipo adicional.

• Patente EP0256413 A2 para proceso de purificación de corriente de gas mediante lavado con nitrógeno
• Lavado con nitrógeno líquido, Linde Engineering
• Lavado con nitrógeno líquido, Air Liquide