exposicion ahorro de energia en plantas de nitrogeno

8/10/2019 Exposicion Ahorro de Energia en Plantas de Nitrogeno

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PLANTAS DE SEPARACION DE AIRE

PARA LA OBTENCION DE NITROGENO.

MATERIA:

AHORRO DE ENERGIA


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La industria de produccin de gases industriales (oxgeno,nitrgeno, argn, etc.) a partir delaire es una actividad de enorme importancia econmica. Lasplantas criognicas de separacindel aire han servido bien a esta industria durante el siglo XX.


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El aire es una mezcla de gases formada mayoritariamente pornitrgeno y oxigeno. Tambincontiene pequeas cantidades de argn, trazas de otros gases

(CO2, Ne, He,...) y una cantidadvariable de vapor de agua. Aunque hoy da se emplean distintastecnologas para separar elaire en sus componentes las grandes plantas comerciales siguenutilizando el procesotradicional de destilacin criognica.


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El aire es una mezcla de gases formada mayoritariamente pornitrgeno y oxigeno. Tambincontiene pequeas cantidades de argn, trazas de otros gases(CO2, Ne, He,...) y una cantidadvariable de vapor de agua. Aunque hoy da se emplean distintastecnologas para separar elaire en sus componentes las grandes plantas comerciales

siguen utilizando el procesotradicional de destilacin criognica.


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Las dificultades indicadas son a su vez la oportunidad de optimizacinde la planta, ya queuna pequea modificacin de su estructura puede proporcionar una

substancial mejora de laeficiencia global del proceso de produccin.


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La bsqueda de una mayor eficiencia termodinmica del procesocriognico de separacin esun objetivo obligado para mantener su competitividad. Esto setraduce para estas plantas enun menor consumo de trabajo por unidad de producto. El mtodode anlisis exergtico nosayudara a conseguir dicho objetivo pues permite identificar el origende las diferentesirreversibilidades que incrementan el consumo de trabajo y valorarla calidad defuncionamiento de los equipos.


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PLANTAS DE SEPARACION DE AIRELas plantas de separacin criognica del aire (ver Fig. 1)constituyen un tipo especial deplantas qumicas, basadas en procesos de licuefaccin ydestilacin del aire. La destilacincriognica se utiliza principalmente para la obtencin denitrgeno, oxgeno y argn en

cantidades elevadas ( >100 Tm/da ), ya sea como producto lquidoo gaseoso, o bien cuando serequiere una alta pureza de oxgeno ( >95% ) o producir argn.


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Todos los procesos criognicos estn basados en la compresin delaire y su posteriorenfriamiento a temperaturas muy bajas, para conseguir sulicuefaccin parcial. Esto permitesu destilacin criognica (basada en el fenmeno de que cada unode los componentes purosdel aire lica a temperaturas diferentes) para separar el/los

producto/s deseados en unacolumna de etapas mltiples. Puesto que la temperatura delproceso es muy baja es necesarioque equipos como la columna de destilacin, intercambiadores de

calor y otros componentesestn aislados frente a trasferencia de calor desde el medioambiente. En la prctica estoscomponentes se ubican en una o ms cajas fras (paraleleppedocon aislamiento trmicomulticapa).


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Las columnas de destilacin separan el aire en los productos deseados. Lasplantas denitrgeno pueden tener una sola columna; sin embargo las plantas para producir

oxgenodeben tener dos columnas, de alta y baja presin, de tal manera que el oxigenoimpuro de lacolumna de alta presin es purificado en la columna de baja presin. Las plantaspara producir

oxigeno de alta pureza tienen una columna adicional diseada para separar elargn deloxgeno. El producto de esta columna de argn crudo puede ser purificado en unacolumna deargn puro eliminando el oxigeno y nitrgeno residual. El sistema de argn puropuedeutilizar una unidad de adsorcin que combinando oxigeno con hidrgeno formaaguafcilmente eliminable.


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Como saben, el aire es una mezcla de gases formada por aproximadamente un78% de nitrgeno, un 21% de oxgeno, un 0,9% de argn y un 0,1% de gasesnobles. Para poder separarlos se recurre al mtodo de destilacin fraccionada,

a travs del cual la mezcla gaseosa se licua mediante la disminucin de latemperatura y el aumento de la presin.La obtencin de los principales componentes del aire constituye un mtodoindustrial, veamos como es posible este proceso:Primero el aire seco se convierte en aire lquido a travs de la refrigeracin a ( -173C );El aire licuado se transfiere entonces a la columna de fraccionamiento;En la columna existen compartimentos con distintas temperaturas, donde cadacomponente se separa de acuerdo con su temperatura de ebullicin (T. E.)Los productos resultantes del proceso son:Oxgeno lquido (O 2) T.E. = (-183 C)

Argn lquido (Ar) T.E. = (-186 C)Nitrgeno lquido (N 2) T.E. = (-198 C)Los gases obtenidos tienen aplicacin en los ms variados sectores deactividad, desde la salud a la alimentacin, pasando por la electricidad,metalurgia, qumica, petroqumica, pasta y papel, medio ambiente,...


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UN PUNTO MUY IMPORTANTELos productos gaseosos fros (y los flujos residuales) son introducidosen el intercambiador

principal de la planta en contracorriente con el aire caliente dealimentacin, de tal forma queeste es enfriado y los otros calentados a una temperatura prxima ala ambiental. Esteintercambio entre la alimentacin y los productos minimiza lasnecesidades netas derefrigeracin de la planta.


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Para compensar las entradas de calor desde el medio ambiente yproporcionar el gradiente detemperatura necesario entre los flujos que intercambian calor esnecesario proporcionar unarefrigeracin extra a la planta. Para ello, a uno o ms flujos gaseososa alta presin (aire dealimentacin, gas residual o gases producidos) se les hace pasar a

travs de una turbina con loque se consigue el enfriamiento del gas.


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La separacin industrial del aire a escala industrial comenz comoconsecuencia de laactividad que Carl Linde (ver Fig. 3) desarrollo en plantas de

refrigeracin destinadas a laindustria. Desde el comienzo este proceso se concibi con la idea deque fuera el mismo aireel que proporcionara la refrigeracin necesaria, ya fuera por su

expansin en una vlvula deestrangulacin (Linde) o en una turbina (Claude). La planta inicial fuediseada para produciroxigeno operando con una columna simple (ver Fig. 4).


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El proceso de Linde con columna simple incorpora realizaciones avanzadas deintegracintrmica (autorrefrigeracon y el propio aire genera las dos corrientes

contrapuestas necesariasen la destilacin en la columna) pero tambin presenta algunas desventajas: (1)proceso debajo rendimiento debido sobre todo a la irreversibilidad generada en laproduccin de fro porestrangulacin, (2) no permite producir simultneamente oxigeno y nitrgeno deelevadapureza. Lo anterior impulsar el diseo de nuevos procesos basados en lacolumna doble deLinde.


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La planta analizada esta basada en el principio de separacin de la doble columna deLinde. Eldiagrama de flujo del proceso de la planta de separacin de aire se presenta en la Fig. 5[Ravikumar y Sarangi, 1990].


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El flujo de aire es dividido endos partes, una de ellas se expande en la turbina y posteriormente alimenta lacolumna de

destilacin de baja presin, mientras que la otra entra en un segundointercambiadormultiflujo donde seguir siendo enfriada, hasta condensar parcialmente, por losgases frosprocedentes de la columna superior. El aire parcialmente condensado alimenta lacolumna dealta presin en la parte inferior (fondo de columna). El lquido rico en oxgenoalmacenado enel fondo de la columna de alta presin alimenta la columna de baja presin trasexpandirse enla vlvula.


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El destilado obtenido en el condensador de cabeza de la columna inferior (altapresin) tambin se expande a travs de otra vlvula para alimentar la columnasuperior (bajapresin). Este destilado es nitrgeno lquido de gran pureza que sirve como reflujopuro en lacabeza de la columna de baja presin. Dado que el nitrgeno a presin atmosfricaalcanza latemperatura ms baja del sistema de destilacin no es necesario un condensadorexterno para

la cabeza de la columna de baja presin. Las dos columnas estn conectadas atravs de uncondensador-ebullidor: el ebullidor de la columna superior acta comocondensador de lacolumna inferior.


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Tres flujos gaseosos salen de la columna de baja presin. El flujo de cabeza decolumna esnitrgeno gaseoso de gran pureza, mientras que el de fondo de columna es oxgenogaseosode alta pureza. El tercer flujo se extrae a muy pocos platos de cabeza de columna.Se trata deun nitrgeno residual de baja pureza y acta como regulacin de la destilacin.Estos tresflujos pasan a travs de los intercambiadores multiflujo en sentido opuesto al aire

de entrada.Del ebullidor situado en el fondo de la columna de baja presin se obtiene oxgenoliquido.Algunas unidades, como el sistema de purificacin, no estn incluidas en eldiagrama de

flujos. Tampoco se representan extracciones en ambas columnas a modo de purgas.


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Anlisis exergticoEl mensaje fundamental de la Segunda Ley de la Termodinmica es que lasdiferentes formasde la energa no son equivalentes existiendo limitaciones para la conversin de unaa otra desus formas. En consecuencia, si deseamos juzgar la bondad del diseo ofuncionamiento delos procesos industriales en los que la energa juega una funcin importantedebemos asociar

un ndice de calidad al proceso basado, no en el concepto de energa, sino en otramagnitudque exprese realmente la equivalencia termodinmica de los distintos flujos demateria yenerga que participan en el proceso: la exerga.


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Existe la oportunidad de producir trabajo cuando dos sistemas se encuentran endesequilibriotermodinmico [Bejan, 1988]. Cuando uno de los dos sistemas representa al medioambientey el otro es aquel sistema de nuestro inters, la exerga es, por definicin, elmximo trabajotcnico que puede obtenerse de su interaccin mutua hasta alcanzar el equilibrio.Pararepresentar el ambiente fsico se define un ambiente de referencia. Entonces, la

exerga deflujo de cualquier sistema puede calcularse fcilmente a partir de sus propiedadestermodinmicas [Lozano y Valero, 1988]. Para el estudio de procesos de separacinde airepuede considerarse como ambiente de referencia (AR) el definido por una mezcla

de gasescon las siguientes propiedades (base molar):


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