Siguiendo las tendencias actuales en cuanto a sistemas de producción de nitrato amónico, se ha optado por desarrollar a lo largo de este proyecto un reactor (neutralizador) que opera por encima de la temperatura de ebullición a presión atmosférica. El sistema operará a una presión de 4,0 kg/cm2, media entre los 2 y los 6 kg/cm2 y su temperatura de ebullición para esa presión será de 178 ˚C.(2) La Figura 8.1 muestra un diagrama de flujo del sistema de reacción.
Figura 8.1 Diagrama de flujo del sistema de reacción, que incluye: reactor (C106), caldera de refrigeración y
producción de vapor (E101), tambor de alimentación a la caldera (D101) y concentrador (C101).
Las materias primas utilizadas son ácido nítrico al 60 % y amoniaco gaseoso puro. La reacción se desarrolla de acuerdo al siguiente esquema (Ecuación 10):
𝑁𝐻3(𝑔) + 𝐻𝑁𝑂3(𝑎𝑐) ⟶ 𝑁𝐻4𝑁𝑂3(𝑎𝑐) + ∆𝐻𝑅0 (10)
y es fuertemente exotérmica.
Se proporciona un ligero exceso de ácido nítrico respecto del estequiométrico (6 g de ácido nítrico libre por litro de disolución), para garantizar que el nitrato amónico se
forme a un pH ácido con el objetivo de que los vahos formados en la reacción no arrastren amoniaco. Dado que el ácido nítrico libre acelera las reacciones de descomposición del nitrato amónico, se ha de mantener el exceso en 6 g/L. Este exceso de ácido nítrico libre se mide con un pHmetro que actúa sobre la válvula de entrada.
La potencia calorífica generada por la reacción se invierte en tres puntos principales del sistema:
• Elevar la temperatura de las corrientes de ácido nítrico y de amoniaco hasta la temperatura de operación del sistema (178 ˚C).
• Eliminar el agua necesaria en el sistema para garantizar un 76 % en peso de concentración en la disolución.
• Producir vapor. La potencia excedente se destina a la producción de vapor en una caldera.
El sistema funciona en circulación natural, como un termosifón vertical, donde la diferencia de densidad provocada por la reacción permite vencer todas las pérdidas de carga del sistema y que el nitrato amónico circule libremente entre el concentrador y el reactor.
La corriente de recirculación pasa por un difusor de flujo que aumenta el diámetro de la conducción hasta el valor del diámetro interno de la caldera y entra al reactor donde se mezcla primeramente con una corriente de ácido nítrico al 60% en peso a 115 ˚C y 7,2 kg/cm2 abs de presión. Posteriormente a ese mezclado entra al reactor el segundo reactivo, amoniaco en estado gaseosos a 90 ˚C y 7,4 kg/cm2 abs. La reacción es instantánea y se completa en su totalidad.
Cuando el nitrato amónico se calienta por encima de su punto de ebullición comienza a descomponerse, haciéndose apreciable a partir de los 200 ˚C y alcanzando valores críticos sobre los 210 ˚C.
El sistema de recirculación se diseñará para garantizar un factor de seguridad de 18 ˚C, respecto del valor crítico de temperatura. La disolución de nitrato amónico alcanzará un valor máximo de temperatura de 192 ˚C, alejado del rango de temperaturas de descomposición del nitrato amónico.
Inmediatamente posterior a la reacción se sitúa un sistema de intercambio de calor, que consiste en una caldera vertical de termosifón. El sistema consta de un sistema de intercambio de calor de coraza y tubos por donde el nitrato amónico circulará por el
interior de los tubos, y la coraza está diseñada a modo de piscina, puesto que se mantiene mojada la totalidad de la pared exterior de los tubos. A modo de regulación del nivel de vapor y líquido hay conectado un tambor de vapor, calculado para mantener un volumen de líquido equivalente a la totalidad del líquido en el interior de la caldera (descontando el volumen ocupado por los tubos).
La temperatura del agua y del vapor en la caldera ha de ser relativamente próxima a la de la disolución de nitrato amónico (con una diferencia máxima de unos 20˚C) debido a las limitaciones que presenta la transferencia de calor en el caso de líquidos que hierven. El mecanismo de transferencia de calor de una superficie sumergida (en el caso de la caldera, la superficie de los tubos) en una piscina de líquido depende de la diferencia de temperatura entre la superficie y el líquido. En la Figura 8.2 se muestra a modo ilustrativo, el flujo de calor máximo de una piscina de agua a 1 bar.
Figura 8.2 Curva típica de ebullición en un tanque de agua a 1 bar de presión (Temperatura del líquido =100 ˚C)
A pequeñas diferencias de temperatura, cuando el líquido está por debajo de su punto de ebullición, el calor se transfiere por convección natural y el flujo de calor es bajo. A medida que se eleva la temperatura de la superficie, se produce un hervor incipiente y se forman burbujas de vapor que se desprenden de la superficie. La agitación causada por la generación y ascensión de burbujas da como resultado un gran incremento en la velocidad de transferencia de calor. Este fenómeno se conoce como ebullición con nucleación.
A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de transferencia de calor aumenta hasta que el flujo de calor alcanza un valor crítico. A partir de este punto, la velocidad de generación de vapor es muy alta, aparecen zonas secas espontáneamente sobre la superficie, y la velocidad de transferencia de calor disminuye rápidamente. Si se sigue aumentando la diferencia de temperatura, la velocidad de vaporización es tal que toda la superficie está cubierta con vapor, y el mecanismo de transferencia de calor es por conducción a través de la película de vapor. La velocidad de transferencia de calor disminuye hasta llegar a un mínimo y después vuelve a aumentar a diferencias de temperaturas aún más elevadas debido a que el calor se transmite por radiación.
El máximo flujo de calor alcanzable con la ebullición con nucleación se conoce como el flujo de calor crítico. El flujo crítico se alcanza con diferencias de temperatura sorprendentemente bajas; alrededor de 20 a 30 ˚C para el agua y de 20 a 50 ˚C para productos orgánicos ligeros.[3]
Este hecho implica que la temperatura del líquido que hierve en la caldera (agua) no puede tener una diferencia mayor de 20-30 ˚C con respecto a la del fluido caliente (en este caso, la disolución de nitrato amónico) ya que, en ese caso, la velocidad de transferencia de calor disminuirá.
En este proyecto se ha seleccionado una temperatura de 163 ˚C para el vapor generado en la caldera, es decir, se ha limitado a 15 ˚C la diferencia de temperatura con respecto a la disolución de nitrato amónico (a 178˚C).
Tras la caldera está situado el concentrador de nitrato amónico. Se trata de un equipo donde hay una separación gas-líquido de la corriente de entrada al concentrador. El vapor asciende a lo largo del concentrador, entrando en contacto con un caudal de agua pulverizada desde lo alto del concentrador. Esta agua de lavado tiene como objeto eliminar los restos de ácido nítrico arrastrados por el vapor que asciende.
En el concentrador se ha de eliminar una cantidad de agua equivalente a la necesaria para concentrar la disolución hasta el 76 % en peso de nitrato amónico y compensar el agua de lavado.
La principal ventaja del sistema adoptado es que permite una mayor utilización de los vapores del concentrador. Operar a altas presiones proporciona unos vapores separados en el concentrador más utilizables debido a que poseen una mayor presión. Dicha presión les permite vencer mayores pérdidas de carga, además de que su entalpía
es mayor a altas presiones, por lo que hay un mayor transporte de energía por parte de la corriente de vapor.
Tras el lavado con agua en las duchas del concentrador, los vapores, pueden ser utilizados no solamente para el calentamiento de otros equipos, sino también para la generación de energía eléctrica en turbinas.
Para evitar que el vapor producido posea una fracción de amoniaco, se utiliza un caudal de ácido nítrico como reactivo superior al estequiométricamente necesario, manteniéndose una acidez libre en el sistema. Debido a ese mayor grado de corrosividad, el material de diseño de los equipos posee unas mayores exigencias en cuanto a corrosión.