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• Jair N. Mesco

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PLANTA DE FRACCIONAMIENTO DEL AIRE-INDUSTRIAS CACHIMAYO S.A.C INTRODUCCION El Grupo Gloria es un conglomerado industrial de capitales peruanos con negocios presentes en Perú, como también en Bolivia, Colombia, Ecuador, Argentina y Puerto Rico. Sus actividades se desarrollan en los sectores de lácteos y alimentos, en cemento, papeles, agroindustria, transporte y servicios; todos ellos focalizados en la calidad del producto o servicio que se entrega al consumidor en todo momento. Industrias Cachimayo S.A.C., empresa subsidiaria de Yura S.A., ha reforzado su posición como único fabricante de nitrato de amonio en el Perú y ha logrado colocar el íntegro de su producción en los grandes centros mineros dentro de su zona de influencia. Esta empresa se creó el año de 1965, para el año 1996 se integró a la GRUPO GLORIA, pero por algunos problemas dejo de producir, comenzado nuevamente en el año 2001. Se encarga de producir lo que es el NITRATO DE AMONIO. El nitrato de amonio o nitrato amónico es una sal formada por iones de nitrato y de amonio. Su fórmula es NH4NO3. Se trata de un compuesto incoloro e higroscópico, altamente soluble en el agua. Es explosivo y auto detonante en ausencia de agua o aplicación de calor o fuego. El aire es una materia prima abundante que se obtiene sin coste alguno. Su composición en un 99% es oxígeno más nitrógeno mientras que el 1% restante está constituido por diferentes gases nobles donde destaca el argón. De todos modos, según la temperatura y la posición pueden aparecer trazas de otros compuestos como pueden ser el CO2 o el agua. Aparte de estos compuestos también es posible la presencia de diversos compuestos contaminantes de orígenes diversos. Tanto el nitrógeno como el oxígeno son gases que tienen importantes aplicaciones a nivel industrial y aquí se recogen algunas de ellas: Nitrógeno:   

Producción de amoníaco Como refrigerante en estado líquido Creación de atmósferas inertes

Oxígeno:   

Industria metalúrgica (sopletes, producción de acero…) Industria química (reacciones oxidativas) Oxígeno clínico

OBJETIVO El objetivo principal es adquirir conocimientos sobre el proceso de producción de Nitrato de Amonio Anfo. Conocer el proceso que se lleva a cabo en la planta de fraccionamiento del aire, así como su importancia en proceso de obtención de Nitrato de Amonio grado Anfo.

DIAGRAMA DE FLUJO

FUNDAMENTO TEORICO FRACCIONAMIENTO DEL AIRE La técnica más utilizada para separar ambos compuestos es la destilación, teniendo en cuenta que la diferencia en la temperatura de ebullición es considerable (12ºC) y que no se crean aceótropos. De todos modos, existen otros procesos alternativos donde destacan por ejemplo los procesos de adsorción (Pressure Swing Adsortion). La destilación es un proceso basado en la transferencia de masa entre dos fases y para ello es necesario licuar parcialmente el aire. El proceso para licuar el aire consta de tres etapas:

compresión, intercambio de calor y expansión. Para analizar este proceso se utiliza en el diagrama de Haus o diagrama T-S:

Si se comprime el aire y acto seguido este se expande se consigue un enfriamiento que en condiciones óptimas da lugar a un aire parcialmente licuado. La expansión puede ser de dos tipos: isoentálpica o isoentrópica.  Expansión isoentálpica. Se obtiene cuando el aire pasa por una angostura o estrechez (tal como una válvula). El enfriamiento se lleva a cabo gracias a la energía interna de las moléculas (basado en el principio Joule-Thomson).  Expansión isoentrópica. Se obtiene a partir de un trabajo externo en un sistema émbolo-cilindro. Este tipo de expansión, desde el punto de vista termodinámico está mucho más favorecido, pero tiene varios inconvenientes: o Debido a complicaciones mecánicas el proceso no es ideal por lo que el efecto frigorífico es menor. o A temperaturas tan bajas la lubricación del recipiente para la expansión es complicada Por estas y otras razones se utiliza una expansión isoentálpica si bien es cierto que en ocasiones se pueden combinar ambas: la expansión isoentrópica a temperaturas altas (para refrigerar) y una posterior expansión isoentálpica (para licuar el aire). A tenor de las dos formas para licuar el aire se configuran dos ciclos:  

Ciclo de Linde (expansión isoentálpica) Ciclo de Claude (expansión isoentrópica)

 CICLO DE LINDE Las etapas de las que consta este ciclo serían las siguientes: compresión, intercambio de calor y expansión isoentálpica. Tomando como punto de partida el punto 1, el aire se comprime hasta altas presiones (del punto 1 al 2). La compresión es isotérmica. El aire comprimido se enfría (hasta el punto 3) en un intercambiador de calor.

Usando una válvula se da una expansión isoentálpica hasta llegar al punto 4 (obteniendo una mezcla líquido-vapor). El líquido obtenido es el producto deseado mientras que el vapor obtenido se utilizara para enfriar el aire comprimido. El vapor tras pasar por el intercambiador se emite a la atmósfera.  CICLO DE CLAUDE Este ciclo difiere del anterior solo a la hora de darse la expansión ya que el resto de etapas son iguales. Como se puede ver la única energía que necesita el proceso es la que hay que suministrar a los compresores. Del mismo modo para aumentar la eficacia energética se pueden realizar dos cambios significantes:  

Un pre enfriado Un ciclo con doble expansión

Aparte de la expansión, que ha sido descrita con más o menos detalle anteriormente hay otras tres etapas importantes que se analizarán a continuación: compresión, intercambio de calor y destilación.

1. COMPRESION La mayor parte de la energía necesaria para llevar a cabo el proceso se da en esta etapa. El rendimiento está favorecido en régimen isotermo y es por ello que se utilizan compresores multifásicos con refrigeración intermedia para de este modo mantener el aire lo más cerca posible de la temperatura ambiente. Para obtener presiones altas se utilizan compresores del tipo émbolo-cilindro mientras que para presiones bajas se usan turbocompresores.

2. INTERCAMBIO DE CALOR Esta etapa es indispensable para poder licuar el aire en condiciones óptimas. El enfriamiento del aire comprimido al darse en temperaturas muy bajas puede haber problemas en el caso de que haya impurezas (tales como CO2 o agua) en el aire ya que se solidificarán durante el proceso. El CO2 antiguamente se eliminaba utilizando sosa, pero hoy en día hay métodos más sofisticados como puede ser el uso de sólidos adsorbentes para retirarlo. Los intercambiadores de antaño eran del tipo carcasa-tubo y aparte de suponer una construcción cara, tenían una pérdida de carga importante lo que acarreaba un consumo de energía importante.

A mediados del pasado siglo empezaron a utilizarse otro tipo de cambiadores, denominados cambiadores Frankl. Estos cambiadores disponen de dos cilindros en los cuales se introduce una cinta de aluminio recogida y arrugada (para aumentar la superficie de contacto).

Al introducir el aire caliente este se enfría quedándose sobre el intercambiador las impurezas sólidas y el calor liberado acumulado en las cintas de aluminio. Al introducir el aire frio (normalmente oxígeno o nitrógeno) las impurezas se disuelven en él, y esto hace que el producto se contamine. Las pérdidas de producto por esta razón pueden llegar a ser de hasta un 50%.

3. DESTILACION El punto de ebullición del nitrógeno es de 78 K y el del oxígeno de 90 K, por lo que existe una diferencia de 12 ºC entre los puntos de ebullición.

 Destilación en una sola columna

En el condensador no se puede generar un reflujo por lo que no se puede enriquecer el compuesto ligero (en este caso el nitrógeno). En este caso, el objetivo de esta columna podría ser obtener simplemente oxígeno puro ya que por la cabeza no se llega a producir un nitrógeno de gran pureza.

La alternativa a este proceso sería utilizar dos columnas una superpuesta sobre la otra:

 Destilación en dos columnas

En este caso se coloca una columna encima de la otra, en donde la columna de abajo trabaja a una presión superior (en torno a 5 atmosferas). El aire alimentado a esta columna está frío, para ello utilizando el líquido que se encuentra en la parte inferior de la columna (que hierve). El aire se expande a posteriori y se introduce a la columna. En ese momento el vapor asciende por la columna enriqueciéndose en nitrógeno mientras que el líquido se va enriqueciendo en oxígeno. El vapor en la cabeza de la columna es prácticamente nitrógeno, pero para obtener nitrógeno puro hace falta un reflujo. El nitrógeno en cabeza se encuentra a 94 K mientras que el líquido en la cola del destilador superior se encuentra a 90 K. De este modo se realiza un intercambio entre ambas fases para dar lugar a nitrógeno líquido, que se podrá utilizar como reflujo. El rendimiento del proceso y la pureza de los productos varían según el intercambiador, el número de platos o las condiciones de trabajo.

INSTALACIONES INDUSTRIALES La destilación del aire se basa en las 4 etapas mencionadas. Estas se combinan con el objetivo de minimizar el consumo energético (que llega a ser el 50% del coste total). Un ejemplo de una planta sería la siguiente:

En este caso, como se puede ver, el aire una vez filtrado se comprime y se divide en dos corrientes: 1. La que pasa por los regenadores de Fränkl (95%) 2. La que se vuelve a comprimir a una presión mayor La corriente que pasa por el regenerador se divide en otras dos corrientes: por un lado, estaría la alimentación a la columna (75%) y por el otro, el 25% restante que se utilizará como refrigerante. La corriente que pasa por el segundo compresor debe ser purificada y para ello se utilizan dos columnas: la columna de secado y la columna para retirar el CO2 En el caso de utilizar el sistema planteado de Claude el esquema de la instalación sería de la siguiente forma:

PLANTA DE FRACCIONAMIENTO DE AIRE DE INDUSTRIAS CACHIMAYO La primera etapa es la captación de la materia prima que viene a hacer el aire, esta es captada por una especia de abertura con filtros de aire que emerge de esta planta. El nitrógeno se obtiene por licuefacción y destilación del aire atmosférico, en la planta tecnología americana AJR PRODUCTS AND CHIMCALS -1978 El aire atmosférico es separado de los contaminantes solidos mediante filtros instalados en la línea de ingreso y luego es comprimido en un compresor (CENTAC) de cuatro etapas a la presión de 6 kg/cm2. El aire es sometido a un proceso de enfriamiento en los intercambiadores de calor y en el sublicuefactor donde es licuado a bajas temperaturas y enviado a la columna de destilación. El aire frio enriquecido con el oxígeno que sale del fondo de la columna de destilación es enviado al re ebullidor re hervidor y después de transferir sus frigorías, es nuevamente enfriado en la turbina de expansión por el efecto Joule-Thompson, de donde es expulsado a la atmosfera luego de haber transferido su frio en el sublicuefactor e intercambiador de calor En la columna de destilación se obtiene el nitrógeno gas y líquido, el nitrógeno líquido pasa por el tanque de transferencia y para ser almacenado pasa al tanque criogénico, de donde será vaporizado en caso necesario de ser utilizado. El nitrógeno gas luego de ceder su energía en los intercambiadores de calor, es comprimido a 30 Kg/cm2 en un compresor horizontal de dos etapas BOOSTER de donde es enviado a la planta de síntesis de amoniaco La planta tiene una capacidad instalada de 2500 Nm3/h de nitrógeno gas de 99.99% de pureza y 40 Nm3/h de nitrógeno liquido 2𝐻2 𝑂(𝑙) → 2𝐻2(𝑔) + 𝑂2(𝑔) El agua de proceso es almacenada en un tanque de alimentación y luego presionada con una bomba de pistón a 40 Kg/cm2 e inyectado al colector y separador de gases

La energía eléctrica con 6.600 Amp y 525 V, es transformada y rectificada a corriente continua, así es suministrada a las celdas electrolíticas, cada celda está constituida por un diafragma de asbesto que divide los espacios catódicos y anódicos con sus respectivos electrodos bipolares. Una bomba hermética del sistema hace circular la solución de legía potásica(electrolito) mezclada con el agua de proceso y al paso de la energía por las celdas, se descompone en sus elementos hidrogeno y oxígeno. Durante el paso de la corriente eléctrica a través de la solución de lejía potásica (KOH) ocurren movimientos o migraciones de iones positivos y negativos dentro de la más liquida Como consecuencia del paso de la corriente eléctrica a través de la solución, se producen reacciones de reducción en el cátodo para la producción de H2 y reacciones de oxidación en el ánodo para la producción de O2, dando lugar a las reacciones siguientes:  SEMIREACCION EN EL ÁNODO 𝐻2 𝑂 + 4𝑂𝐻 − → 𝑂2 + 3𝐻2 𝑂  SEMIREACCION EN EL CÁTODO 2𝐻2 𝑂 → 𝐻2 + 2𝑂𝐻 − Después de electrolisis y fraccionamiento del aire sigue la planta de ácido Nítrico que aprovecha los OXIGENOS producidos en ambas plantas anteriores de la siguiente forma. Esta planta es de tecnología alemana UHDE 1963 se basa en la oxidación y absorción de los gases nitrosos producto de la combustión del amoniaco por la acción catalítica de mallas de Pt/Rh según las siguientes reacciones químicas: 2𝑁𝐻3 + 3 1⁄2 𝑂2 → 2𝑁𝑂 + 3𝐻2 𝑂

= 240 𝐾𝑐𝑎𝑙

2𝑁𝑂 + 𝑂2 → 2𝑁𝑂2 3𝑁𝑂2 + 𝐻2 𝑂 → 2𝐻𝑁𝑂3 + 𝑁𝑂 El amoniaco liquido vaporizado se mezcla con aire filtrado en proporción del 1:10esta mezcla se filtra y precalienta para inyectar las cámaras de MONT donde por la acción del catalizador se quema el amoniaco con el oxígeno del aire la reacción es exotérmica alcanza los 830°C y aprovechable para su producción de vapor sobresaturado y recalentado de 7 y 15 Kg/cm2 de presión 140°C y 350°C respectivamente. Después de este proceso continúan en las siguientes plantas hasta obtener NITRATO DE AMONIO GRADO ANFO.

DISEÑO DEL PRODUCTO Como ya se mencionó antes el nitrato de amonio puede ser de tres tipos, a inicios de la creación de la empresa el nitrato de amonio que se producía era como fertilizante pues había demanda de este en la población, ya que la mayoría tenia chacras, pero con el paso del tiempo la demanda de este bajo y como sabemos las mineras se han vuelto muy importantes, y se sabe que estas necesitan el nitrato de amonio ANFO, es por eso que INDUSTRIAS CACHIMAYO se dedica ahora solo a la producción de ANFO. El producto se vende en bolsas de 1 tonelada

DISEÑO DE PLANTA Industrias Cachimayo elige su ubicación porque la población de Cachimayo tenía muchas chacras y existía mucha demanda de fertilizantes, es por eso que el nitrato de amonio como fertilizante era lo que producía. Pero actualmente lo que produce es el nitrato de amonio ANFO

PRODUCTOS :: Nitrato de Amonio Grado Anfo (34.5% N2) Producto en prills o gránulos, fabricado con la más alta tecnología alemana, para su uso en minería superficial (tajo abierto) o subterránea. Su velocidad de detonación (VOD) alcanza los 3000 m/s; sus mayores ventajas son su bajo costo comparado con otros explosivos, así como su seguridad para el manipuleo, transporte y almacenamiento, baja humedad y buena absorción de hidrocarburos. :: Nitrato de Amonio Técnico (34.5% N2) Producto para uso industrial sin aditivos. Utilizado para la fabricación de dinamita, mechas de detonantes y otros explosivos, así como en las industrias farmacéuticas y alimentaría.

RECOMENDACIONES  Se le recomienda mejorar y cuidar el impacto ambiental ya que los residuos que expulsan afecta a nuestro medio ambiente, (personas y a nuestra flora u fauna).  Mejorar la tecnología con la que cuentan la industria CACHIMAYO S.A  Se le recomienda producir nuevamente fertilizantes ya que son una de las más importantes herramientas para el desarrollo de la agricultura tendiendo a fomentar la seguridad alimentaria y mantener la productividad del suelo  Se le recomienda tener un trato más amigable con las visitas guiadas y así como también hacer un mantenimiento a los lugares con evidencias de óxido como por ejemplo las barandas.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA  

http://www.ingenieriaquimica.net/articulos/307-produccion-de-oxigeno-y-nitrogenoproceso-linde https://www.monografias.com/docs/INFORME-INDUSTRIA-CACHIMAYO-P3CZJVCZBY

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http://www.grupogloria.com/cachimayo.html http://www.mineriaonline.com.pe/ http://sisbib.unmsm.edu.pe/