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8.8 Ácido nítrico
8.8.1 General 1-
En 1991, había aproximadamente 65 ácido nítrico (HNO 3) plantas de fabricación en los EE. UU. con un
capacidad total de 11 millones de toneladas de HNO 3 por año. Las plantas varían en tamaño de 6.000 a 700.000 toneladas por año. Aproximadamente el 70
por ciento del ácido nítrico producido se consume como intermedio en la fabricación de
nitrato de amonio (NH 4 NO 3), que a su vez se utiliza en fertilizantes. La mayoría de las plantas de ácido nítrico están ubicadas en regiones
agrícolas como los estados del Medio Oeste, Centro Sur y del Golfo debido a la alta
demanda de fertilizantes en estas áreas. Otro 5 a 10 por ciento del ácido nítrico producido se utiliza para la oxidación orgánica en la fabricación de
ácido adípico. El ácido nítrico también se utiliza en la oxidación orgánica para fabricar ácido tereftálico y otros compuestos orgánicos. La fabricación
de explosivos utiliza ácido nítrico para nitraciones orgánicas. Las nitraciones de ácido nítrico se utilizan para producir nitrobenceno, dinitrotoluenos
y otros productos químicos intermedios. 1 Otros usos finales del ácido nítrico son la separación de oro y plata, municiones militares, decapado de
acero y latón, fotograbado y acidificación de roca fosfórica.
8.8.2 Descripción del proceso 1,3-
El ácido nítrico se produce mediante 2 métodos. El primer método utiliza oxidación, condensación y absorción para producir un ácido nítrico débil. El ácido nítrico débil puede tener concentraciones que oscilan entre el 30 y el 70 por ciento de ácido nítrico. El segundo método combina deshidratación, blanqueo, condensación y absorción para producir un ácido nítrico de alta concentración a partir de un ácido nítrico débil. El ácido nítrico de alta concentración generalmente contiene más del 90 por ciento de ácido nítrico. El siguiente texto proporciona detalles más específicos para cada uno de estos procesos.
8.8.2.1 Producción débil de ácido nítrico 1,3-4 -
Casi todo el ácido nítrico producido en los EE. UU. Se fabrica mediante la oxidación catalítica de amoníaco a alta temperatura, como se
muestra esquemáticamente en la figura 8.8-1. Este proceso generalmente consta de 3 pasos: (1) oxidación del amoníaco, (2) oxidación del óxido nítrico
y (3) absorción. Cada paso corresponde a una reacción química distinta.
Oxidación de amoniaco -
Primero, una mezcla de amoníaco / aire 1: 9 se oxida a una temperatura de 1380 a 1470 mi F a su paso por un
catalizador, según la siguiente reacción:
4NH 3% 5O 2 6 4NO% 6H 2 O
El catalizador más comúnmente usado está hecho de 90 por ciento de platino y 10 por ciento de gasa de rodio construida con cuadrados de alambre fino. En
estas condiciones, la oxidación del amoniaco a óxido nítrico (NO) se produce en una reacción exotérmica con un rendimiento del 93 al 98 por ciento. Las
temperaturas de oxidación pueden variar de 1380 a 1650 mi F. Las temperaturas del catalizador más altas aumentan la selectividad de la reacción hacia la
producción de NO. Catalizador inferior
Las temperaturas tienden a ser más selectivas hacia productos menos útiles: nitrógeno (N 2) y óxido nitroso (N 2 O). El óxido nítrico se considera un
contaminante criterio y se sabe que el óxido nitroso es un gas que calienta el planeta.
La mezcla de dióxido de nitrógeno / dímero pasa luego a través de una caldera de calor residual y un filtro de platino.
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EMISIÓN
PUNTO (SCC 3-01-013-02)
AIRE COLA
GAS
EFLUENTE
APILAR
COMPRESOR^ AMONÍACO
EXPANDER
AMONÍACO
OXIDANTE
VAPOR
SIN EMISIONES X
CONTROLAR REDUCCIÓN CATALÍTICA UNIDADES 2 1 COMBUSTIBLE AIRE PRECALENTADOR GAS ÓXIDO NÍTRICO ENTRENADO NIEBLA SEPARADOR
AGUA
RESIDUOS VAPOR CALOR CALDERA
AIRE
NITRÓGENO PLATINO^ DIÓXIDO FILTRAR
ABSORCIÓN
TORRE
ENFRIAMIENTO AGUA
AIRE SECUNDARIO
ENFRIADOR CONDENSADOR
NO
PRODUCTO (50 - 70% HNO 3)
Figura 8.8-1. Diagrama de flujo de una planta típica de ácido nítrico que utiliza un proceso de presión única (no se muestra la unidad de ácido de alta resistencia). (Códigos de clasificación de fuentes entre paréntesis).
8.8-2 FACTORES DE EMISION 02/
y óxidos de nitrógeno (NO X) subproductos. Estos subproductos luego fluyen a una columna de absorción donde el
el óxido nítrico se mezcla con aire auxiliar para formar NO 2, que se recupera como ácido nítrico débil. Los gases inertes y sin reaccionar se ventilan a la
atmósfera desde la parte superior de la columna de absorción. Las emisiones de este proceso son
relativamente menor. Se puede usar un pequeño absorbente para recuperar NO 2. La figura 8.8-2 presenta un diagrama de flujo de la producción de ácido nítrico de alta concentración a partir de ácido nítrico débil.
INERTE, SIN REACCIONAR ENFRIAMIENTO GASES AGUA
H2 SO
50-70%^ HNO 3, NO 2, O 2
HNO3 CONDENSADOR
AIRE
DESHIDRATANTE COLUMNA BLANQUEADOR^ ABSORCIÓN O2, NO COLUMNA
FUERTE
ÁCIDO NÍTRICO
DÉBILES ÁCIDO NÍTRICO
Figura 8.8-2. Diagrama de flujo de la producción de ácido nítrico de alta concentración a partir de ácido nítrico débil.
8.8.3 Emisiones y controles 3-
Las emisiones de la fabricación de ácido nítrico consisten principalmente en NO, NO 2 ( que dan cuenta de las emisiones visibles), trazas de
HNO 3 niebla y amoniaco (NH 3). Con mucho, la principal fuente de óxidos de nitrógeno (NO X) es el gas de cola de la torre de absorción de ácido. En
general, la cantidad de NO X las emisiones son directamente
relacionados con la cinética de la reacción de formación de ácido nítrico y el diseño de la torre de absorción. NO X Las emisiones pueden aumentar cuando hay (1) suministro de aire insuficiente al oxidante y al absorbedor, (2) baja presión, especialmente en
el absorbedor, (3) altas temperaturas en el enfriador-condensador y absorbedor, (4) producción de un producto ácido de alta resistencia, (5)
operación a altas tasas de rendimiento, y (6) equipo defectuoso como compresores o bombas que conducen a menores presiones y fugas, y
disminuyen la eficiencia de la planta.
Se amplían las 2 técnicas más comunes utilizadas para controlar las emisiones de gas de cola de la torre de absorción
absorción y reducción catalítica. La absorción extendida reduce el NO X emisiones aumentando la eficiencia de la torre de absorción de
proceso existente o incorporando una torre de absorción adicional. Una eficiencia
El aumento se logra aumentando el número de bandejas absorbentes, haciendo funcionar el absorbedor a presiones más altas o enfriando el líquido ácido débil en el absorbedor. La torre existente también se puede reemplazar con una sola torre de mayor diámetro y / o bandejas adicionales. Consulte la Referencia 5 para conocer las ecuaciones relevantes.
En el proceso de reducción catalítica (a menudo denominado oxidación catalítica o incineración), los gases de cola de la torre de absorción
se calientan a la temperatura de ignición, se mezclan con combustible (gas natural, hidrógeno, propano, butano, nafta, monóxido de carbono o
amoníaco) y se pasan un lecho de catalizador. En presencia del
catalizador, los combustibles se oxidan y el NO X se reducen a N 2. El grado de reducción de NO 2 y NO a N 2
es una función del diseño de la planta, el tipo de combustible, la temperatura y presión de operación, la velocidad espacial a través del
8.8-4 FACTORES DE EMISION 02/
reactor catalítico de reducción, tipo de catalizador y concentración de reactivo. La reducción catalítica se puede utilizar en
en conjunción con otros NO X controles de emisiones. Otras ventajas incluyen la capacidad de operar a cualquier presión y la opción de recuperación de
calor para proporcionar energía para la compresión del proceso, así como vapor adicional.
La reducción catalítica puede lograr un mayor NO X reducción que absorción prolongada. Sin embargo, los altos costos del combustible han provocado una disminución en su uso.
Dos dispositivos de control alternativos poco utilizados para el gas de cola del absorbedor son los tamices moleculares y los depuradores húmedos. En la técnica de adsorción por tamiz molecular, el gas de cola se pone en contacto con un tamiz molecular activo.
que oxida catalíticamente NO a NO 2 y adsorbe selectivamente el NO 2. El no 2 luego se separa térmicamente del tamiz molecular y se devuelve
al absorbedor. La adsorción por tamices moleculares se ha controlado con éxito
NO X emisiones en plantas existentes. Sin embargo, muchas plantas nuevas optan por no instalar este método de control porque su
implementación genera altos costos de capital y energía. La adsorción por tamiz molecular es cíclica
sistema, mientras que la mayoría de las nuevas plantas de ácido nítrico son sistemas continuos. El ensuciamiento del lecho del tamiz también puede causar problemas.
Los depuradores húmedos utilizan una solución acuosa de hidróxidos o carbonatos alcalinos, amoníaco, urea, potasio
permanganato o productos químicos cáusticos para "fregar" NO X del gas de cola del absorbedor. El NO y el NO 2 se absorben y recuperan como nitrato o sales de nitrato. Cuando se utilizan productos químicos cáusticos, el depurador húmedo conocido como depurador cáustico. Algunos de los productos químicos cáusticos utilizados son soluciones de hidróxido de sodio,
carbonato de sodio u otras bases fuertes que absorban NO X en forma de nitrato o sales de nitrato. Aunque el fregado cáustico puede ser un
dispositivo de control efectivo, a menudo no se usa debido a los altos costos incurridos y a la
necesidad de tratar su solución de fregado gastada.
También se pierden cantidades comparativamente pequeñas de óxidos de nitrógeno de las plantas concentradoras de ácido. Estas pérdidas (en su mayoría NO 2) son del sistema del condensador, pero las emisiones son lo suficientemente pequeñas como para ser controladas fácilmente por absorbentes económicos.
Las emisiones de neblina ácida no se producen a partir del gas de cola de una planta que funciona correctamente. Las pequeñas cantidades que pueden estar presentes en las corrientes de gas de salida del absorbedor son eliminadas por un separador o colector antes de entrar en la unidad de reducción catalítica o expansor.
El sistema de producción de ácido y los tanques de almacenamiento son las únicas fuentes importantes de emisiones visibles en la mayoría de las plantas de ácido nítrico. Las emisiones de los tanques de almacenamiento de ácido pueden ocurrir durante el llenado del tanque.
Óxidos de nitrógeno y N 2 Los factores de emisión de O que se muestran en la Tabla 8.8-1 varían considerablemente con el tipo de control empleado y con las condiciones del proceso. Para fines de comparación, el rendimiento de la nueva fuente
Norma sobre emisiones de nitrógeno expresadas en NO 2 para plantas nuevas y modificadas es de 3.0 libras de NO 2
emitido por tonelada (lb / tonelada) de ácido nítrico al 100 por ciento producido.
8.8.4 Cambios desde julio de 1993
Reformateado para la quinta edición, publicado en la actualización del Suplemento D de enero de 1995 (febrero de 1998) - se agregó una N 2 Factor de emisión de O para gases de cola de plantas de ácido débil.
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Referencias para la sección 8.
1. Documento de técnicas de control alternativas: Plantas de fabricación de ácido nítrico y adípico, EPA450 / 3-91-026, Agencia de
Protección Ambiental de EE. UU., Research Triangle Park, NC, diciembre
2. Datos de capacidad de fertilizantes de América del Norte, Autoridad del Valle de Tennessee, Muscle Shoals, AL, diciembre de 1991.
3. Estándares de rendimiento para plantas de ácido nítrico, 40 CFR 60 Subparte G.
4. Marvin Drabkin,Una revisión de los estándares de rendimiento para nuevas fuentes estacionarias: plantas de ácido nítrico, EPA-450 / 3-79-013,
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, Research Triangle Park, NC, marzo de 1979.
5. Operaciones unitarias de ingeniería química, 3a edición, McGraw-Hill, Inc., Nueva York, 1976.
6. Emisiones atmosféricas de los procesos de fabricación de ácido nítrico, 999-AP-27, Departamento de Salud, Educación y Bienestar de
los EE. UU., Cincinnati, OH, diciembre de 1966.
7. RL Peer,et al., Caracterización de fuentes de emisión de óxido nitroso, Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos,
Oficina de Investigación y Desarrollo, Research Triangle Park, NC, págs. 2-15, 1995.
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