Diseño de una planta de producción de amoníaco verde a microescala

TRABAJO FIN DE GRADO Grado en Ingeniería Química Escola Técnica Superior de Enxeñaría Universidade de Santiago de Compostela DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONÍACO VERDE A MICROESCALA Guillermo Martínez Loreiro Uxía Mata Rivas Julio de 2022 ÍNDICE GENERAL DOCUMENTO I: MEMORIA Anexo I: Balances de materia y de energía Anexo II: Cálculos justificativos Anexo IV: Análisis de viabilidad económica DOCUMENTO II: PLANOS DOCUMENTO III: ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA DOCUMENTO IV: PLIEGO DE CONDICIONES DOCUMENTO V: PRESUPUESTO Anexo: Dimensionado básico de equipos DOCUMENTO I: MEMORIA Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 1 de 110 ÍNDICE 1. OBJETO ........................................................................... 3 2. ALCANCE ....................................................................... 3 3. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ............................. 3 4. INTRODUCCIÓN ........................................................... 5 4.1. Amoníaco ................................................................................................ 5 4.2. Aire ......................................................................................................... 7 4.3. Nitrógeno ................................................................................................ 8 4.4. Agua ........................................................................................................ 9 4.5. Hidrógeno ............................................................................................. 10 5. ANÁLISIS DE MERCADO .......................................... 11 5.1. Usos del amoníaco ................................................................................ 15 6. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS ................................. 18 6.1. Síntesis convencional de amoníaco ...................................................... 18 6.2. Síntesis de amoníaco verde y selección de tecnologías ........................ 21 7. EMPLAZAMIENTO Y LOCALIZACIÓN .................. 35 7.1. Disponibilidad de materia prima ........................................................... 35 7.2. Disponibilidad de energías renovables ................................................. 36 7.3. Selección de la localización .................................................................. 37 7.4. Selección de la parcela .......................................................................... 41 8. ANÁLISIS DE VIABILIDAD TÉCNICA .................... 44 8.1. Viabilidad del proceso de producción................................................... 44 8.2. Disponibilidad de recursos .................................................................... 45 8.3. Viabilidad económica ........................................................................... 48 8.4. Seguridad en el proceso ........................................................................ 49 8.5. Análisis de factores externos ................................................................ 49 9. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO .................................. 50 9.1. Descripción detallada del proceso ........................................................ 50 9.2. Descripción de la instalación ................................................................ 53 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 2 de 110 9.3. Descripción de equipos ......................................................................... 56 10. CONTROL E INSTRUMENTACIÓN .......................... 60 10.1. Introducción .......................................................................................... 61 10.2. Lazos más comunes .............................................................................. 63 10.3. Algoritmo de control ............................................................................. 64 10.4. Nomenclatura ........................................................................................ 65 10.5. Descripción de los lazos de control ...................................................... 66 10.6. Válvulas de alivio, indicadores y alarmas ............................................ 77 11. SEGURIDAD ................................................................. 80 11.1. Inventario de sustancias ........................................................................ 80 11.2. Clasificación según el Reglamento CLP .............................................. 81 11.3. Clasificación según la NFPA ................................................................ 83 11.4. Estudio de reactividad química descontrolada ...................................... 84 11.5. Clasificación de la instalación según la Directiva Seveso .................... 88 11.6. Distancias de seguridad ........................................................................ 90 11.7. Índice Dow de incendio y explosión ..................................................... 94 11.8. Válvulas de alivio ................................................................................. 97 12. LEGISLACIÓN APLICABLE, REGLAMENTOS Y CÓDIGOS .................................................................................... 98 12.1. Legislación eléctrica ............................................................................. 98 12.2. Legislación ambiental ........................................................................... 98 12.3. Legislación de seguridad e higiene ....................................................... 99 12.4. Códigos de diseño ............................................................................... 100 12.5. Legislación para obra civil .................................................................. 100 12.6. Otros .................................................................................................... 101 13. Bibliografía ................................................................... 101 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 3 de 110 1. OBJETO El presente proyecto tiene como finalidad diseñar una planta de producción de amoníaco verde a microescala a partir de agua y aire, de los cuales se obtendrán hidrógeno mediante electrólisis y nitrógeno a través de la destilación criogénica del aire, respectivamente. Una vez obtenidos el nitrógeno y el hidrógeno, tras ser acondicionados, se llevará a cabo el proceso Haber-Bosch. La planta propuesta producirá 16.500 t/año de amoníaco con una pureza del 99,8% de acuerdo con el grado de pureza comercial requerido y operará en régimen continuo durante 24 horas, 330 días al año. (1) Los equipos principales del proceso son el electrolizador alcalino, la torre de destilación criogénica y el reactor de síntesis de amoníaco, de los cuales Guillermo Martínez Loureiro diseñará el electrolizador de agua ELE-201 y Uxía Mata Rivas, el reactor de síntesis R-301. Mediante la realización de este Trabajo Fin de Grado, los alumnos Guillermo Martínez y Uxía Mata optan a la obtención del título de graduado en Ingeniería Química otorgado por la Escola Técnica Superior de Enxeñería de la Universidad de Santiago de Compostela. 2. ALCANCE Los objetivos principales de este trabajo son los siguientes: • Definición y justificación de la capacidad de producción, así como la justificación de la necesidad del proyecto. • Estudio de mercado y localización de la planta. • Estudio de alternativas y justificación de la alternativa seleccionada. • Estudio de la viabilidad técnica, económica, medioambiental y de seguridad del proyecto propuesto. • Identificación de equipos, instrumentación, accesorios y materiales necesarios para llevar a cabo el proceso. • Descripción general de la planta industrial a diseñar. • Diseño básico de equipos generales y diseño riguroso de los equipos seleccionados. • Estimación de requerimientos de servicios auxiliares. • Planos de la distribución en planta, diagramas de flujo, diagrama de tuberías e instrumentación (P&ID) y planos de los equipos diseñados. • Especificaciones técnicas de los equipos a diseñar. • Evaluación económica del proyecto. 3. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO En España, la superficie agraria útil es superior a 23 millones de hectáreas, siendo la superficie total del país de unos 50 millones, por lo que representa más de la mitad del Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 4 de 110 territorio español. De estos 23 millones de hectáreas, en torno a 17 millones de hectáreas son de cultivo. (2) En el año 2020, en España fueron necesarias 1.059.299 toneladas de fertilizantes nitrogenados inorgánicos. En concreto, el amoníaco, es el fertilizante comercial que mayor contenido de N presenta, el cual representa un pilar fundamental en la industria de los fertilizantes nitrogenados, pudiendo ser directamente aplicado al suelo como nutriente o transformado en una gran variedad de fertilizantes nitrogenados. Del total de la demanda del año 2020, en España se produjeron 729.848 toneladas, mientras que 912.869 t fueron importadas, lo cual demuestra la elevada demanda en el país. (3) Actualmente, el amoníaco se produce a partir del nitrógeno de la atmosfera, y de hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles. En España, el hidrógeno se obtiene a partir del gas natural mediante el reformado con vapor. De acuerdo con los datos aportados por el Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, en el año 2017 se emitieron principalmente 324,78 kt de CO2, 488,58 t de NOx y 580,16 t de SOx entre otros. (4) Frente a la alternativa actual de producción de amoníaco, con este proyecto se trata de enfocar la producción de amoníaco de una forma más sostenible, reduciendo las emisiones de CO2 asociadas al proceso al sustituir los combustibles fósiles por energías renovables para la obtención del hidrógeno. De esta forma, se pretende apoyar y conseguir la neutralidad climática para 2050 que defiende la UE en el Pacto Verde Europeo. Por tanto, a través de la producción de hidrógeno verde se busca descarbonizar la economía, además de que se considera una inversión prioritaria en el plan de recuperación económica y contribuye a la competitividad de la UE. (5) (6) Asimismo, la Hoja de Ruta del Hidrógeno Renovable contribuye al desarrollo de la Estrategia Nacional frente al Reto demográfico promoviendo la aparición de focos de producción de energía para a evitar la despoblación rural. (7) Por otra parte, también se busca conseguir la independencia energética, ya que la dependencia de otros países conlleva a alteraciones en el suministro como consecuencia de la competencia con otros importadores. Esto a su vez provoca fluctuaciones en el precio de la energía continuamente que pueden provocar un déficit en la balanza comercial de los países. La Unión Europea es especialmente dependiente del gas natural y el petróleo, por lo que teniendo en cuenta que España es uno de los países con mayor potencial de la UE en energía eólica, se pretende paliar dicha situación produciendo H2 verde en lugar de emplear el proceso de reformado con vapor. Finalmente, se ha optado por una producción a microescala en lugar de a gran escala (mayoría de plantas), ya que de esta forma se reduce el consumo de agua en la localización de la planta para producir hidrógeno y por tanto, también se disminuyen los daños ambientales. Además, la producción distribuida permite satisfacer la necesidad de autosuficiencia localizada y reduce los costes y emisiones de transporte. (8) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 5 de 110 En el PERTE (Proyectos Estratégicos para la Recuperación y Transformación Económica) de Energías Renovables, Hidrógeno Renovable y Almacenamiento emitido por el Gobierno de España, se presenta la necesidad de un nuevo modelo energético en el que uno de los objetivos es la descentralización, mediante la cual se pretende cambiar el sistema lineal y unidireccional, en el cual la energía se genera en pocos centros y se transporta y distribuye a centros de consumo, a un sistema descentralizado y multidireccional que apuesta por una generación distribuida para aportar flexibilidad y optimizar el uso de la energía segundo la generación de energía renovable. (9) 4. INTRODUCCIÓN A continuación, se recopilan los aspectos más importantes de los compuestos que intervienen en el proceso. 4.1. Amoníaco El amoníaco es uno de los productos químicos sintéticos con mayor producción a ni nivel mundial y una gran parte es elaborada a través de proceso catalítico originalmente diseñada por Fritz Haber y Carl Bosch, sin grandes cambios en el proceso a lo largo de los años. Actualmente, el proceso de síntesis sigue siendo prácticamente el mismo, con ligeras modificaciones. La reacción consiste en someter una mezcla de hidrógeno y nitrógeno sobre un catalizador de hierro a elevadas temperaturas en el rango de 400-500 ºC, aunque originalmente se empleaban temperaturas superiores. El amoníaco de forma natural se encuentra en forma de sales de amonio, formadas a partir de la descomposición de materia orgánica con contenido en nitrógeno en áreas de actividad volcánica. (11) 4.1.1. Propiedades físicas El amoníaco es un compuesto inorgánico formado por tres átomos de hidrógeno y un átomo de nitrógeno y cuya fórmula se representa como NH3. La Estructura de Lewis de la molécula de amoníaco se puede ver en la Figura 1 junto con una representación de la estructura tridimensional, en la cual la esfera azul hace referencia al átomo de nitrógeno y las blancas a los átomos de hidrógeno, como se puede ver, forma una estructura piramidal según la teoría de repulsión de los electrones en la capa de valencia (TRECV). Debido a la diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el nitrógeno la molécula de amoníaco se considera que posee un momento dipolar considerable. Figura 1. Estructura de Lewis (izquierda) y representación tridimensional (derecha) de la molécula de NH3 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 6 de 110 A temperatura ambiente, el amoníaco es un gas incoloro, más ligero que el aire, altamente irritante con un olor sofocante y penetrante. En su forma pura se conoce como amoníaco anhídrido y se caracteriza por ser higroscópico, es decir, absorbe rápidamente la humedad. El amoníaco presenta propiedades alcalinas, por lo que puede neutralizar a los ácidos, al aumentar el pH del medio. El gas se puede disolver fácilmente en el agua formando un enlace covalente con un de los protones H+ dando lugar al ion amonio (Ecuación 1). Esto se da puesto que la molécula de amoníaco y la de agua poseen la misma configuración electrónica y un ángulo de enlace muy similar. Sus disoluciones acuosas son corrosivas frente a metales de manera que se produce una reacción oxidaciónreducción que provoca que el metal se destruya o se disuelva. 𝑁𝐻3+𝐻2𝑂⇄[𝑁𝐻4]++[𝑂𝐻]− Ecuación 1 En su estado líquido, el amoníaco es un buen disolvente para numerosas sales junto con algunos metales y no metales de forma similar a como lo hace la molécula de agua. Las propiedades físicas más importantes del amoníaco se recogen en la Tabla 1. Tabla 1. Propiedades del amoníaco (11) (12) Propiedad Valor Unidades Masa Molar 17,0312 g/mol Densidasd del líquido (a 0 ºC, 101,3 kPa) 0,6386 g/cm3 Densidad del gas (a 0 ºC, 101,3 kPa) 0,7714 g/L Calor de fusión (a 101,3 kPa) 332,3 kJ/kg Presión de Vapor (Punto Triple) 6,077 kPa Punto de Ebullición (a 101,3 kPa) -33,43 ºC Calor de vaporización (a 101,3 kPa) 1370 kJ/kg Temperatura de autoignición según DIN 51794 651 ºC Límites de Inflamabilidad Mezcla NH3 – O2 (a 20 ºC, 101,3 kPa) 15 – 79 vol% NH3 Mezcla NH3 –aire (a 0 ºC, 101,3 kPa) 16 – 27 vol% NH3 4.1.2. Propiedades Químicas Las soluciones acuosas de amoníaco funcionan como bases débiles, estando el equilibrio muy inclinado hacia el amoníaco. Además, puede ser oxidado por el oxígeno o el aire, en unas ciertas condiciones de reacción, a NO, NO2, N2O o a nitrógeno y agua. En fase gas, el amoníaco puede reaccionar violentamente, incluso de forma exclusiva, con óxidos de nitrógeno para formar nitrógeno, agua, nitratos amónicos y nitritos. 4.1.3. Aplicaciones Anualmente, alrededor del 80% del amoníaco es empleado en la producción de fertilizantes, como urea o nitrato amónico o incluso aplicado directamente en el suelo. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 13 de 110 Figura 4. Evolución del precio del amoníaco desde noviembre de 2015 hasta la enero 2020. Fuente: AMIS (16) Se observa que, en años anteriores a las crisis actuales, el precio del amoníaco se mantenía estable desde hacía tiempo, fluctuando entre los 450 y 150 $/tonelada, como se puede observar en la Figura 4 para los años 2018 y 2019 (derecha), y para los años 2016 y 2017 (derecha). En ambos casos también se comparan dos regiones (Europa del Este y la Costa del Golfo de EEUU) y se contrastan con los precios de la urea. Los mayores productores de amoníaco en el mundo son China, Rusia, India y Estados Unidos, destacando entre ellos China que ha llegado a quintuplicar la producción de cada uno de estos países en los últimos años. La mayor parte de los países productores tienen un ligero crecimiento a lo largo de los años, mientras que China ha crecido en mucha mayor medida, como se puede apreciar en la Figura 5, en la cual se presenta la lista de los mayores productores en la leyenda. Figura 5. Mayores productores de amoníaco en el mundo. Elaboración Propia. Fuente: NationMaster (18) 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016 2019 Miles de Toneladas de NH3 Mayores Producctores de Amoníaco en el Mundo China Rusia India Estados Unidos Indonesia Trinidad y Tobago Arabia Saudí Canada Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 14 de 110 Los países con mayor volumen de negocio en exportaciones en el año 2019 fueron Arabia Saudita, Rusia y Trinidad y Tobago, con un 26%, 17,6% y 14,6% del total exportado a nivel mundial contabilizado como el valor económico intercambiado en dólares, con un valor total de 6,86 miles de millones de dólares. Dentro de Europa cabe destacar como exportadores a Países Bajos (2,17%), Alemania (1,50%) y Reino Unido (1,08%). (19) Por otro lado, los principales importadores son India, Estados Unidos y Brasil, que representan el 18,6%, 11,1% y 5,32%, respectivamente, también del total de 6,86 miles de millones de dólares. En la Unión Europea los mayores importadores son Bélgica (4,30%), Francia (2,38%) y Alemania (2,67%), que a pesar de ser uno de los miembros europeos que más exporta, es principalmente un importador. Cabe destacar también a España como importador representando el 1,68%, mientras que como exportador sólo representa el 0,37% del total. (19) Si se tiene en cuenta el valor del amoníaco a lo largo del 2019, a partir de la , se puede estimar un precio medio de 275 $/tonelada, lo que hace un total de 25 millones de toneladas de amoníaco aproximadamente. Esta cantidad sería una pequeña parte (algo más de un 10%) del total producido en el año 2019 según IHS Markit. En este proveedor de información se afirmaba que menos de un 10% era dedicado al comercio exterior, y puesto que el precio utilizado para la aproximación realizada ha sido un valor promedio, todas las fuentes de información indican los mismos valores. (14) España exporta, principalmente a Portugal, una cantidad equivalente a 25,5 millones de dólares e importa por un valor de 112 millones de dólares en su mayoría de Argelia. (19) Debido a que el balance de exportaciones e importaciones no es beneficioso para el territorio y que las importaciones vienen de un país con grandes reservas de gas natural sería adecuado aumentar la producción tratando de diferenciarse de la vía convencional. Puesto que en Europa se trata de avanzar hacia una industria con menor producción de gases de efecto invernadero, la planta a diseñar cumpliría con esos requisitos, de forma que los beneficios serán numerosos: menores costes de materia prima y menor dependencia con el comercio exterior, menor producción de gases de efecto invernadero y menor necesidad de importaciones. Las empresas con mayor producción de amoníaco en el mundo son las mencionadas en la Tabla 6 destacando Yara Internacional como la compañía con mayor producción en el mundo y la cual comercializa cerca de un tercio del amoníaco en el mundo. (20) Tabla 6. Compañías con mayor producción de amoníaco en el mundo. (21) Compañía Ubicación Yara International ASA Oslo, Noruega BASF SE Ludwigshafen, Alemania CF Industries Holdings, Inc. Illinois, EEUU Nutrien Ltd. Saskatoon, Canadá SABIC Riyadh, Arabia Saudí Qatar Petroleum Doha, Qatar EuroChem Group Zug, Suiza Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 15 de 110 Koch Fertilizer, LLC Kansas, EEUU Praxair Technology, Inc. Connecticut, EEUU China National Petroleym Corporation Beijing, China Rashtriya Chemical san Fertilizers Limited (RCFL) Mumbai, India Por otro lado, algunos de los actores clave que operan en el mercado de amoníaco verde son Siemens (Alemania), NEL Hydrogen (Noruega), ITM Power (Reino Unido), McPhy Energy (Francia), ThyssenKrupp (Alemania) y Haldor Topsoe (Dinamarca), entre otros. (22) 5.1. Usos del amoníaco El amoníaco es empleado principalmente en la producción de fertilizantes para la agricultura, alcanzando un 80% de su uso como se puede observar en la Figura 6 elaborada a partir de los datos del proveedor de información Mordor Intelligence (23). Se puede observar que su segundo mayor uso, sería el farmacéutico y la minería, en esta última representando la producción de explosivos. Su uso en agricultura ha aumentado en los últimos años, dando lugar a que actualmente el crecimiento en esta rama se esté ralentizando en la actualidad, en parte debido a las crisis actuales. (23) (21) Figura 6. Usos finales del amoníaco según el volumen de mercado en el año 2021. Elaboración propia a partir de datos de Mordor Intelligence. (23) 5.1.1. 4.2.1. Amoníaco para fertilizantes En España destaca la empresa Fertiberia en la producción de amoníaco, a partir del cual produce fertilizantes y demás derivados, como ácido nítrico o urea. Además, aunque en menor medida, también distribuye amoníaco con otras aplicaciones industriales. Esta empresa tiene 2 centros de producción en los cuales se producen un total de 600.000 toneladas/año, localizadas en Puertollano y en Palos de la Frontera. Además, tiene otro centro con una producción de 570.000 toneladas/año en Ile-et-Vilaine, Francia. (20) Según datos del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, los fertilizantes más empleados son los nitrogenados, derivados del amoníaco siendo empleados en su 80% 5% 5% 4% 2% 4% Usos Finales del Amoníaco año 2021 Agriclultura Farmacéutico Minería Refrigeración Textiles Otros usos Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 16 de 110 mayor cantidad en Castilla y León y Andalucía, destacando también Aragón y Castilla la Mancha (Tabla 7). En menor medida, siendo sus totales en todo el estado inferiores a la mitad del tonelaje de los fertilizantes nitrogenados, se emplean los fertilizantes fosfatados y potásicos. (24) En el informe elaborado por el Ministerio de Agricultura sobre el año 2020 (24) los datos de producción nacional de fertilizantes nitrogenados eran de cerca de 2,15 millones de toneladas, mientras que el consumo era de aproximadamente 2,5 millones de toneladas, lo cual generaba una necesidad de importaciones para suplir la demanda nacional, sin tener en cuenta que una parte de los fertilizantes producidos son exportados (algo más de 1 millón de toneladas) dando lugar a que las importaciones sean de casi 2 millones de toneladas, casi tanto como la producción nacional Tabla 7. Fertilizantes inorgánicos (en toneladas) con destino al consumo agrícola por comunidades autónomas (Enero 2020-Diciembre 2020). Elaboración propia a partir de datos del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación. (24) NITROGENADOS FOSFATADOS POTÁSICOS N P2O5 K2O GALICIA 25.034 10.951 7.196 PRINCIPADO DE ASTURIAS 3.854 1.986 3.133 CANTABRIA 14.757 5.518 2.778 PAÍS VASCO 18.133 5.023 7.463 NAVARRA 28.634 20.644 7.177 LA RIOJA 21.710 3.837 3.091 ARAGÓN 140.442 65.870 32.513 CATALUÑA 49.488 24.189 37.937 BALEARES 2.693 615 724 CASTILLA LEÓN 249.493 115.762 76.123 MADRID 16.236 19.940 9.380 CASTILLA LA MANCHA 82.280 46.744 27.213 COMUNIDAD VALENCIANA 76.686 34.694 39.169 MURCIA 33.614 21.808 17.957 EXTREMADURA 48.439 16.780 24.737 ANDALUCÍA 242.524 91.341 99.627 CANARIAS 5.282 971 3.271 TOTAL ESPAÑA 1.059.299 486.673 399.489 Cabe destacar además el Grupo Fertiberia, con Fertiberia como compañía líder, cuya actividad se centra principalmente en la producción de fertilizantes, así como de amoníaco y derivados. En la Figura 7, se presenta la localización de sus centros de producción en la península. (25) (26) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 17 de 110 Figura 7. Centros de producción del Grupo Fertiberia (25) 5.1.2. 4.2.2. Otros usos Aparte de la industria de fertilizantes, el amoníaco también es muy importante en otras aplicaciones industriales como se mencionó anteriormente, por lo que también existe mercado en industria de disolventes para la eliminación de pinturas; industria metalúrgica; industria de adhesivos, sellantes, gomas y látex; industria farmacéutica, cosmética y de detergentes; industria de papel, para el tratamiento de la pulpa de papel y de la madera; industria téxtil; industria dedicada a la fabricación de productos de limpieza; indsutria de polímeros (nylon, poliuretano, resinas, metacrilato de metilo a partir de caprolactama); y empresas dedicadas a refrigeración, climatización y frío industrial. (27) (28) En España, destaca la empresa Ercros como productora de amoníaco con fines distintos a la producción de fertilizantes, como derivados del cloro, química intermedia y farmacia. En concreto, en la fábrica de Sabiñánigo, Huesca, se produce agua oxigenada, amoníaco, carbonato potásico, clorato y clorito sódico, y cloro entre otros, siendo la capacidad de producción de 200.000 t/año. En esta planta se produce tanto amoníaco anhidro como disoluciones amoniacales al 25%, que son transportados en cisternas de 23 y 25 toneladas respectivamente. (28) El proceso de producción de Ercros se basa en el aprovechamiento del hidrógeno que se obtiene como subproducto de la electrólisis de cloro-potasa y clorato sódico, por lo que no depende de combustibles fósiles para la fabricación de amoníaco. Actualmente, esta planta posee una capacidad de producción 12.500 t/año de amoníaco destinado a la industria química. (28) (29) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 18 de 110 6. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS El amoníaco se obtiene mediante la reacción química de hidrógeno y nitrógeno, la cual a temperatura y presión estándar no es espontánea. Para poder producir amoníaco a escala industrial, son necesarias elevadas temperaturas y presión en presencia de un catalizador metálico. Dicha reacción (Ecuación 2), se caracteriza por ser exotérmica, con una entalpía de reacción de -46,2 kJ/mol de NH3. (30) N2 + 3H2 ⇌ 2 NH3, ΔHº=-92,4 kJ/mol Ecuación 2 Las diferentes alternativas difieren principalmente en el proceso de obtención de hidrógeno, siendo las materias primas más empleadas el gas natural y el petróleo. Se estima que en torno a un 48% se emplea gas natural como materia prima, mientras que el petróleo representa un 30%, el carbón, un 18% y el agua el 4% restante. A continuación, se presentan los aspectos más relevantes de las diversas alternativas existentes que, a pesar de ser diferentes, presentan una serie de etapas comunes: purificación de la alimentación, producción, purificación y compresión del gas de síntesis y finalmente el lazo correspondiente a la síntesis de amoníaco. (30) 6.1. Síntesis convencional de amoníaco 6.1.1. Reformado con vapor En España, el reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos ligeros es la alternativa más empleada para la obtención de hidrógeno. Este proceso consta de una serie de etapas: la desulfuración de gas natural, el reformado, la purificación y la compresión y síntesis de amoníaco. (4) Mediante la desulfuración de gas natural se pretende reducir la concentración de azufre presente, para evitar el envenenamiento del catalizador de níquel. (4) (30) Una vez eliminado el azufre de la corriente de alimentación se procede con el reformado, que consta de dos reformadores: el reformador primario, donde se genera el gas de síntesis (CO e H2), y el reformador secundario, donde se completa la conversión de metano y se añade el aire comprimido precalentado, que aporta el nitrógeno necesario para que la reacción ten lugar. En la Figura 8, se presenta un esquema simplificado del proceso anteriormente descrito. (4) (32) Figura 8. Esquema simplificado del proceso de producción de amoníaco (12) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 19 de 110 6.1.2. Oxidación parcial de hidrocarburos La oxidación parcial de hidrocarburos es la segunda alternativa más empleada que consiste en obtener gas de síntesis a partir de los hidrocarburos a temperaturas elevadas y en presencia de una cantidad de oxígeno restringida. La oxidación parcial es un proceso complejo, por lo que es necesario tener en cuenta algunos aspectos como la naturaleza del catalizador y las condiciones de reacción que pueden afectar al mecanismo de reacción. (33) Esta alternativa permite reducir los costes asociados al aporte energético y el coste de capital, puesto que los materiales de construcción exigen menores especificaciones. Sin embargo, todavía es necesario seguir desarrollando el diseño de catalizador para equilibrar la actividad, la durabilidad, efectividad y el coste de este. (33) 6.1.3. Gasificación de carbón La producción de amoníaco a partir de carbón es la alternativa más empleada en China. En este caso, el gas de síntesis es obtenido mediante la gasificación de carbón. En primer lugar, se acondiciona el carbón que a continuación es introducido en un gasificador donde el carbón se transforma en H2, CO, CO2 (gas de síntesis) y metano. Una vez gasificado el carbón, es necesario eliminar las partículas del gas de síntesis. Para ello se emplea la unidad SGS (Sour Gas Shift), en la cual se inyecta vapor de agua, y se emplea un catalizador apto para ambientes sulfurosos. El vapor de agua reacciona con el CO dando lugar a CO2 e H2, por lo que se consigue reducir la presencia de CO. (34) (35) Tras disminuir la concentración de CO, el gas se alimenta a una unidad destinada a la eliminación de gases ácidos (AGRU, Acid Gas Removal Unit), donde se emplea una disolución de metanol para eliminar el CO2 y el azufre presente en el gas de síntesis. El CO2 extraído se puede alimentar a una planta de urea, mientras que el azufre es introducido a una unidad de recuperación de azufre (SRU). (34) 6.1.4. Ciclo convencional de síntesis Haber-Bosch El ciclo de síntesis de amoníaco suele constar de un reactor o serie de reactores para la síntesis de amoníaco, intercambiadores de calor para condensar el amoníaco y recuperar calor, separadores para recuperar el amoníaco del gas sin reaccionar, unidades de precalentamiento integradas con otras unidades de recuperación de calor para calentar el gas de entrada al reactor, y una purga para evitar la acumulación de inertes como metano y argón presentes en el gas de síntesis. Además, son necesarios compresores en la corriente de recirculación para comprimir el gas que no ha reaccionado y que se ha de reintroducir en el convertidor. (30) El gas reaccionante, formado principalmente por H2 y N2, se comprime a elevadas presiones antes de ser alimentado al reactor. Normalmente, en las plantas modernas se emplean compresores centrífugos para presurizar el gas entre 150 y 250 bares, puesto que son fácilmente escalables y más económicos. En el reactor de síntesis de amoníaco sólo se logra una conversión de entre el 20 y el 35% por paso debido a las limitaciones termodinámicas y de equilibrio cinético. A continuación, el amoníaco se separa del gas Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 20 de 110 sin reaccionar por condensación y el gas no reaccionado se recicla, se comprime y se alimenta de nuevo al convertidor junto a gas de síntesis fresco. Para evitar la acumulación de inertes en el ciclo de síntesis, es necesario introducir una corriente de purga, lo cual provoca una dilución progresiva del gas de síntesis. La mejor opción es purgar a la concentración de inerte más alta, el contenido de amoníaco más bajo y a la más baja presión. (30) (36) (37) En función de la composición y pureza del gas reaccionante, existen diferentes configuraciones que difieren principalmente en la localización de la etapa de condensación del amoníaco y que se presentan en la Figura 9. (37) Figura 9. Configuraciones para la síntesis de amoníaco (37) La configuración (a) se debe emplear cuando el gas de síntesis está libre de compuestos que pueden afectar al catalizador como el agua y el dióxido de carbono. Con esta configuración, el gas de síntesis tras ser purificado mediante deshidratación con tamices moleculares para secar el gas y lavado con nitrógeno para retirar el dióxido de carbono, es introducido en el reactor, y a continuación se condensa. El gas sin reaccionar se recircula hasta un compresor, siendo purgada parte de esta corriente antes de entrar al compresor. Esta configuración es la más ventajosa dado que se consigue la concentración más baja de amoníaco a la entrada del reactor (amoníaco no recuperado en la etapa de separación que es recirculado con el gas de síntesis no reaccionado), por lo que el equilibrio se encontrará más desplazado hacia el producto (NH3). Por otro lado, garantiza la concentración más alta de amoníaco para la condensación y se purga cuando la concentración de inertes es más baja. Cabe destacar que esta opción también consigue ahorrar energía en la compresión, ya que el amoníaco es separado previamente. (36) En caso de que el gas de síntesis no sea muy puro es posible emplear las configuraciones (b) y (d) para reducir la concentración de inertes a la entrada del reactor. En este caso, se realiza la separación previamente a la etapa de reacción, de manera que esto permite separar el CO2 y agua residual en el amoníaco líquido, aunque esto provoque Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 21 de 110 una dilución de la mezcla a separar. Además, presenta como otros inconvenientes una menor eficiencia energética, puesto que se necesita mayor energía en el compresor al no realizar la separación después del reactor; y una pérdida de amoníaco mayor. Sin embargo, permite ahorrar la purificación del gas de síntesis necesaria en la configuración anterior. (37) La configuración (c) es similar a la configuración (b), sólo que en este caso se emplean dos separadores, uno previo y otro posterior al reactor. De esta manera se consigue purgar a una concentración de impuros más elevada, ya que se separa previamente el amoníaco reaccionado, por lo que se pierde menor cantidad de producto. También permite reducir los costes de energía asociados al compresor. Sin embargo, emplea una mayor cantidad de equipos, lo que encarece el coste de la inversión. (37) 6.2. Síntesis de amoníaco verde y selección de tecnologías En este aparto se presentan las diversas alternativas existentes para la producción de hidrógeno verde y de nitrógeno, así como se justifican las tecnologías escogidas. 6.2.1. Tecnología para la producción de hidrógeno verde Actualmente existen dos fuentes renovables para la obtención de hidrógeno verde: la biomasa y el agua. 6.2.1.1.Procesado de biomasa La biomasa se considera como una fuente competitiva para la producción de energía y de productos químicos. La forma mediante la cual se obtiene el hidrógeno a partir de esta permite diferenciar dos grupos: procesos biológicos y procesos térmicos. a) Procesos biológicos Dentro de los procesos biológicos se pueden distinguir tres alternativas: la biofotólisis, la fotofermentación y la fermentación oscura. (38) • Biofotólisis Este proceso consiste en la producción de hidrógeno mediante la hidrólisis de agua por fotosíntesis gracias a microorganismos autótrofos fotosintéticos. (38) La biofotólisis indirecta resulta de gran interés como captador de emisiones de CO2, ya que permite convertir un contaminante en una fuente de energía. Sin embargo, al igual que la biofotólisis directa, necesita reactores de gran superficie. Además, todavía no representa una solución a escala industrial. La biofotólisis todavía no es competitiva frente a la vía fermentativa debido a su bajo rendimiento y grandes necesidades de área, mientras que es foco de estudio en los procesos biológicos, puesto que ofrece una mayor versatilidad en cuanto a las materias primas que requiere. (38) • Fotofermentación Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 22 de 110 En este proceso se utilizan bacterias púrpuras no sulfurosas Rhodopseudomonas y Rhodobacter, microorganismos heterótrofos, cuya fuente de electrones procede del carbono de ácidos grasos orgánicos, recurso presente en muchas corrientes residuales. Para transformar dicha materia orgánica en hidrógeno se emplea la luz solar como catalizador del metabolismo. Al igual que la biofotólisis, los reactores requieren grandes superficies para aprovechar lo máximo posible la luz solar y no se suele usar el proceso sólo, sino que su interés radica en su aplicación como una segunda etapa tras la fermentación oscura. (38) • Fermentación oscura Esta alternativa es la más utilizada dado que permite transformar una gran variedad de sustratos como azúcares, residuos alimenticios, lignocelulósicos en hidrógeno, por lo que constituye un factor clave para la transición hacia una economía circular, permitiendo la revalorización de residuos. Aparte de presentar una gran versatilidad de sustrato es la alternativa biológica que mayor productividad ofrece. Teóricamente a partir de 1 mol de glucosa es posible obtener 12 moles de hidrógeno, sin embargo, a nivel microbiológico el hidrógeno representa un subproducto de la fermentación de materia orgánica que da lugar a diferentes ácidos grasos como el ácido acético, butírico o propiónico. Por eso, para conseguir un mayor rendimiento, lo ideal sería llevar a cabo en primer lugar una fermentación oscura en la que se obtendría ácidos grasos e hidrógeno, seguida de una fotofermentación en la cual se consumirían los ácidos grasos, dando así lugar a hidrógeno. (38) • Consideraciones Las alternativas biológicas constituyen una vía importante para la valorización de residuos y alcanzar una economía circular, así como para la recuperación CO2. Sin embargo, actualmente todavía no han sido llevadas a escala industrial, siendo relevadas a escala piloto. Entre sus principales limitaciones se encuentran: (38) - Lenta velocidad de producción en comparación contras fuentes renovables - Muy bajo volumen de producción de biohidrógeno, especialmente en la biofotólisis - Elevado coste de producción Algunos estudios acerca de la viabilidad económica sobre la fermentación oscura estiman que la producción de hidrógeno puede superar los 50 $/kg H2, mientras que mediante el reformado de metano supone entre 1-2$/kg H2 y la electrólisis del agua entre 4-6$/kg, por tanto, las alternativas para la producción de hidrógeno mediante procesos biológicos de biomasa han sido descartas. (39) (40) b) Procesos térmicos Dentro de los procesos térmicos de biomasa existen diferentes métodos: gasificación, pirólisis, combustión, los cuales difieren principalmente en la cantidad de oxígeno que está presente en el proceso. La pirólisis se realiza en ausencia de oxígeno, Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 29 de 110 ✓ Mayor productividad frente al resto de procesos biológicos ✓ Transforma residuos en productos ✓ Balance neutro de CO2  Bajo volumen de producción  Control estricto de las condiciones de operación  Elevados costes de producción Gasificación de biomasa ✓ Balance neutro de CO2 ✓ Materia prima abundante y económica ✓ Versatilidad de materias primas ✓ Mejor rendimiento entre las alternativas de biomasa  Formación de cenizas y alquitrán  Elevados costes de inversión  Requiere sistemas de captura y secuestro de carbón  Disponibilidad de materia prima estacional Pirólisis de biometano ✓ No produce óxidos de carbono ✓ Versatilidad de materias primas ✓ Libre de emisiones  Altas temperaturas  Producción de carbono sólido que actúa como inhibidor  Elevados costes de material Reformado de fuentes renovables ✓ Especialmente para la valorización de subproductos de refinería  Reacciones complejas  Reacciones indeseadas que afectan la selectividad del hidrógeno A partir de agua Electrólisis ✓ Energía limpia y renovable ✓ O2 como único subproducto  Elevado coste de capital  Elevado consumo de agua desionizada Electrolizadores alcalinos (AEC) ✓ Tecnología más madura y bien establecida ✓ Menores constes de inversión ✓ Durabilidad a largo plazo ✓ Eficiencia del 70 % ✓ Comercializado ✓ Rango de MW ✓ No emplea catalizadores nobles  Baja densidad de corriente  Bajo grado de pureza del hidrógeno en comparación con el resto de tecnologías  Electrolito líquido y corrosivo  Baja presión de operación  Dinámica de operación baja Electrolizadores de membrana de ✓ Alta densidad de corriente ✓ Sistema de diseño compacto  Tecnología más reciente y parcialmente establecida  Altos costes de componentes Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 30 de 110 intercambio de protones (PEM) ✓ Elevada pureza del gas ✓ Sistema de respuesta rápida  Catalizadores nobles  Durabilidad a corto plazo  Membrana costosa y limitada  Corrosión debido al ambiente ácido Electrolizadores de estado sólido o de alta temperatura (SOEC) ✓ Eficiencia del 100% ✓ Presión de operación alta ✓ Elevada eficiencia térmica ✓ Elevada densidad de corriente ✓ No emplea catalizadores nobles  En fase de laboratorio  Menor tiempo de vida frente a las otras tecnologías  Coste de inversión muy elevado Termólisis ✓ Puede abastecerse de energía renovable ✓ Agua como única materia prima  Elevas temperaturas y presiones  Agentes muy reactivos  Elevado coste de capital  Materiales especiales Fotólisis ✓ Elevadas eficiencias (>80%) ✓ Energía limpia y renovable  Tecnología en desarrollo  Dependen de la radiación solar efectiva  Materiales especiales En base a la explicación de las diferentes alternativas y observando las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas se ha optado por la electrólisis como vía para producir hidrógeno verde. Cabe destacar que actualmente esta es la forma más empleada a nivel industrial para la obtención de hidrógeno sin emitir CO2 en el proceso. Por otro lado, dentro de las tecnologías que engloba la electrólisis, aunque presente una peor eficiencia y una baja densidad de corriente y de presión de operación, se ha optado por la electrólisis alcalina por ser la tecnología más madura a nivel industrial, de mayor durabilidad y que menores costes de inversión presenta, además de ser la que produce mayor caudal de hidrógeno. Como consecuencia de la escala de producción, no resulta rentable captar agua procedente del mar, ya que esto implicaría, aparte de la etapa de deionización, incorporar una planta de desalinización. Por tanto, este factor condicionará la localización de la planta, que deberá abastecerse de agua dulce sin afectar al caudal ecológico. 6.2.2. Tecnología para la obtención de N2 Los tres métodos más importantes para la obtención de nitrógeno son la destilación criogénica, la adsorción por cambio de presión y la separación mediante membranas (hollow fibre membranas). • Destilación criogénica Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 31 de 110 La destilación criogénica, también conocida como unidad de separación de aire (ASU), es la tecnología más empleada, siendo entre el 65-70% del nitrógeno producido obtenido mediante esta. La destilación criogénica está basada en la diferencia de la temperatura de condensación de los tres compuestos principales del aire (oxígeno, nitrógeno, argón). Para separar el aire, se licúa gran parte de este, por lo que es necesario trabajar por debajo del punto crítico, de 132,5 K, y a 37,7 bar. (49) (50) El proceso más simple es el que posee una columna que permite únicamente la separación del nitrógeno del aire y que se presenta en la Figura 13. En primer lugar, el aire es comprimido y a continuación se filtra y se enfría para condensar el agua del aire. Una vez se elimina la humedad del aire, se eliminan los contaminantes de este mediante absorbedores con zeolita, donde se retira principalmente el CO2. A continuación, se enfría la corriente casi hasta la temperatura de licuefacción, se comprime y finalmente licúa. El gas licuado se introduce en la columna de destilación criogénica, donde se obtiene el nitrógeno por la parte superior de la columna. (30) (49) Figura 13. Diagrama de flujo de la destilación criogénica de Air Liquide (51) • Adsorción por cambio de presión El proceso de adsorción por cambio de presión (PSA, Pressure Switch Adsorption) se basa en la difusión cinética más rápida de las moléculas de oxígeno en los poros de un tamiz molecular de carbono frente a las moléculas de nitrógeno, lo cual permite la separación de este último. (30) La adsorción de las moléculas de oxígeno ocurre en dos recipientes a distinta presión que contienen el tamiz molecular de carbono, lo cual permite llevar a cabo la separación del nitrógeno del aire y la regeneración de los tamices. Para ello, el aire de alimentación, tras ser comprimido y purificado, se alimenta al primer tanque con el tamiz molecular y se produce la adsorción del oxígeno, mientras que gran parte del nitrógeno Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 32 de 110 atraviesa el primer depósito sin ser adsorbido. Este nitrógeno abandona por tanto el primer depósito y ya puede ser almacenado. Sin embargo, una pequeña parte de este es dirigido hasta el siguiente recipiente donde circula en sentido contrario al primer depósito. Esto permite liberar el oxígeno que ha sido adsorbido en el primer tanque, de manera que, al liberar la presión del segundo depósito, los tamices moleculares dejan de retener el oxígeno anteriormente capturado. El oxígeno desadsorbido es arrastrado y expulsado mediante el sistema de escape. Esta segunda etapa se conoce como regeneración de la torre saturada de oxígeno. (52) La función de los tanques se alterna a lo largo del proceso, de manera que, al principio, en el primer tanque se produce de adsorción, mientras que el segundo se regenera. A continuación, se iguala la presión en ambos depósitos, y se cambia la presión de estos, de forma que ahora en el segundo tanque se genera nitrógeno y el primero se regenera. (52) Uno de los principales problemas de este proceso es la dependencia de la pureza del nitrógeno ante ajustes de presión de funcionamiento, temperatura, la velocidad de flujo a través de los tamices moleculares y la frecuencia con que estes se cambian. Cabe destacar que este sistema presenta fluctuaciones de presión en la entrada y salida del sistema, así como fluctuación del flujo. Otro inconveniente es el alto nivel sonoro debido al venteo de oxígeno. Sin embarga, en comparación con la destilación criogénica presenta un arranque mucho más rápido y supone un coste de inversión inicial más bajo. (30) (52) En la Figura 14, se presenta un esquema del proceso de adsorción por cambio de presión. (49) Figura 14. Esquema del proceso de adsorción por cambio de presión (49) • Separación por membranas Este sistema consiste en un haz de fibras de polímero de pequeño diámetro que se encuentran dentro de una cubierta exterior protectora que permite separar el nitrógeno del oxígeno del aire gracias al fenómeno de permeación. En primer lugar, el aire se comprime, se purifica y se seca, antes de ser alimentado a las membranas. Gracias a que los gases penetran a distintas velocidades es posible separar el nitrógeno, ya que el oxígeno penetra Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 33 de 110 más rápido, por lo que abandona antes el sistema. De esta forma, el aire de alimentación se separa en dos corrientes, una de oxígeno y otra de nitrógeno, tal y como se muestra en la Figura 15. (30) (53) Frente al sistema de adsorción por cambio de presión, este sistema arranca con mayor rapidez y es más silencioso, además de que los costes de mantenimiento son menores y también requiere un menor espacio. Sin embargo, tanto el caudal de nitrógeno que se puede obtener como la pureza es más bajo. (53) Figura 15. Esquema de un sistema de membranas para producción de nitrógeno (49) 6.2.2.1.Comparación y selección de alternativas La elección de una u otra tecnología depende principalmente de la capacidad de producción de nitrógeno necesaria, la pureza requerida y de los costes económicos asociados. En la Tabla 11, se recogen las características principales de cada tecnología. (30) (54) Cabe destacar que tanto para adsorción por cambio de presión como para la separación por membranas se requiere un sistema DEOXO para eliminar el oxígeno antes del ciclo de síntesis de amoníaco. (54) Tabla 11. Resumen de las características principales de cada tecnología (54) Tecnología Destilación criogénica de aire (ASU) Adsorción por cambio de presión (PSA) Separación por membranas Temperatura (ºC) -195 a -170 20-35 40-60 Presión (bar) 1-10 6-10 6-25 Pureza (%) 99,999 <99,99 99,5 Tiempo de arranque Horas Minutos Minutos Consumo de energía (kWh/kg N2) 0,1 0,2-0,3 0,2-0,6 Capacidad de producción (m3/h) 250-50000 25-3000 3-3000 Coste de inversión (k€/tpd NH3) <8 4-25 25-45 Teniendo en cuenta que se producen 50 t/día de amoníaco, estequiométricamente de acuerdo con la Ecuación 2, aplicando la ecuación de los gases ideales para condiciones estándar (0ºC y 105Pa), se requiere un flujo volumétrico de nitrógeno de Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 34 de 110 aproximadamente 1392 m3/h. Por tanto, atendiendo al criterio de capacidad de producción, las tres tecnologías son válidas. Por otro lado, para la producción de amoníaco verde se requiere nitrógeno pureza superior al 99,9%, por lo que tanto la destilación criogénica como la adsorción por cambio de presión podrían ser empleadas. Sin embargo, en la Figura 16, se presenta la rentabilidad relativa actual de las diferentes tecnologías para capacidades más pequeñas en función de la capacidad y la pureza requerida, donde se recomienda la destilación criogénica para los requisitos del proceso. (49) Figura 16. Selección de la tecnología de separación de aire en función de la capacidad de producción y pureza de N2 (49) Por tanto, a pesar de que la unidad de separación del aire (ASU) requiera mayor tiempo de inicio y aunque el coste de inversión inicial pueda ser mayor al sistema de adsorción por cambio de presión (PSA), como cumple con los requisitos de capacidad y de pureza y además es la que menor consumo de energía presenta para la misma cantidad de nitrógeno, es la alternativa escogida. 6.2.3. Síntesis de amoníaco verde En base a lo mencionado anteriormente, los procesos de síntesis de amoníaco verde existentes difieren principalmente en la forma en la que se obtiene el hidrógeno y el nitrógeno, siendo escogidos finalmente la producción de hidrógeno y nitrógeno a partir de la electrólisis alcalina y destilación criogénica del aire, respectivamente. Otro de los aspectos en los que puede diferir la síntesis de amoníaco es el ciclo de síntesis empleado. Actualmente, tras obtener el hidrógeno y el nitrógeno, se concluye el proceso aplicando el ciclo de síntesis de amoníaco convencional Haber-Bosch, donde las condiciones de operación concretas, dentro de los rangos de este proceso, vendrán dadas Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 35 de 110 por el catalizador a emplear. Este proceso, que combina la aplicación de la electrólisis de agua con el proceso Haber-Bosh, se denomina Power-to-ammonia. Por otro lado, de las configuraciones de ciclo de síntesis propuestas en el apartado 7.1.4.Ciclo convencional de síntesis Haber-Bosch, dado que el hidrógeno es purificado tras la electrólisis, eliminándose el agua y el oxígeno de este, atendiendo a las consideraciones explicadas, la configuración (a) mostrada en la Figura 9 es la más apropiada para este proceso. 7. EMPLAZAMIENTO Y LOCALIZACIÓN Para poder escoger una localización adecuada para la planta deben tenerse en cuenta una serie de factores como la proximidad a las materias primas y mercados de consumo, disponibilidad de terreno edificable y energía, consideraciones ambientales y leyes reguladoras, etc. A continuación, se presenta una discusión de estos factores que han llevado a elegir el lugar de construcción de la planta de amoníaco. 7.1. Disponibilidad de materia prima Las materias primas de este proceso son el agua y el aire a partir de las cuales se obtendrán el hidrógeno y el nitrógeno respectivamente. Dado que el aire es un recurso abundante que no depende de la localización de la planta, el agua será el único condicionante. Como se ha comentado anteriormente, el agua necesaria para la electrólisis debe ser dulce, por lo que se ha de comprobar la presión hídrica en el país, siendo favorables aquellos lugares donde la captación del agua no altere el caudal ecológico del cauce. Se entiende como presión hídrica cualquier actividad humana que trasgreda el estado de las aguas, lo cual, en función de la presión que se ejerza sobre un medio, puede llevar al riesgo de los recursos hídricos naturales. En la Figura 17, se presenta la ratio entre los recursos disponibles y la demanda para las diferentes cuencas hidrográficas de España, obtenida de un estudio sobre el balance hídrico en España del 2020. (55) (56) Figura 17. Ratio recursos/demandas para las demarcaciones hidrográficas en España (56) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 36 de 110 Como se puede observar, las demarcaciones hidrográficas menos afectadas por la demanda de agua en relación con su disponibilidad son la Demarcación Hidrográfica de Galicia-Costa, del Miño-Sil, del Cantábrico, y la Demarcación Hidrográfica de las Cuencas Internas del País Vasco, por lo que estas zonas son candidatas para la localización de la planta. Por otro lado, cabe destacar que en la bibliografía se indica que la probabilidad de cambio en el grado de estrés hídrico de estas demarcaciones, de acuerdo con el coeficiente de explotación (Water Exploitation Index, WEI), es muy bajo. (56) Aparte de este estudio, una vez escogida la localización, se consultará el Plan Hidrológico de Cuenca y se corroborará el impacto de captación de agua. En la Tabla 12, se recogen los costes unitarios del agua por comunidad autónoma correspondientes a las demarcaciones hidrográficas con menor estrés hídrico en 2018 en base al Instituto Nacional de Estadística y se puede observar que por economía resultarían Galicia y Asturias. (57) Tabla 12. Coste unitario del agua por comunidad autónoma sin estrés hídrico en 2018 (57) Comunidad autónoma Coste unitario del agua (€/m3) Galicia 1,28 Asturias 1,40 Cantabria 1,67 País Vasco 2,05 Navarra 1,43 7.2. Disponibilidad de energías renovables A 31 de diciembre 2021, de acuerdo con los avances del sistema eléctrico español elaborado por la Red Eléctrica de España (ree), la potencia instalada en la península rondaba los 107.505 MW, siendo el 58,4% procedente de fuentes renovables. De estas, la energía eólica supone un 25,7%, seguida de la energía hidráulica con un 15,9%. Cabe destacar, el aumento de la potencia fotovoltaica, que se sitúa como la tercera energía renovable más demandada con un 13,7%. (58) En la Figura 18, se presenta la potencia renovable instalada en MW por comunidad autónoma elaborada a partir de datos del 11 de abril de 2021. Como se puede observar, Galicia supera con creces a la potencia instalada en Asturias, Cantabria, País Vasco y Navarra, siendo además la tercera comunidad autónoma con mayor potencia procedente de renovable tras Catilla León y Andalucía. (59) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 37 de 110 Figura 18. Ratio potencia renovable/potencia (%) y potencia renovable (MW) a 31/12/2020 (59) 7.3. Selección de la localización En base a la disponibilidad de materias primas y energías renovables, se ha decidido construir la planta en Galicia. Para escoger la localización se han analizado distintos factores atendiendo al Plan Hidrológico de la cuenca Galicia-Costa y Miño-Sil como zonas de captación sensible, espacios protegidos, calidad del agua, etc, comentados en el Estudio de Impacto Ambiental, Documento III. Además, también se ha tenido en cuenta la proximidad a los mercados de consumo, detallado en el apartado 7.3.1. Dado que Fisterre Energy prevé la construcción de una planta de producción y almacenamiento de amoníaco e hidrógeno verde en el puerto exterior de Langosteira, Arteixo, para usos industriales y energéticos, se ha optado por localizar la planta en el Sur de Galicia. En la demarcación Miño-Sil, cabe destacar el río Miño con un caudal medio en torno a 7.068 hm3/año y su principal afluente el río Sil, con 5.976 hm3/año, siendo el primero el río más caudaloso de Galicia. (60) En concreto se ha decidido instalar la planta en el Área Metropolitana de Vigo, en la comarca de O Condado, en los municipios de Salvaterra de Miño y As Neves (Figura 19), dado que el polígono escogido se encuentra en ambos. De esta forma la planta se encuentra situada próxima a las orillas del río Miño. Además, constituye una eurociudad con Monção, en Portugal, a la cual tiene acceso a través del Puente Internacional Salvaterra de Miño-Monção. Tal y como se ha comentado en el estudio de mercado, este lugar presenta una gran ventaja ya que Portugal es uno de los mayores importadores de amoníaco de España. 7.3.1. Proximidad a mercados de consumo Dado que el amoníaco anhidro de 99,8% presenta numerosas aplicaciones con este proyecto se busca abastecer la demanda de diversos mercados locales. Salvaterra de Miño y As Neves se encuentran cerca de los polígonos más importantes tanto en el sur de Galicia como en el norte de Portugal. Algunos de estos son el Polígono Industrial A Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 38 de 110 Granxa y el Polígono Industrial de As Gándaras, ambos en O Porriño, el Parque Tecnológico y Logístico de Vigo, el Parque Empresarial de Pereiro de Aguiar en Ourense, el Polígono Industrial de Baión en Vilanova de Arousa, Polígono Industrial de A Pasaxe en Pontevedra, el Parque empresarial de Fulão en Vila Nova de Cerveira o la Zona Industrial do Entroncamento en Ribeira da Pena en Portugal, entre muchos otros. En la Figura 19, se puede observar a la derecha la distribución de los diferentes polígonos industriales más próximos a estos municipios. Figura 19. Polígonos industriales en el centro-sur de Galicia (61) (62) En los diversos polígonos industriales se encuentran empresas con objetivos sociales diferentes que emplean el amoníaco en sus procesos productivos: industrias dedicadas a la fabricación de productos de limpieza, caucho, madera, papel, pinturas, barnices, fibras y plásticos, fibras textiles y fertilizantes. En la Tabla 13 se recogen algunas empresas consumidoras de amoníaco. Tabla 13. Empresas consumidoras de amoníaco (63) Empresa Objeto Social Polígono industrial Actega Artística S.A. Fabricación de sellantes metálicos A Granxa Industrias Proa S.A. Fabricación de pinturas, barnices y lacas A Granxa Zelnova Zeltia S.A. Fabricación y distribución de productos para la limpieza, higiene, desinfección y desinsectación Torneiros Impor Am Galicia Fabricación de productos de limpieza para automóviles Sur Ppi-7 Geraway S.L. Fabricación de perfumes y cosméticos A Pasaxe Sociedad Agrícola Gallega S.A. (SOAGA) Fabricación de abonos y compuestos nitrogenados, fertilizantes Baión System Paper City S.L. Fabricación de papel, cartón y otras materias Moaña Tintex Textiles S.A. Fabricación de productos textiles Parque do Fulão MOCARSIL Fabricación de productos químicos auxiliares para uso industrial Zona Industrial do Entroncamento Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 45 de 110 una cadena de suministro más sólida. Además, es importante destacar que a pequeña escala existe tecnología probada que permite que el proceso de producción de amoníaco sea mucho más económico. (79) El lazo de síntesis de amoníaco del proceso Haber-Bosch ha sido estudiado e integrado en numerosos procesos comerciales a lo largo de estos años. Algunos de estos son el proceso de amoníaco de Haldor Topsoe, Ammonia Casale, Linde Ammonia Concept, ThyssenKrupp y KBR (Kellogg Brown and Root), que empleaban gas natural como materia prima. Sin embargo, algunas de estas empresas han apostado por la síntesis de amoníaco verde en la que también se incluye el proceso Haber. (80) El proceso Power-to-Ammonia está tomando gran importancia a nivel industrial como una solución a las emisiones durante el proceso convencional de amoníaco. Proton Ventures es una compañía proveedores de soluciones energéticas que ha diseñado plantas de amoníaco verde con capacidades de entre 3,10 y 60 t/d ya implantadas en países como Argentina, Suiza y China. (30) Otro ejemplo de la viabilidad de este proceso es la implantación de la tecnología ThyssenKrupp en Kizad, Abu Dhabi, donde la planta producirá 200.000 toneladas anuales de amoníaco verde. Esta empresa proporciona tecnología tanto para pequeña como para grande escala, presentando dos conceptos ya comercializados: plantas de producción de 50 t/d con electrolizadores alcalinos de agua de 20 MW y plantas con capacidad de 300 t/d con electrolizadores de 120 MW. (30) 8.2. Disponibilidad de recursos Para poder llevar a cabo el proyecto se debe conocer si existen suficientes recursos englobando desde las materias primas hasta la disponibilidad de mano de obra y que se comentan a continuación. 8.2.1. Disponibilidad de materias primas El aire es una materia prima abundante que se puede obtener en cualquier lugar donde se localice y sin ningún coste. Está compuesto aproximadamente de un 99% de nitrógeno y oxígeno y un 1% de diferentes gases como el argón (0,93%) y el dióxido de carbono (0,035%). En concreto, el nitrógeno supone el 78,08%, mientras que el oxígeno está presente en un 20,95%. (81) El agua está presente en la Tierra alrededor de 1.386 millones de kilómetros cúbicos, lo cual supone que el 70% del planeta es agua. Sin embargo, el 96,5% del agua es salada, siendo tan sólo un 3,5% agua dulce. Del agua dulce disponible, el 70% se encuentra congelada en glaciares, por lo que el 30% constituye parte de la humedad del suelo y de acuíferos. Cabe destacar que tan sólo el 1% de agua dulce se encuentra en cuencas hidrográficas, arroyos y ríos, por lo que, para poder garantizar el abastecimiento de agua de la planta, se debe comprobar en primer lugar la presión hídrica del lugar y el Plan Hidrológico de las distintas cuencas, ya comentadas en el apartado de localización. Por tanto, la localización escogida permite abastecer el consumo de agua diario de la instalación. (82) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 46 de 110 8.2.2. Disponibilidad de energía renovable La demanda de energía de la planta debe cubrir las necesidades del electrolizador, la unidad de separación de aire, los requerimientos energéticos para el almacenamiento de hidrógeno, amoníaco y el ciclo de síntesis de este último. Como primera estimación, se han consultado diversas plantas de amoníaco verde a pequeña escala, entre ellas se encuentra la propuesta por Thyssenkrupp, en la que se estima que el consumo eléctrico de la planta ronda los 10 MWh/tNH3, tanto para la capacidad de 50 como de 300 t/día de amoníaco. Por tanto, teniendo en cuenta que la producción de amoníaco es de 50 t/día, el consumo eléctrico diario de la planta será de 500 MWh. Dado que la energía se calcula como la potencia multiplicada por el tiempo, la potencia necesaria para poder abastecer la planta se obtendrá al dividir los 500 MWh entre 24 horas (1 día), que resulta de 20,8 MW. El proyecto de esta compañía propone emplear dos turbinas de gas con una potencia eléctrica de 16 MW cada una, basada en la combustión de hidrógeno. (83) Como se ha comentado anteriormente en el apartado de localización, Galicia presenta en torno a 7689 MW de potencia procedente de fuentes renovables, por lo que no existe problema de disponibilidad de energía eléctrica renovable. 8.2.3. Disponibilidad de servicios auxiliares En base a los requerimientos del proceso, los servicios auxiliares que ha de disponer la planta serán: - Vapor de baja presión, entre 1-2 bar empleado para calentar la corriente de agua a la entrada del electrolizador. Para estimar la cantidad de vapor de baja presión se considerará una temperatura de entrada d 135ºC y una temperatura de salida de 120ºC. -Chilled water, para refrigerar por debajo de los 32ºC que permite el agua de refrigeración, y para la que se toma como temperatura de entrada al intercambiador 7ºC y una salida de 32ºC. -Propano, empleado en la licuación del amoníaco para separar la mezcla reaccionante del producto y cuyo rango de temperatura está entre los -40 y -6ºC. Para poder refrigerar el propano tras ser calentado hasta -40ºC es necesario incorporar ciclos de refrigeración basados en el principio de expandir para enfriar, tal y como se ha propuesto en la licuación de aire. Este refrigerante ha sido escogido frente a otros por su bajo precio en comparación con los refrigerantes sintéticos, su bajo índice GWP (Globalwarming potential), y un elevado valor de desplazamiento facilita el diseño y el funcionamiento del intercambiador de calor. -Aire comprimido. Aparte del aire comprimido empleado como materia prima del proceso, es necesario otra instalación de aire comprimido para el control de procesos, ya que se emplearán transmisores y actuadores neumáticos por ser estos más eficaces en la regulación de las válvulas de control y seguros. -Agua empleada en el off site de la planta (oficinas, aseos, limpieza, taller, etc). Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 47 de 110 Todas estes servicios auxiliares son habituales en cualquier tipo de proceso químico industrial, por lo que no existe ningún problema de disponibilidad. Otro de los servicios claves en la planta es la electricidad mediante la cual se llevará a cabo la electrólisis. Dado que el objetivo de la planta es ser lo más neutra en carbono posible, para poder considerarse ‘‘verde’’ ha de garantizarse que la electricidad proceda de fuentes renovables como energía eólica, hidráulica o solar. Si bien es cierto que el polígono PLISAN dispone de líneas de alta, media y baja tensión, no se ha podido comprobar que toda la energía proceda de fuentes renovables, siendo lo más probable que esta sea una combinación entre distintas fuentes. Por eso, en caso de ser necesario se contratará energía exclusivamente de origen verde con empresas que ofrezcan este servicio, como puede ser Endesa, Nexus Energy, Feníe Energía. En concreto, la empresa Electricidad Condado de Salvaterra de Miño ofrece la instalación y contratación de energía 100% verde con Feníe Energía, mientras que Nexus Energía ya ha ofrecido su servicio a CEAGA (Vigo, Clúster de Empresas de Automoción de Galicia), garantizando que todas las empresas miembros del clúster estén suministradas por electricidad verde. (84) (85) 8.2.4. Disponibilidad de equipos y tecnología El proceso de síntesis de amoníaco incluye tanto equipos frecuentes de la ingeniería química como otros más específicos. Entre los equipos más empleados en la industria química presentes en este proceso se encuentran bombas centrífugas, compresores, intercambiadores de calor, tanques de almacenamiento y otros equipos para la purificación de corrientes como adsorbedores o el sistema de purificación DEOXO, todos disponibles en el mercado. Por otra parte, la destilación criogénica del aire está totalmente estudiada y desarrollado a nivel comercial, siendo esta la tecnología más empleada para la obtención de nitrógeno. Algunas empresas comercializadoras de esta tecnología son Air Liquide y Ingersoll Rand. (86) Actualmente, también existe una serie de empresas que proveen tecnologías necesarias para la electrólisis del agua alcalina como ThyssenKrupp, Ariema, IHT (Industrie Haute Technologie SA), con potencias adecuadas a la capacidad propuesta. En cuanto al reactor de síntesis de amoníaco, es necesario encontrar la mejor tecnología disponible que sea adecuada para la producción de amoníaco establecida. Por ello, se ha escogido a la empresa Casale como proveedor, dado que esta dispone de reactores para capacidades de entre 50 y 100 t/d de amoníaco, permitiendo una utilización de catalizador óptima con respecto a otras ofertas en el mercado. (87) (88) 8.2.5. Disponibilidad de mano de obra En la localización escogida, como ya se ha comentado anteriormente en el apartado de emplazamiento, se cuenta con una serie de profesionales desde grados de formación profesional hasta másteres universitarios. Además, cabe destacar la existencia de cursos online o semipresenciales sobre hidrógeno verde como ser los que ofrecen la Escuela de Organización Industrial (EOI), TECPA, etc. El número de empleados se estimará en el Presupuesto, Documento V. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 48 de 110 8.3. Viabilidad económica La viabilidad económica del proyecto se presenta más adelante en detalle en el Documento V, correspondiente al presupuesto. Sin embargo, existen estudios de factibilidad para plantas de amoníaco verde a pequeña escala. En concreto, se ha tomado como referencia el QNP Green Ammonia Proyect, ya que la capacidad de producción de amoníaco verde es de 20.000 t/año, muy similar a la capacidad propuesta en este trabajo (16.500 t/año), que será producido a partir de 3.500 t/año de hidrógeno verde. (89) En este estudio se concluye que el proyecto sólo es viable económicamente si se cuenta con el apoyo del gobierno, a través de subvenciones, y mediante préstamos en condiciones favorables. Esto se debe a los elevados costes de inversión y costes operativos, especialmente debido a los costes de la electricidad. (89) El coste de capital del proyecto QNP oscila entre los 150 y 200 millones de dólares. En la Figura 23, se presenta la distribución de los costes de inversión en las distintas secciones implicadas en la planta. (89) Figura 23. Distribución de los costes de capital del proyecto QNP para la planta de amoníaco verde de 20.000 t/año (89) Como se puede observar, los costes de capital están representados principalmente por la planta de electrólisis, la planta de síntesis de amoníaco y los equipos asociados al almacenamiento y compresión de hidrógeno. Por otro lado, los costes operativos de la planta ascienden hasta 15 millones de dólares anuales. (89) Del análisis de viabilidad económica del proyecto consultado se han sacado una serie de conclusiones: (89) • El estudio de viabilidad concluye que el proyecto es técnicamente viable, sin embargo, requiere de un importante apoyo en forma de subvenciones y préstamos para que sea comercialmente viable. • A pesar de que las plantas de amoníaco verde son menos complejas que las convencionales, la complejidad no reduce significativamente el coste. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 49 de 110 • Los costes de la planta de amoníaco verde todavía no son equiparables a las de una planta convencional. • Los costes de electricidad deben disminuir o el impuesto sobre carbono debe aumentar para que los costes de los proyectos verdes sean equiparables a los convencionales. Como ya se ha comentado en la localización de la planta, existen una serie de subvenciones y ayudas concedidas por la Unión Europea, el Estado e incluso la Xunta de Galicia, para facilitar la transición verde, por lo que, tal y como se comprobará en el apartado de Presupuesto, Documento V, el proyecto resulta rentable económicamente. 8.4. Seguridad en el proceso Otro aspecto que se debe contemplar en la viabilidad de un proyecto, aparte de los ya mencionados, es la seguridad del proceso. En este proceso, las sustancias químicas que se manejan son el hidrógeno, el nitrógeno y el amoníaco. El hidrógeno se considera un gas no tóxico, pero extremadamente inflamable, además de poseer una densidad muy baja, por lo que en caso de fuga se difunde muy rápido. Por otro lado, el nitrógeno, a pesar de no considerarse tóxico, puede llegar a causar asfixia por desplazamiento del oxígeno. Al igual que el hidrógeno, el amoníaco también es inflamable, y además es un gas tóxico que puede causar quemaduras. Dado que se trabaja con sustancias químicas que presentan cierta peligrosidad, es necesario tomar una serie de medidas que garanticen la prevención frente al riesgo de explosión, así como se requiere implementar sistemas de detección de fugas, especialmente para el amoníaco por ser perjudicial para la salud y el medio acuático, etc. (90) Las condiciones de operación del proceso llegan a ser severas en algunos casos. Cabe destacar las bajas temperaturas que se alcanzan en la columna de destilación criogénica, la elevada temperatura en el reactor de síntesis, próxima a los 500ºC, y la presión a la que se lleva a cabo la reacción, que, para el catalizador escogido (indicado en los cálculos justificativos del reactor, Anexo II) ronda las 100 atm. Por tanto, la selección de los materiales de los equipos, los sistemas de control y los sistemas de seguridad, como válvulas de alivio, aislantes de equipos, etc, juegan un papel fundamental y deben realizarse simultáneamente a la hora de diseñar los equipos y no de forma independiente. En el apartado correspondiente a Seguridad, se indica más en profundidad la clasificación de las sustancias en base a la normativa vigente, su compatibilidad, las condiciones de almacenamiento, etc, así como se presentan las medidas que se deben tomar para prevenir accidentes. 8.5. Análisis de factores externos Uno de los factores externos más importantes a tener en cuenta para que el proyecto sea viable es la localización de la planta, ya que esta debe ofrecer buenas comunicaciones, especialmente teniendo en cuenta que con esta propuesta se busca reforzar el mercado local en Galicia y el norte de Portugal. Además, para el emplazamiento de la planta se ha tenido en cuenta la competencia en el negocio de amoníaco a nivel nacional y que tanto Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 50 de 110 como Galicia y Portugal son importadores, siendo este último el mayor importador de amoníaco de España. Por otro lado, dado que la producción de amoníaco no está destinada principalmente al consumo de fertilizantes, si no a otros usos industriales como la fabricación de productos de limpieza, sellantes, disolventes, etc, se ha decido una capacidad de producción relativamente baja en comparación con la producción de amoníaco de Fertiberia, pero que en base a datos de consumo de este tipo de industrias se considera suficiente para abastecer el mercado. En base a lo mencionado en el apartado de viabilidad económica, se han de tener en cuenta todas las ayudas posibles para poder llevar a cabo el proyecto, garantizando así su viabilidad económica. Aparte, es necesario consultar la legislación vigente en relación con el diseño y construcción de equipos, infraestructuras, almacenamiento de las sustancias químicas, instalaciones eléctricas y otras, comentadas en el apartado LEGISLACIÓN APLICABLE, REGLAMENTOS Y CÓDIGOS, sobre legislación, normas, referencias y códigos de diseño. 9. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 9.1. Descripción detallada del proceso 9.1.1. Sección 100 Para poder licuar el aire se ha decido emplear el proceso Linde-Claude que combina el proceso Linde y el proceso Claude en uno solo. El proceso Linde está basado en una compresión isoterma seguida de un enfriamiento a presión constante y una expansión isoentálpica que permite obtener una fracción líquida y otra vapor, sin embargo, la eficiencia que presenta el proceso es muy baja y requiere operar a presiones muy elevadas para poder licuar el aire. Por otro lado, el proceso Claude propone reemplazar la expansión isoentálpica del proceso Linde por una turbina consiguiendo así una mayor fracción licuada que en el caso del proceso Linde. Mediante este último proceso se consiguió reducir las presiones de operación del proceso Linde y aumentar la eficiencia energética. Como inconveniente de la implantación de este proceso surgieron problemas asociados a la erosión en la expansión debido a las gotas de aire líquido condensado. Para solucionar los problemas que ambos procesos suponen se combinaron los dos procesos dando lugar al proceso Linde-Claude que se caracteriza por integrar lo siguiente de cada proceso: (91) • Válvula isoentálpica: empleada en el proceso para generar la fase líquida mediante la expansión de la corriente ya enfriada • Máquina expansora: empleada como generador de frío del proceso De esta manera, mediante integraciones energéticas se enfría el aire con parte del mismo (corriente de bypass) que es expandido mediante un expansor llegándolo enfriar lo suficiente, pero sin provocar la licuefacción en la turbina. A continuación, el gas que se enfría en contracorriente en un intercambiador de calor con el aire expandido es Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 51 de 110 expandido en la válvula isoentálpica provocando así la licuefacción del aire. En la Figura 24, se presenta el esquema del proceso: (91) Figura 24. Esquema del proceso Linde-Claude (91) El bypass realizado de la corriente C que entra en la turbina mostrada en la Figura 24 suele ser del 50 al 60%, mientras que la presión a la cual se lleva la corriente de entrada (A) ronda los 45 bar. Tanto la presión de salida de la turbina como de la válvula son característicos de cada proceso en función de los requerimientos energéticos que se precisen. (91) Se comienza captando aire (corriente 1) filtrándola para eliminar posibles impurezas en forma de partículas en el filtro FT-101 antes de comprimirla hasta los 7,5 bar en el compresor C-101, refrigerándolo con el intercambiador E-101 empleando chilled water (agua enfriada) hasta los 25 ºC. En el tanque V-101 equipado con un demister para retirar parte del agua que sale por la corriente 6 mientras que el aire restante (corriente 5) entra a la torre de secado de aire (T-101 A/B) con zeolitas para retirar el agua restante. La cantidad de agua a la salida de las zeolitas será muy baja, por lo que se tomará como nula en la corriente 7. Posteriormente se mezcla con la corriente de aire recirculado (corriente 24) obteniendo la corriente 8 que será comprimida hasta 45,2 bar en el compresor C-102. Se refrigerará con el oxígeno de la salida de la torre de destilación en el intercambiador E- 102 que será utilizado como gas de limpieza en los equipos con zeolitas. Posteriormente se refrigera la corriente 10 hasta los 25 ºC en el intercambiador E-103 antes de entrar a los intercambiadores de integración energética. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 52 de 110 En el intercambiador E-104 se enfriará la corriente 11 hasta obtener la corriente 12 a -5,6 ºC, que será dividida en las corrientes 13 y 16 (un 40 y un 60% respectivamente). La corriente 13 se introducirá en el intercambiador de calor E-105 para obtener la corriente 14 a -137,88 ºC empleando el aire de recirculación. La corriente 14 se expandirá en la válvula VLV-101 hasta 6,5 bar para introducirlo en el tanque de licuefacción V-102 del cual saldrá una corriente gaseosa (corriente 18) y una corriente líquida (corriente 25). La corriente gaseosa se expande en la válvula VLV-102 hasta 4,5 bar (corriente 19) para mezclarlo con la corriente 17 que ha sido expandido en la turbina TUR-101 hasta la misma presión, combinándose en la corriente 20 a -143,98 ºC. La corriente 20 es la que se usa en E-105 para enfriar el aire de entrada y a continuación (corriente 21) en el intercambiador E-104 con la misma función alcanzando los 30 ºC (corriente 22). Esta corriente será comprimida (C-103) y enfriada (E-106) mediate agua enfriada hasta una corriente con 25 ºC y 7,1 bar que se unirá con la corriente 7. La corriente 25 se introducen en la torre de destilación criogénica T-102 de la cual saldrá nitrógeno gaseoso por cabezas (corriente 26) siendo una parte recirculada como reflujo. Este reflujo se condesará empleando la corriente de salida de colas tras ser expandida en la válvula VLV-103. La corriente de oxígeno usada para enfriar (corriente 29) será empleada para refrigerar también en el intercambiador E-102, resultando la corriente 30 que será usada en la limpieza de las torres de secado de la planta. 9.1.2. Sección 200 La sección 200 consistirá en la obtención de hidrógeno a partir de agua, obteniéndose con una pureza que se asumen del 100%, ya que la concentración de oxígeno y de agua sería de menor a 2 ppm. El agua de entrada a 1 bar, que vendrá de la depuradora cercana (corriente 31) se bombeará con la bomba P-201 A/B hasta los 4 bar para posteriormente introducirse en el desmineralizador DES-201 en el cual se retirarán los iones (Na+, K+, Cl-, etc.) del agua para obtener un agua lo más pura posible con el fin de evitar impurezas a la entrada del electrolizador. Se calentará la corriente de salidas del desmineralizador (E-201) hasta la temperatura de funcionamiento del electrolizador (80 ºC en la corriente 34) y se introducirá en el electrolizador ELE-201 del cual se obtendrán dos corrientes. La corriente 35 contendrá hidrógeno y una pequeña cantidad de agua, se comprimirá hasta los 6,7 bar en el compresor C-201 y se enfriará hasta los 25 ºC en el intercambiador E-202 empleando agua enfriada (corriente 37). A continuación, para retirar el agua se empleará una torre de secado de aire con zeolitas T-201 A/B dando lugar a la corriente 38 con hidrógeno que se asumirá puro. La corriente de oxígeno (corriente 39) se enfriará hasta los 25 ºC empleando agua enfriada en el intercambiador E-203 para luego retirar el agua en la torre de secado T-202 A/B dando lugar a la corriente 41 de oxígeno puro que podrá ser almacenado o emitido a la atmósfera según se considere su venta o no. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 53 de 110 9.1.3. Sección 300 La sección 300 se corresponde con el ciclo de síntesis del amoníaco, el ciclo Haber- Bosch convencional, modificando las condiciones de operación convencionales por las seleccionadas debido al tipo de catalizador empleado. Se mezclan las corrientes de nitrógeno e hidrógeno gas provenientes de la sección 100 y 200 respectivamente, en la corriente 42, que será comprimida en el compresor C- 301 hasta los 100,3 bar (corriente 43) para mezclarlo con la corriente de recirculación 54 dando lugar a la corriente 44. Esta corriente se calentará con la corriente de salida del reactor (corriente 46) que está a 469,59 ºC en el intercambiador E-301 antes de entrar al reactor R-301. Tras recuperar su energía en el intercambiador E-301 la corriente 47 se introducen el en intercambiador E-302 para calentar la corriente de recirculación dando lugar a la corriente 48 que se introducirá en el intercambiador E-303 para enfriarse con la corriente de almacenamiento de amoníaco. Finalmente, para que la corriente alcance los -20 ºC (corriente 50) se introduce en el intercambiador E-304 que emplea propano como utilidad. La corriente 50 se introduce en el tanque flash V-301 del cual se obtiene una corriente gaseosa (corriente 51) compuesta principalmente de hidrógeno y nitrógeno que será la corriente de recirculación y una corriente líquida de amoníaco con pureza comercial (corriente 56) la cual será expandida hasta la presión de almacenamiento en la turbina TUR-301 y será almacenada (corriente 58). La corriente de recirulación tras enfriar la salida del reactor R-301 en el intercambiador E-302 se dividirá en una corriente de purga que será enviada al sistema de tratamiento de gases (corriente 55) y en otra que irá al compresor C-302, en el cual se comprimirá hasta 100,3 bar. 9.2. Descripción de la instalación Aparte de las unidades del proceso, se deben tener en cuenta las construcciones auxiliares y servicios requeridos como los parques de tanques y almacenes para el almacenamiento de las materias primas, los talleres de mantenimiento, laboratorios destinados al control de calidad del Aparte de las unidades del proceso, se deben tener en cuenta las construcciones auxiliares y servicios requeridos como los parques de tanques y almacenes para el almacenamiento de las materias primas, los talleres de mantenimiento, laboratorios destinados al control de calidad del proceso, la sala de control de procesos, las estaciones de bomberos y servicios auxiliares asociados con la instalación de aire comprimido, generación de electricidad, refrigeración, oficinas para la administración, plazas de aparcamiento, etc. A continuación, se describe brevemente las distintas áreas que componen la planta. (92) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 54 de 110 9.2.1. Área de almacenamiento y parques de tanques Dado que las materias primas del proceso son el aire y el agua captada que proporciona el polígono no es necesario un espacio cerrado para almacenar las materias primas. Sin embargo, si se debe disponer de un área para el almacenamiento del amoníaco producido. Dado que el amoníaco será almacenado a una presión de 18 bar y estará expuesto a la temperatura ambiente del lugar, no es necesario contar con un espacio totalmente cerrado y aislado, por lo que los tanques de almacenamiento estarán al aire libre constituyendo el parque de tanques. 9.2.2. Taller de mantenimiento, laboratorios de control de calidad y salas de control En el proceso existen numerosos equipos asociados con requerimientos energéticos como los intercambiadores, compresores, bombas y turbinas. En el caso de los intercambiadores de calor es necesario realizar una limpieza de tubos, mientras que para los compresores se requiere el cambio de aceite, del filtro de aire y comprobar el correcto funcionamiento de las válvulas de control asociadas. Por otro lado, también se ha de realizar el mantenimiento del reactor para la limpieza del intercambiador y de las paredes perforadas, así como de la torre de destilación criogénica entre otros, por lo que en este taller se dispondrá de las herramientas necesarias para poder realizar las tareas de mantenimiento. Todo proceso necesita comprobar que el producto final cumple con las especificaciones exigidas. Es por ello, que se necesita de un laboratorio de control que supervise el producto final atendiendo principalmente a la composición del mismo. Cabe destacar que en este caso el amoníaco, al no estar dirigidas a aplicaciones donde se exige un grado de pureza determinado como puede ser el sector farmacéutico, la composición del producto no ha de ser tan estricta pudiendo permitir una ligera variación entre las centenas de 99,80-99,85. Sin embargo, si ha de controlarse que esta no sea inferior a la pureza especificada, puesto que si bien existe amoníaco de grado comercial del 99,7%, esto afectaría a las condiciones de almacenamiento del amoníaco, ya que las trazas de nitrógeno, hidrógeno y oxígeno afectan a la temperatura de ebullición del compuesto, por lo que una menor pureza indicaría mayores requisitos energéticos para mantener el amoníaco licuado. Por otro lado, es necesario determinar las propiedades del producto mediante diversas pruebas, ya que cada fabricante ha de elaborar sus propias fichas de seguridad. Para poder controlar las variables claves del proceso como la temperatura y la presión en cada uno de los equipos se necesita una sala de control que permita monitorizar el proceso, por lo que está dispondrá de los equipos informáticos necesarios, así como, paneles de visualización de las variables claves del proceso. 9.2.3. 9.2.3. Estaciones de bomberos y otros servicios de emergencia Dado que la planta trabaja con condiciones de operación extremas, especialmente en el reactor, es necesaria una estación contra incendios que disponga de medios generales Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 61 de 110 principal de la planta química se cumpla en base a ciertas medidas de seguridad y respecto hacia el medio ambiente. (93) Para lograr esto, las instalaciones habrán de satisfacer todos los requerimientos en materia de seguridad, especificaciones medioambientales y las especificaciones del producto o productos, como puede ser la pureza del compuesto a producir. Puesto que a lo largo del funcionamiento de los equipos se producen pequeñas perturbaciones de diversa índole que afecten al proceso, dificultando la tarea de mantener los requerimientos anteriormente nombrados, es necesario el empleo de un sistema de control capaz de vigilar continuamente el proceso e interviniendo en caso de ser necesario. El sistema de control ha de satisfacer tres necesidades básicas: contrarrestar la influencia de las perturbaciones externas, garantizar la estabilidad del proceso y optimizar el rendimiento de la planta. Debido a lo descrito anteriormente, se planteará a continuación un sistema de control para la planta de producción de amoníaco verde, que se complementará con el diagrama de tuberías e instrumentación (P&I) recogido en el documento de Planos en el cual se muestra su esquema detallado. 10.1. Introducción El sistema control de procesos puede ser descrito como el conjunto de equipos mediante los cuales se pueden mantener las condiciones deseadas de un sistema, mediante el ajuste de ciertas variables (variables manipuladas) de dicho sistema, pudiendo ser de forma manual o automática. Cuando el sistema de control se encuentra abierto o en modo manual, el controlador no está conectado al proceso, por lo tanto, no se está llevando a cabo la acción correctora que este ha calculado. En esta situación el operador puede actuar manualmente sobre el proceso, forzando un valor a la salida del controlador que será recibido por el elemento final de control. (94) El caso contrario sería cuando el sistema de control está cerrado o en automático, estando en este caso el controlador conectado al resto del sistema, de forma que su acción correctora se está aplicando al elemento de control final. Esta acción correctora la calcula el controlador a través de la información que obtiene a través de los transmisores que comunican la información de los distintos sistemas de medida en el proceso y empleando la ley de control implementada. (94) La variable controlada es aquella cuyo valor se desea mantener en el valor preestablecido. El valor de esta variable es medido a través de un equipo de medida que comunica la información al controlador mediante un transmisor. El valor deseado se denomina punto de consiga o referencia (en ingles set point) y se mantiene normalmente constante a lo largo de la operación salvo en casos puntuales como los arranques y parados o cuando se quiere realizar un aumento de producción. (94) Para llevar la variable controlada al punto de consigna se utiliza la variable manipulada. La variable manipulada es otra variable del proceso a la cual se le aplica la acción correctora dictada por el controlador para compensar las perturbaciones en la variable controlada. Puesto que normalmente el elemento final de control es una válvula Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 62 de 110 (para regular caudales) la variable manipulada sería el porcentaje de apertura de esta válvula. Las perturbaciones son modificaciones en variables externas o internas del proceso que provocan cambios en la variable controlada. Estas perturbaciones no se pueden preveer ni controlar, puesto que vienen impuestas con el ambiente que rodea al equipo. De forma normal pueden distinguirse tres tipos de perturbaciones: (95) • Perturbaciones de entrada: variaciones en la masa o energía de entrada del proceso. • Perturbaciones de carga: otras alteraciones de alejan a la variable controlada del valor consigna. • Perturbaciones del punto de consigna: modificaciones en el punto de consigna, dando lugar a que el proceso tenga que adaptarse a este nuevo valor requerido. Cabe destacar los distintos elementos que forman parte de los sistemas de control y que forman los lazos de control. De forma general se tienen en cuenta 5 elementos básicos, aunque en algunos casos algunos de ellos puede aparecer agrupados. (94) El primer elemento de control sería el sensor, el cual es el elemento encargado de medir el valor de variable controlada o variables perturbación u otras variables a partir de las cuales se pueden obtener valores de otras variables que no pueden ser medidas o que resultan más complejas de medir y por lo tanto más costosas. Su funcionamiento consiste en la medición de un fenómeno físico el cual puede relacionarse con la variable a medir. Por ejemplo, destacan termopares o termorresistencias para la medición de temperatura, placas de orificio para la medición de caudales y cromatógrafos para la medición de composiciones entre muchos otros. A continuación, el transmisor o transductor es el equipo encargado de transformar la magnitud del efecto físico producido en el sensor a una señal eléctrica, neumática o digital que puede ser transmitida hasta el controlador e interpretada por este sin haber sido modificada a lo largo del recorrido. De forma general, se suele emplear una señal eléctrica entre 4 y 20 mA o una señal neumática entre 3 y 15 psi. El controlador es el equipo encargado de calcular, mediante la señar recibida desde el transmisor y en base al algoritmo de control programado, una acción correctora frente a las perturbaciones que sucedan. Este cálculo, que se trata de un valor determinado, se transmite al elemento final de control mediante una señal de forma similar al caso anterior. El elemento final de control recibe la señal del controlador, la cual le indicará como debe actuar sobre la variable manipulada. El equipo más empleado como elemento de control la válvula, aunque se pueden emplear otros equipos de control como variadores de velocidad. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 63 de 110 Finalmente, el proceso es el sistema en el cual ocurren las operaciones químicas y físicas y del cual se está realizando control, conformado por el equipo material como bombas, tanques, reactores, etc. Suelen ser de acción directa. Cada uno de estos elementos de control pueden ser de acción directa o inversa, siendo la acción directa la más común en todos los casos, sobre todo en el primer elemento y el elemento final. La acción directa se refiere a un elemento de control el cual al aumentar su entrada provoca un incremento en su salida. A esto se le llama relación incremento-incremento (I/I). (93) Por el contrario, si un elemento de control, cuando se aumenta su entrada, disminuye el valor de su salida, se define como un elemento de acción inversa, y tendrá una relación incremento-disminución (I/D). La acción de controlador es crítica para el funcionamiento del lazo de control, cuando se emplea la acción directa anta un aumento en la variable controlada, la señal del controlador aumentará, mientras que si es de acción inversa se actuará de forma contraria. Además, es importante tener en cuenta que el control de procesos es dinámico, y por lo tanto es necesario tener en cuenta tanto la capacitancia como el tiempo muerto. La capacitancia simboliza la capacidad de un sistema para almacenar materia o energía, y el tiempo muerto representa el intervalo de tiempo entre que se produce una perturbación en el sistema y el sistema responde ante ella. 10.2. Lazos más comunes El lazo de control más ampliamente utilizado y más simple es el lazo de realimentación o feedback, suele emplearse para controlar variables de proceso como temperatura, presión, caudal, composición y nivel. Este tipo de lazos basa su funcionamiento en la comparación entre la medida de la variable controlada con el valor de consigna, calculando, en función del error que exista en cada momento, un valor para la acción correctiva en función de la ley de control con la cual esté programado el controlador. Puede verse una representación de un lazo de control de realimentación en la Figura 25, se trata de un lazo de SISO (Single Input – Single Output). (95) Figura 25. Lazo de control feedback con una entrada y una salida. Fuente: Elaboración propia. Existen otros tipos de lazos menos utilizados entre los que destacan los denominados feedforward o de control anticipativo, en los que se emplean medidas de las Medidor + Controlador Elemento final de control Proceso - Perturbaciones Error (E) Salida del controlador (SC) Variable medida (VM) Variable controlada (VC) Variable manipulada Set Point (SP) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 64 de 110 perturbaciones para ajustar los valores de las variables manipuladas, permitiendo actuar sobre la variable manipulada antes de que esta sufra cambios. También es muy utilizado el control en cascada, el cual consiste en un lazo de realimentación anidado dentro de otro, por lo que se emplean dos controladores. De esta forma el primer lazo actúa como el punto de consigna mientras que el segundo estará actuando sobre el elemento final del lazo. (96) 10.3. Algoritmo de control El algoritmo de control o ley de control hace referencia a las ecuaciones internas del controlador, existiendo para los controladores de realimentación tres tipos de acciones básicas: la acción proporcional (P), la acción integral (I) y la acción derivativa (D). Estas tres acciones pueden ser combinadas de forma que se obtienen los algoritmos de control más empleados. El algoritmo más simple sería el controlador proporcional (P) en el cual se emplea solo la acción proporcional. Permite eliminar las oscilaciones, pero no devuelve el proceso al valor de consigna, si no que se obtiene un error sostenido a lo largo del tiempo, el cual se conoce como offset. Este tipo de controladores son los que poseen una mayor velocidad de respuesta. (94) Para la eliminación del offset se puede aplicar la acción integral (I) dando lugar a un controlador proporcional-integral (PI). La acción integral permite eliminar el error, aunque hace que la respuesta sea más lenta. Normalmente no se usa esta acción por sí sola ya que la respuesta sería muy lenta y se tardaría demasiado en corregir el error, por eso se suele utilizar junto con la acción proporcional, siendo este el tipo de controlador más empleado. (94) Por último, la acción derivativa (D) de emplea para solventar el problema de ralentización de respuesta ocasionado por la acción integral, aumentando la señal favoreciendo la velocidad de cambio de error. Esto permite que se actúe de forma rápida frente a errores pequeños y además permite estabilizar el sistema cuando la variación en el error es muy baja. Pese a sus ventajas, esta acción no es aconsejable cuando existe ruido en la medición (es decir, señales de baja amplitud y alta frecuencia) puesto que amplifica el error hasta producir un comportamiento inaceptable del lazo. Este tipo de acción no puede emplearse por sí sola, si no que suele usarse conjuntamente con las otras dos acciones dando lugar a los controladores proporcionales-integrales y derivativos. (94) En la Ecuación 4 se puede ver como se calcula la salida de controlador (SC) a partir de un valor de base al que se le suma el valor de la ganancia (KC) multiplicada por los distintos términos, dependiendo de la acción empleada. Si se emplea la acción proporcional se multiplicará por el error (E); si se emplea la acción integral se empleará el segundo término, en el que está presente el tiempo integral (TI); y si se usa la acción derivativa también se añade el tercer término, con el tiempo derivativo (TD). Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 65 de 110 𝑆𝐶 (𝑡)=𝑆𝐶    +𝐾𝐶·[𝐸(𝑡)+1 𝑇𝐼·∫𝐸(𝑡) 𝑑𝑡+ 𝑇𝐷𝑑𝐸(𝑡) 𝑑𝑡 ] Ecuación 4 10.4. Nomenclatura El diagrama P&I (piping and instrumentation) es un documento de gran importancia en el cual están recogidos de manera gráfica información sobre los equipos, los algoritmos y las configuraciones de los lazos de control del proceso. En estos diagramas se emplean una serie de símbolos, etiquetas identificativas y líneas con un significado establecido por la norma ISA-S5.1-1984, la cual es una guía ampliamente aceptada en el mundo de la industria, razón por la que se hará uso de dicha norma a lo largo de este documento y los planos asociados. En base a la norma, los lazos se pueden identificar mediante un código alfanumérico, el cual conta de 3 números y 3 letras; de forma que se identifica a un lazo (XYZ) siendo X la letra que hace referencia a la variable controlada y las otras dos letras (YZ) las que hacen referencia a la función del elemento de control. La nomenclatura a la cual se refiere la norma se puede observar en la Tabla 17. Tabla 17. Letras identificativas de la función del lazo de control (Tabla de elaboración propia a partir de norma ISA-S5.1-1984) Letra Primera posición Posiciones sucesivas A Composición Alarma C - Controlador F Caudal - H - Alto I - Indicador L Nivel Bajo P Presión - S Seguridad Interruptor T Temperatura Transmisor V - Válvula Y - Transductor Además, es posibles identificar el lazo y sus equipos a partir de la primera letra y el número, por lo que a cada instrumento se le asocia el mismo número que el lazo junto con la misma primera letra, de forma que cada equipo puede reconocerse ya que es nombrado de forma única. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 66 de 110 En la norma ISA-S5.1-1984 también se recogen los símbolos para indicar los documentos en planta y que se muestran en la Figura 26. La imagen a representa que el equipo se sitúa en la sala de control y el operador puede acceder a él; la imagen b representa que no se encuentra accesible para el operador, aunque se sitúa en la sala de control. Finalmente, si el equipo se encuentra en planta se representa por la imagen c. Figura 26. Simbología para la localización de los equipos (Imagen de elaboración propia) Cabe destacar también que el tipo de línea que una los distintos elementos del lazo de control denotará el tipo de conexión, siendo las más normales la conexión eléctrica (línea a trazos) y la señal neumática (línea con parejas de líneas diagonales inclinadas) 10.5. Descripción de los lazos de control 10.5.1. Lazos de control de la sección 100 La sección 100 es la sección de obtención de nitrógeno a partir de la destilación criogénica de aire. 10.5.1.1. Lazo PIC-101 El lazo de control PIC-101, tendrá como objetivo controlar la presión de salida del compresor C-101, de forma que indirectamente se controlará el flujo en la conducción de salida. La variable controlada será la presión de la corriente de salida del compresor C-101 mediante un transmisor de presión PT-101, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-101. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-101 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P PY-101, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de recirculación al compresor C-101, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.2. Lazo TIC-103 El lazo de control TIC-103, tendrá como objetivo controlar la temperatura de salida del intercambiador de calor E-101. La variable controlada será la temperatura de la corriente de salida del intercambiador de calor E-101 mediante un transmisor de temperatura TT-103, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de temperatura TIC-103. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de temperatura TCV-103 empleando una señar neumática generada por el a b c Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 67 de 110 transductor I/P TY-103, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de agua de refrigeración (utilidad) que entrará también al intercambiador de calor E-101, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.3. Lazo LIC-105 El lazo de control LIC-105, tendrá como objetivo controlar el nivel de líquido en el tanque V-101. La variable controlada será el nivel de líquido del tanque V-101 mediante un transmisor de nivel de líquido LT-105, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de nivel de líquido LIC-105. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de nivel LCV-105 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P LY-105, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de salida de líquido del tanque V-101, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.4. Lazo PIC-106 El lazo de control PIC-106, tendrá como objetivo controlar la presión de salida del tanque V-101, de forma que indirectamente se controlará el flujo en la conducción de salida de gas. La variable controlada será la presión de la corriente de salida del tanque V-101 mediante un transmisor de presión PT-106, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-106. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-106 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P PY-106, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de salida de gas del tanque V-101, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.5. Lazo MIC-108 El lazo de control MIC-108, tendrá como objetivo controlar la humedad a la salida de las torres de secado T-101 A/B, controlando indirectamente la concentración de agua en la conducción de salida. La variable controlada será la humedad de la corriente de salida de las torres de secado T-101 A/B mediante un transmisor de humedad MT-108, que por medio de una señar eléctrica llevará la información al controlador e indicador de humedad MIC-108. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de humedad MCV-108 empleando una señal neumática generada por el transductor I/P MY- 108, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de entrada a las torres de secado T-101 A/B, hasta alcanzar el valor de consigna. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 68 de 110 10.5.1.6. Lazo PIC-110 El lazo de control PIC-110, tendrá como objetivo controlar la presión de salida del compresor C-102, de forma que indirectamente se controlará el flujo en la conducción de salida. La variable controlada será la presión de la corriente de salida del compresor C-102 mediante un transmisor de presión PT-110, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-110. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-110 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P PY-110, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de recirculación al compresor C-102, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.7. Lazo TIC-112 El lazo de control TIC-112, tendrá como objetivo controlar la temperatura de salida del intercambiador de calor E-102. La variable controlada será la temperatura de la corriente de salida del intercambiador de calor E-102 mediante un transmisor de temperatura TT-112, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de temperatura TIC-112. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de temperatura TCV-112 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P TY-112, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de gas de limpieza (principalmente oxígeno) que entrará también al intercambiador de calor E-102, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.8. Lazo TIC-115 El lazo de control TIC-115, tendrá como objetivo controlar la temperatura de salida del intercambiador de calor E-103. La variable controlada será la temperatura de la corriente de salida del intercambiador de calor E-103 mediante un transmisor de temperatura TT-115, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de temperatura TIC-115. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de temperatura TCV-115 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P TY-115, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de agua de refrigeración (utilidad) que entrará también al intercambiador de calor E-103, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.9. Lazo TIC-117 El lazo de control TIC-117, tendrá como objetivo controlar la temperatura de la corriente 10 (gas que se está refrigerando) a la salida del intercambiador de calor E-104. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 69 de 110 La variable controlada será la temperatura de la corriente 11 a la salida del intercambiador de calor E-104 mediante un transmisor de temperatura TT-117, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de temperatura TIC-117. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de temperatura TCV-117 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P TY-117, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de gas de recirculación que se está calentando que entrará también al intercambiador de calor E- 104, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.10. Lazo TIC-120 El lazo de control TIC-120, tendrá como objetivo controlar la temperatura de la corriente 12 (gas que se está refrigerando) a la salida del intercambiador de calor E-105. La variable controlada será la temperatura de la corriente 14 a la salida del intercambiador de calor E-105 mediante un transmisor de temperatura TT-120, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de temperatura TIC-118. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de temperatura TCV-120a (que será la válvula VLV-102) empleando una señar neumática generada por el transductor I/P TY-120a, para aumentar o disminuir la presión de la corriente de gas de recirculación que se está calentando y que entrará también al intercambiador de calor E-105, hasta alcanzar el valor de consigna. El controlador también ha de actuar sobre otra válvula de control de temperatura TCV-120b la cual modificará el caudal de recirculación de la turbina TUR-101 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P TY-120b, gracias a lo cual podrá modificar la presión a la salida y por lo tanto la temperatura a la salida de esta turbina. Se ha seleccionado un controlador feedback con 1 entrada y 2 salidas en este caso puesto que la presión, y por lo tanto la temperatura, de la corriente de entrada al intercambiador E-105 está regulada por la válvula VLV-102 y la turbina TUR-101, de modo que modificando las caídas de presión en ambos equipos se puede controlar la temperatura de la corriente a enfriar (corriente 14) en la salida del intercambiador E-105. 10.5.1.11. Lazo PIC-124 El lazo de control PIC-124, tendrá como objetivo controlar la presión de salida de la válvula VLV-101, de forma que indirectamente se controlará la temperatura en la conducción de salida. La variable controlada será la presión de la corriente de salida de la válvula VLV- 101 mediante un transmisor de presión PT-124, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-124. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-124 (también válvula VLV-101) empleando una señar neumática generada por el transductor Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 70 de 110 I/P PY-124, para aumentar o disminuir la caída de presión en la válvula VLV-101, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.12. Lazo LIC-125 El lazo de control LIC-125, tendrá como objetivo controlar el nivel de líquido en el tanque V-102. La variable controlada será el nivel de líquido del tanque V-102 mediante un transmisor de nivel de líquido LT-125, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de nivel de líquido LIC-125. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de nivel LCV-125 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P LY-125, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de salida de líquido del tanque V-102, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.13. Lazo PIC-126 El lazo de control PIC-126, tendrá como objetivo controlar la presión de salida del gas del tanque V-102. La variable controlada será la presión de la corriente de salida de gas del tanque V- 102 mediante un transmisor de presión PT-126, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-126. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-126 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P PY-126, para aumentar o disminuir el caudal de salida de gas del tanque V-102, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.14. Lazo LIC-128 El lazo de control LIC-128, tendrá como objetivo controlar el nivel de líquido en la torre de destilación criogénica T-102. La variable controlada será el nivel de líquido de la torre de destilación crigénica T-102 mediante un transmisor de nivel de líquido LT-128, que por medio de una señal eléctrica llevará la información al controlador e indicador de nivel de líquido LIC-128. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de nivel LCV- 128 empleando una señar neumática generada por el transductor I/P LY-128, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de salida de líquido de la torre de destilación criogénica T-102, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.1.15. Lazo TIC-129 El lazo de control TIC-129, tendrá como objetivo controlar la temperatura del reflujo de la torre de destilación criogénica T-102. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 77 de 110 10.5.3.9. Lazo PIC-320 El lazo de control PIC-320, tendrá como objetivo controlar la presión a la salida del compresor C-302, controlando indirectamente el flujo en la conducción de salida. La variable controlada será la presión de la corriente de salida del compresor C-302 mediante un transmisor de presión PT-320, que por medio de una señar eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-320. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-320 empleando una señal neumática generada por el transductor I/P PY-320, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de recirculación al compresor C-302, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.5.3.10. Lazo PIC-322 El lazo de control PIC-322, tendrá como objetivo controlar la presión a la salida de la turbina TUR-301, controlando indirectamente el flujo en la conducción de salida. La variable controlada será la presión de la corriente de salida de la turbina TUR- 301 mediante un transmisor de presión PT-322, que por medio de una señar eléctrica llevará la información al controlador e indicador de presión PIC-322. El controlador comparará el valor recibido con el valor de consigna y realizará los cálculos necesarios para conocer si es necesario actuar sobre la válvula de control de presión PCV-322 empleando una señal neumática generada por el transductor I/P PY-322, para aumentar o disminuir el flujo de la corriente de recirculación a la turbina TUR-301, hasta alcanzar el valor de consigna. 10.6. Válvulas de alivio, indicadores y alarmas 10.6.1. Válvulas de alivio Se recogen en las próximas tablas las válvulas de alivio pertenecientes a las distintas secciones de la planta: la sección 100 en la Tabla 18, la sección 200 en la Tabla 19y la sección 300 en la Tabla 20. Tabla 18. Válvulas de alivio de la sección 100 PSV-102 Válvula de alivio del compresor C-101 PSV-104 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-101 PSV-107 Válvula de alivio del tanque V-101 PSV-109 Válvula de alivio de las torres de secado T-101 A/B PSV-111 Válvula de alivio del compresor C-102 PSV-113 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-102 PSV-114 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-102 PSV-116 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-103 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 78 de 110 PSV-118 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-104 PSV-119 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-104 PSV-121 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-105 PSV-122 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-105 PSV-123 Válvula de alivio de la turbina TUR-101 PSV-127 Válvula de alivio del tanque V-102 PSV-130 Válvula de alivio de la torre de destilación criogénica T-102 PSV-132 Válvula de alivio del compresor C-103 PSV-134 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-106 Tabla 19. Válvulas de alivio de la sección 200 PSV-204 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-201 PSV-207 Válvula de alivio del compresor C-201 PSV-209 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-202 PSV-211 Válvula de alivio de la torre de secado T-201 A/B PSV-213 Válvula de alivio del intercambiador de calor E-203 PSV-215 Válvula de alivio de la torre de secado T-202 A/B Tabla 20. Válvulas de alivio de la sección 300 PSV-302 Válvula de alivio del compresor C-301 PSV-304 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-301 PSV-305 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-301 PSV-307 Válvula de alivio del reactor R-301 PSV-309 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-302 PSV-310 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-302 PSV-312 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-303 PSV-313 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-303 PSV-315 Válvula de alivio de la carcasa del intercambiador E-304 PSV-316 Válvula de alivio de los tubos del intercambiador E-304 PSV-319 Válvula de alivio del tanque V-301 PSV-321 Válvula de alivio del compresor C-302 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 79 de 110 PSV-323 Válvula de alivio de la turbina TUR-301 10.6.2. Indicadores Los indicadores permitirán a los trabajadores conocer el valor de ciertas variables a lo largo del proceso. Se ha considerado poner un indicador de presión en el filtro F-100 y será PI-135. Los demás equipos posen su propio sistema de control o no se ve necesario ningún indicador. 10.6.3. Alarmas Las alarmas se emplean para hacer saber a los operadores de grandes desviaciones en el proceso que pueden llegar a ser peligrosas. Estos instrumentos activarán señales visibles y/o audibles para los operadores en los paneles de control. Se recogen las alarmas por secciones en la Tabla 21 para la sección 100 y en la Tabla 22 para la sección 300. Tabla 21. Alarmas de la sección 100 LAH-135 Alarma de alto nivel en el tanque V-101 LAL-136 Alarma de bajo nivel en el tanque V-101 PAH-137 Alarma de alta presión en el tanque V-101 PAL-138 Alarma de baja presión en el tanque V-101 LAH-139 Alarma de alto nivel en el tanque V-102 LAL-140 Alarma de bajo nivel en el tanque V-102 PAH-141 Alarma de alta presión en el tanque V-102 PAL-142 Alarma de baja presión en el tanque V-102 LAH-143 Alarma de alto nivel en la torre de destilación criogénica T-102 LAL-144 Alarma de bajo nivel en la torre de destilación criogénica T-102 PAH-145 Alarma de alta presión en la torre de destilación criogénica T-102 PAL-146 Alarma de baja presión en la torre de destilación criogénica T-102 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 80 de 110 Tabla 22. Alarmas de la sección 300 PAH-324 Alarma de alta presión en el reactor R-301 PAL-325 Alarma de baja presión en el reactor R-301 TAH-325 Alarma de alta temperatura en el reactor R-301 TAL-326 Alarma de baja temperatura en el reactor R-301 LAH-327 Alarma de alto nivel en el tanque V-301 LAL-328 Alarma de bajo nivel en el tanque V-301 PAH-329 Alarma de alta presión en el tanque V-301 PAL-330 Alarma de baja presión en el tanque V-301 11. SEGURIDAD Para poder minimizar el riesgo de la planta, así como establecer un plan de actuación en caso de emergencia, es necesario identificar todas las posibles causas que puedan ser origen de explosiones, detonaciones, degradaciones, fugas, etc. Para eso se deben conocer las características de las sustancias con las que se trabaja no sólo de forma aislada, sino también evaluando la interacción con el resto de los compuestos implicados en el proceso. Además, han de tenerse en cuenta las condiciones de operación a las que estas están sometidas. Con el fin de cualificar y cuantificar el riesgo de una planta industrial existen diversos decretos, directivas, normas y reglamentos que permiten clasificar tanto los compuestos como la instalación en su conjunto. A continuación, se clasifican las sustancias y la instalación de acuerdo con los reglamentos y normativas referentes explicados brevemente en cada uno de los siguientes apartados. 11.1. Inventario de sustancias Los compuestos que intervienen en el proceso son el agua, el aire, el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, y el amoníaco y para conocer la inflamabilidad y la peligrosidad de cada uno de ellos ha de consultarse una serie de parámetros: el punto flash, la temperatura de autoignición, el límite superior de inflamabilidad (%volumen en aire) y el límite inferior de inflamabilidad (%volumen en aire). A continuación, se presenta una breve definición de cada uno: (97) • Punto flash/temperatura de inflamación/Punto de inflamación: temperatura mínima a la cual, bajo determinadas condiciones, un material desprende la cantidad suficiente de gases inflamables para producir su inflamación en presencia de una fuente de incendio. La inflamación es súbita y se apaga cuando se retira la fuente citada. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 81 de 110 • Temperatura de autoignición/temperatura de autoinflamación: temperatura mínima a la que una sustancia combustible es capaz de inflamarse y mantener la combustión, sin necesidad de una fuente de ignición. • Límite inferior de inflamabilidad (% volumen): concentración de una materia inflamable en aire u otro comburente en condiciones de operación por debajo de la cual no puede iniciarse la combustión. • Límite superior de inflamabilidad (% volumen): concentración de una materia inflamable en aire u otro comburente en condiciones de operación por encima de la cual no puede iniciarse la combustión. Se ha despreciado la presencia de otros compuestos en el aire como el argón, se ha considerado únicamente el nitrógeno y el oxígeno, dado que este sólo actúa como inerte y no presenta incompatibilidades con ninguno de los compuestos citados. En la Tabla 23 se recogen los parámetros anteriormente citados consultados en el apartado de propiedades físicas y químicas de sus respectivas fichas de seguridad. Tabla 23. Parámetros críticos para detectar la inflamabilidad y la peligrosidad de los compuestos (Fichas de seguridad) Punto flash (ºC) Temperatura de autoignición (ºC) a 1013 Pa Límite inferior de inflamabilidad (% volumen) Límite superior de inflamabilidad (% volumen) Agua No aplica No inflamable No inflamable No inflamable Aire Oxígeno Nitrógeno Hidrógeno No aplica 560 4 77 Amoníaco anhidro No aplica 630 15 30 11.2. Clasificación según el Reglamento CLP La clasificación de peligrosidad se establece en base al Reglamento (CE) 1272/2008 también conocido por las siglas CLP (Classification, Labelling and Packaging) que trata de estandarizar la clasificación y el etiquetado de las sustancias químicas internacionalmente. Dicho reglamento busca comunicar de forma clara los peligros de las sustancias apoyándose mediante pictogramas. Por tanto, cada proveedor debe incluir los pictogramas de seguridad CLP en la etiqueta y en las fichas de seguridad. Además, en este reglamento se recogen las frases H (Hazard) y las frases P (Precaution). (98) (99) Las frases H son aquellas que indican la clase de peligro asociado a la sustancia o mezcla química. Se representan como HXYZ, donde la H hace referencia al peligro y XYZ son números. El valor de X puede ser 2 si se trata de un peligro físico, 3 si existen Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 82 de 110 peligros para la salud humana y 4 si existen peligros para el medio ambiente. Los valores de YZ son número secuenciales que van desde el 00 hasta el 99. (98) (99) Por otro lado, las frases P son consejos de prudencia que describen las medidas recomendadas para evitar o minimizar los efectos adversos debidos a la exposición a una sustancia durante su manipulación. Al igual que las frases H, están representadas por la inicial P y 3 números (PXYZ), donde la P indica que se trata de una frase de tipo prudencia. En este caso, X puede oscilar desde 1 hasta 5, donde el 1 indica que se trata de consejos generales; 2, de consejos de prevención; 3, de consejos respuesta; 4, de consejos de almacenamiento; y 5, de consejos d eliminación. (98) (99) Las fichas de seguridad han de ser elaboradas por los fabricantes y distribuidores de los productos químicos en base al Reglamento Reach, donde se especifica qué ha de especificarse. (100) En la Tabla 24 se recogen las indicaciones de peligro empleadas para las sustancias involucradas en el proceso y que han sido consultadas en sus respectivas FDS. Tabla 24. Indicaciones de peligro de las frases H (Fichas de seguridad) Frase Indicación de peligro H220 Gas extremadamente inflamable H221 Gas inflamable H270 Puede provocar o agravar un incendio; comburente H280 Contiene gras a presión; peligro de explosión en caso de calentamiento H314 Provoca quemaduras graves en la piel y lesiones oculares graves H331 Tóxico en caso de inhalación H400 Muy tóxico para los organismos acuáticos En la Tabla 25, se presenta la clasificación de las sustancias de acuerdo con el Reglamento 1272/2008/CE (CLP) obtenidas a partir de sus fichas de seguridad. Tabla 25. Clasificación CE de acuerdo con 1272/2008/CE (CLP) (Fichas de seguridad) Clase de peligro Categoría de peligro Frase H Pictograma Aire comprimido Gas a presión C H280 Oxígeno Gas comburente 1 H270 Gas a presión C H280 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 83 de 110 Nitrógeno Gas a presión C H280 Hidrógeno Gas inflamable 1 H220 Gas comprimido C H280 Amoníaco Gas a presión C H280 Gas inflamable 2 H221 Toxicidad aguda 3 H331 Corrosión cutánea 1B H314 Toxicidad aguda para organismos acuáticos 1 H400 11.3. Clasificación según la NFPA Para estudiar la reactividad química, las sustancias son clasificadas mediante la norma NFPA 704 de fuego desarrollada por la asociación estadounidense National Fire Protection Association (NFPA), la cual establece un sistema de identificación de riesgos que se basa en un rombo dividido en 4 secciones con diferentes colores (azul: asociado a peligros para la salud, rojo: asociado a peligros de inflamabilidad, amarillo: asociado al peligro de inestabilidad, blanco: empleado para riegos específicos que dependerán del tipo de sustancia que se maneje). La peligrosidad se establece en base a una escala numerada del 0 al 4, siendo el 0 el nulo o más bajo, y el 4, el mayor peligro. (101) (99) En la Figura 27, se muestra un rombo NFPA donde se indica el significado del valor de la escala en función del color (tipo de peligrosidad). (102) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 84 de 110 Figura 27. Rombo NFPA 704 (102) En la Tabla 26, se presenta la clasificación NFPA 704 para las sustancias implicadas en el proceso. Tabla 26. Clasificación NFPA 704 Peligros para la salud Inflamabilidad Reactividad Peligro específico Agua 0 0 0 - Oxígeno 0 0 0 OX Nitrógeno 0 0 0 SA (asfixiante simple) Hidrógeno 0 4 0 - Amoníaco 3 1 0 - Como se puede observar los compuestos más peligrosos son el hidrógeno y el amoníaco, siendo este último el único en ser peligroso para la salud. Sin embargo, para poder determinar la seguridad del proceso no basta con analizar las características individuales de las sustancias, por lo que se requiere analizar el comportamiento de la mezcla presentado en el siguiente apartado. 11.4. Estudio de reactividad química descontrolada Para poder afirmar que un proceso es seguro es necesario conocer los riegos asociados a las reacciones químicas y a la compatibilidad de los compuestos que intervienen en el proceso. La reacción de amoníaco se trata de una reacción exotérmica. En las reacciones exotérmicas se puede producir el fenómeno conocido como runway en el que la reacción química al liberar calor acelera la velocidad de reacción provocando un aumento descontrolado de la masa de los productos y con ello un aumento desmesurado en la presión del reactor. Aparte de la exotermicidad de la reacción ha de tenerse en cuenta la capacidad del equipo para eliminar el calor y la posible generación de gases, así como la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción. Como se ha mencionado anteriormente, la velocidad de reacción del amoníaco es muy lenta a bajas temperaturas, Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 85 de 110 por lo que requiere de temperaturas superiores a los 300ºC para que el proceso sea factible. Sin embargo, las elevadas temperaturas desfavorecen la conversión. Un aumento en la temperatura del reactor disminuiría la producción de amoníaco, por lo que, teniendo en cuenta que la presión disminuye hacia la formación del producto, la presión del reactor sería mayor a la prevista provocando así una sobrepresión en el reactor a medida que entra el gas reaccionante al reactor. Sin embargo, no se ha de referir a runaway, puesto que al aumentar la temperatura no se produciría más producto, ya que como se ha comentado, la conversión disminuye y por tanto, el calor liberado por la reacción será menor y no se producirá un incremento de temperatura tan importante como en reacciones exotérmicas reversibles. Para poder determinar un proceso químico seguro se ha de atender a tres factores principales. (103) El primer factor está relacionado con la energía liberada al producir cualquier producto químico, por lo que un diseño seguro requerirá el conocimiento de la energía inherente durante la reacción. El cálculo del potencial energético se determinará a través de balances de energía a los diferentes equipos, así como mediante pruebas reales en plantas piloto. (103) El segundo factor está referido a la velocidad de reacción, siendo esta función de la temperatura, la presión y las concentraciones. La velocidad ha de determinarse tanto para condiciones de operación normal como para condiciones anormales, tomando como referencia el peor de los casos posibles (fallos de refrigeración, cambio en la composición de la corriente de alimentación, fallos de intercambiadores de calor o de compresores, etc). (103) El tercer factor hace referencia al control del proceso. El aumento de presión en el equipo en reacciones químicas no está asociado únicamente al aumento de la temperatura, sino que pueden producirse fallas de tipo mecánico, taponamientos de las paredes perforadas que dificultan el paso del fluido, obstrucción de las conducciones de salida, etc. Es por eso por lo que ha de garantizarse que el sistema posea válvulas de alivio de presión y los lazos de control pertinentes. (103) Una vez identificados los riesgos químicos de un proceso ha de decidirse como diseñar y operar el proceso de modo seguro. Para ello se recomienda seguir una serie de pautas: (103) 1. Definir claramente las condiciones de la reacción química y determinar sus riesgos. 2. Definir las condiciones de proceso y de diseño de la planta 3. Definir las condiciones de proceso y de diseño de la planta, lo cual incluye la selección de equipos, de materiales adecuados para su construcción, la disposición de manuales de operación, etc. 4. Seleccionar y especificar medidas de seguridad principalmente asociadas al control del proceso para limitar las condiciones de operación. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 86 de 110 5. Implantar y mantener las medidas de seguridad. Es de suma importancia que todo el personal conozca las normas y los planes de seguridad de la planta y los respete. Además, han de establecerse instrucciones de control de proceso tanto para la operación normal como en operación anormal. 6. Incluir medidas de seguridad adicionales ya sean de tipo preventivo o de protección. Las medidas preventivas abarcan el diseño de los procesos, el diseño mecánico de la planta, el sistema de control y el modo en el que opera el proceso, mientras que las medidas de protección son aquellas destinadas a disminuir las consecuencias derivadas de un accidente. 11.4.1. Matriz de compatibilidad química Para estudiar la compatibilidad entre los compuestos que intervienen a lo largo del proceso se elaborará la matriz de incompatibilidad química entre sustancias de acuerdo con la norma NFPA, que permite evaluar las interacciones binarias entre los diferentes compuestos. Para ello se empleará el software Chemical Reactivity Worksheet (CRW) desarrollado por el Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChe), la División de Respuesta a Emergencias de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica y la Oficina de Manejo de Emergencias de la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., en colaboración de la empresa Dow Chemical y el Instituto Tecnológico de Materiales (MTI). (104) (99) Este programa permite seleccionar los distintos compuestos que forman una mezcla para determinar la compatibilidad de la misma. Para ello emplea un código de colores al que se le asigna una letra. El color verde va acompañado de letra Y, la cual indica que no se esperan problemas de reactividad peligrosa y que la mezcla es compatible; el color rojo, acompañado por la letra N, indica que se esperan problemas de reactividad peligrosa (indicados en el resumen de peligros que realiza el programa) y que la mezcla es incompatible; y finalmente está el color amarillo, al que se le asignan dos letras, la C (Caution), que indica que puede que existan riesgos bajo determinadas condiciones, y la SR (Self-Reactive), que suele aparecer cuando se trabaja con compuestos que polimerizan y que pueden reaccionar consigo mismos. En la Figura 28 se presenta la matriz de compatibilidad elaborada para todos los compuestos que intervienen en el proceso. Cabe destacar de nuevo que el programa sólo estudia la mezcla analizando las interacciones entre dos compuestos y no en su totalidad por lo que no tiene en cuenta el comportamiento de toda la mezcla. En este caso se ha obviado el aire, ya que este está formado principalmente por oxígeno y nitrógeno que ya han sido incluidos en la matriz. Por otra parte, se ha decido incorporar el argón para comprobar que realmente es compatible con los distintos compuestos. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 93 de 110 Figura 31. Recomendación de espaciado entre equipos para industria petrolera e industria química (106) Para la determinación de las distancias mínimas de seguridad entre los equipos del proceso se han agrupado los equipos a través de la siguiente nomenclatura atendiendo al tipo de equipos que hay en la planta (Tabla 30). Tabla 30. Nomenclatura empleada y listado de equipos asociados Nomenclatura Listado de equipos C Compresores y Turbinas C-101 C-102 C-103 C-104 TUR-101 C-201 C-301 C-302 TUR-301 B Bombas P-201 R Reactores de alta peligrosidad ELE-201 R-301 T Columnas de destilación, tanques de separación, tanque de adsorción V-101 T-101 V-102 T-102 DES-201 T-201 T-202 V-301 ACH Intercambiadores de calor refrigerados con aire E-102 E-104 E-105 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 94 de 110 IC Intercambiadores de calor E-101 E-103 E-106 E-107 E-201 E-301 E-302 E-303 E-304 Se considerará el reactor R-301 como un reactor de alta peligrosidad por contener amoníaco e hidrógeno, clasificados como tóxico y extremadamente inflamables, respectivamente, y debido a las elevadas condiciones de operación del mismo. Dado que en la tabla no se recoge el equipo del electrolizador como tal, este se aproximará como un reactor de alta peligrosidad por ser un reactor electrolítico que contiene hidrógeno. Por otro lado, en los intercambiadores refrigerados con aire se incluirán los intercambiadores empleados en el proceso de licuefacción de Linde-Claude. Para las distancias de seguridad respecto a las turbinas se emplearán las mismas distancias que se recomiendan para los compresores. En todo el proceso sólo existe una bomba, la cual se emplea para bombear el agua a temperatura ambiente hasta el electrolizador, por lo que esta se ha considerado de bajo peligro. En la Tabla 31 se recogen las distancias mínimas recomendadas entre equipos atendiendo a las recomendaciones de Global Asset Protection Services. Tabla 31. Distancias mínimas de seguridad de separación entre equipos en base a las recomendaciones de Global Asset Protection Services Distancias m C B R T ACH IC C 9,150 B / / R 15,25 / 7,625 T 15,25 / 15,25 4,575 ACH 9,150 / 7,625 4,575 / IC 9,150 / 7,625 3,050 4,575 1,525 11.7. Índice Dow de incendio y explosión Para poder evaluar el riesgo se emplean distintas metodologías, siendo una de las más empleadas del índice de Explosión e Índice Dow. Este índice es un número que se basa en la naturaleza del proceso, así como en las propiedades de los materiales, y que permite considerar rutas alternativas al proceso menos peligrosa cuando se está comenzando a diseñar el proceso o evaluar el riesgo potencial de una nueva planta. (92) El índice de explosión e incendio denotado como F&IE indica el nivel de riesgo. Cuanto mayor sea este número mayor será el riesgo asociado a la planta. En la Tabla 32, se presenta una referencia entre la relación del F&IE y el grado de riesgo. (92) Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 95 de 110 Tabla 32. Relación entre índice de incendio y explosión y el grado de riesgo. (92) Intervalo F&IE Grado de riesgo 1-60 Ligero 61-96 Moderado 97-127 Intermedio 128-158 Intenso >159 Severo Para determinar el índice Dow se deben identificar las unidades que presentan mayor impacto en la magnitud de cualquier incendio o explosión, que en este proceso se corresponderían con el electrolizador ELE-201 y el reactor R-301, dado que el índice se calcula para estas unidades. Tras seleccionar las unidades más peligrosas del proceso se ha de determinar el factor de material (MF) que se debe multiplicar por un factor de peligro de la unidad (F3), y que es necesario para calcular el F&IE. A su vez el factor de peligro de la unidad se calcula como el producto de dos factores mediante los cuales se expresan los peligros inherentes a la operación de la misma y que se corresponden con el peligro del proceso (F1) en general y en particular (F2). (92) Dentro de los procesos en general (F1) se engloban: reacciones químicas exotérmicas, procesos endotérmicos, manipulación de materiales y su transferencia, unidades de procesos cerrados o internas, acceso a los equipos de emergencia y el control de drenaje y derrames, a los que se le asigna una penalización. Entre los peligros de procesos especiales (F2) se encuentran materiales tóxicos, presión subatmosférica, operación en o cerca del intervalo de flamabilidad, explosión de polvo, alivio de presión, bajas temperaturas, cantidad de material inflamable, corrosión y erosión, fugas, juntas y embalaje, uso de fuego directo para la calentar, sistema de intercambiador de calor a base de aceite caliente y equipos con piezas de rotación. El factor de material viene tabulado para más de 300 sustancias e indica la velocidad intrínseca de la liberación de energía en explosiones, incendios, etc. Dichos valores se pueden consultar en el manual Dow’s fire & Explosion Index Hazard Classification Guide elaborado por AIChE y publicado por el Instituto Americano de Ingenieros químicos. Para los compuestos del proceso inflamables se recogen los MF en la Tabla 33, consultados en la bibliografía, ya que el nitrógeno, el agua y el oxígeno no aparecen reflejados en el Apéndice A de la Guía: (107) Tabla 33. Índices de material para los compuestos del proceso (107) MF Calor de combustión (MJ/kg) Amoníaco 4 18,6 Hidrógeno 21 120,0 Tal y como se explica en el apartado de determinación del factor de material de la Guía, el MF de una mezcla debería ser obtenido a partir de tests de reactividad química. Sin embargo, como una buena estimación se puede emplear el índice de material del Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 96 de 110 compuesto que presenta mayor MF. Por tanto, tanto para el electrolizador ELE-101 como para el reactor R-301, el factor de material será igual al del hidrógeno. Como se puede observar el índice de Dow obtenido para el electrolizador E-101 es de 85,05, por lo que se encuentra dentro del grado de riesgo moderado. Por otro lado, el valor obtenido para el reactor ha sido de 78,75, por lo que también se encuentra dentro del rango de riesgo moderado. País: España Ubicación: Polígono industrial PLISAN, Salvaterrra de Miño Preparado por: Guillermo Martínez Loureiro Uxía Mata Rivas Unidad de proceso: Electrolizador ELE-201 Estado de la unidad del porceso: Diseño Sección 200 Compuestos en la unidad H2, O2, H2O Material básico para el factor de material H2 FACTOR DE MATERIAL 21 1. RIESGOS GENERALES DEL PROCESO Rango de penalidad Factor de penalidad usado Base Factor .............................................................................................................. 1.00 1 A. Reacciones químicas exotérmicas 0.30 to 1.25 0 B. Procesos endotérmicos 0.20 to 0.40 0 C. Manejo y transporte de material 0.25 to 1.05 0 D. Unidades de proceso encerradas o interiores 0.25 to 0.90 0,9 E. Acceso 0.20 to 0.35 0,2 F. Drenaje de control y derrames 0.25 to 0.50 0,25 FACTOR DE RIESGO GENERAL DEL PROCESO (F1) .................................................................... 1,35 2. RIESGOS ESPECIALES DEL PROCESO Factor base ............................................................................................................... 1.00 1 A. Materia(es) tóxico(s) [%NH%] 0.20 to 0.80 0 B. Presión subatmosférica (< 500 mm Hg) 0.50 0 C. Operación cercana al rango inflamable () inertizada (x) sin inertizar 1. Líquidos inflamables almacenado en tanques 0.50 0,5 2. Fallo en purga o perturbación del proceso 0.30 0,1 3. Operación regular en rango inflamable 0.80 0,8 D. Explosión por polvo 0.25 to 2.00 0 E. Presión Presión de operacón (barg): 3,3 F. Temperatura baja 0.20 to 0.30 0 G. Cantidad de material inflammable/inestable (kg en 10 min) 65,74 1. Líquidos o gases en proceso 0 2. Liquidos o gases almacenados 0 3. Sólidos combustibles almacenados, Polvo en proceso 0 H. Corrosión y erosion 0.10 to 0.75 0,1 I. Fuga. Juntas y empaquetaduras 0.10 to 1.50 1,5 J. Uso de equipos con llama 0 K. Sistema de intercambio de calor con aceite caliente 0.15 to 1.15 0 L. Equipo rotatorio 0.50 0 FACTOR DE RIESGOS ESPECIALES DEL PROCESO (F2) ............................................................ 3 FACTOR DE RIESGOS DE LA UNIDAD DEL PROCESO (F1 x F2) = F3 .................................... 4,05 ÍNDICE DE FUEGO Y EXPLOSIÓN (F3 x MF = F&EI) ................................................................. 85,05 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 97 de 110 Una vez determinado el índice de explosión e incendio es posible conocer el radio y el área de exposición. Para ello, se recurre a la gráfica que relaciona el radio de exposición con el índice de incendio y explosión. Para el electrolizador E-201 este será aproximadamente igual a 72 ft (21,94 m), mientas que para el reactor R-301 será de 65 ft (19,81). (107) 11.8. Válvulas de alivio Las válvulas de alivio son dispositivos que permiten aliviar la presión cuando se produce una anomalía en el proceso que provoca una sobrepresión en los equipos de País: España Ubicación: Polígono industrial PLISAN, Salvaterrra de Miño Preparado por: Guillermo Martínez Loureiro Uxía Mata Rivas Unidad de proceso: Reactor R-301 Estado de la unidad del porceso: Diseño Sección 300 Compuestos en la unidad N2,H2,O2,NH3 Material básico para el factor de material H2 FACTOR DE MATERIAL 21 1. RIESGOS GENERALES DEL PROCESO Rango de penalidad Factor de penalidad usado Base Factor .............................................................................................................. 1.00 1 A. Reacciones químicas exotérmicas 0.30 to 1.25 1 B. Procesos endotérmicos 0.20 to 0.40 0 C. Manejo y transporte de material 0.25 to 1.05 0 D. Unidades de proceso encerradas o interiores 0.25 to 0.90 0 E. Acceso 0.20 to 0.35 0 F. Drenaje de control y derrames 0.25 to 0.50 0 FACTOR DE RIESGO GENERAL DEL PROCESO (F1) .................................................................... 1 2. RIESGOS ESPECIALES DEL PROCESO Factor base ............................................................................................................... 1.00 1 A. Materia(es) tóxico(s) [%NH%] 0.20 to 0.80 0 B. Presión subatmosférica (< 500 mm Hg) 0.50 0 C. Operación cercana al rango inflamable () inertizada (x) sin inertizar 1. Líquidos inflamables almacenado en tanques 0.50 0,5 2. Fallo en purga o perturbación del proceso 0.30 0 3. Operación regular en rango inflamable 0.80 0,8 D. Explosión por polvo 0.25 to 2.00 0 E. Presión Presión de operacón (barg): 100,3 Presión de Alivio (barg): 121,11 0,85 F. Temperatura baja 0.20 to 0.30 0 G. Cantidad de material inflammable/inestable (kg en 10 min) 338,55 1. Líquidos o gases en proceso 0 2. Liquidos o gases almacenados 0 3. Sólidos combustibles almacenados, Polvo en proceso 0 H. Corrosión y erosion 0.10 to 0.75 0,1 I. Fuga. Juntas y empaquetaduras 0.10 to 1.50 1,5 J. Uso de equipos con llama 0 K. Sistema de intercambio de calor con aceite caliente 0.15 to 1.15 0 L. Equipo rotatorio 0.50 0 FACTOR DE RIESGOS ESPECIALES DEL PROCESO (F2) ............................................................ 3,75 FACTOR DE RIESGOS DE LA UNIDAD DEL PROCESO (F1 x F2) = F3 .................................... 3,75 ÍNDICE DE FUEGO Y EXPLOSIÓN (F3 x MF = F&EI) ................................................................. 78,75 Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 98 de 110 trabajo. El dimensionamiento de la válvula de alivio del reactor PSV-307, se presenta en el Anexo II, Cálculos justificativos como una medida de seguridad ante posibles escenarios de peligro. 12. LEGISLACIÓN APLICABLE, REGLAMENTOS Y CÓDIGOS 12.1. Legislación eléctrica • Real Decreto 337/2014, de 9 de mayo, por el que se aprueban el Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en instalaciones eléctricas tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-RAT 01 a 23. • Real Decreto 134/2010, de 12 de febrero, por el que se establece el procedimiento de resolución de restricciones por garantía de suministro y se modifica el Real Decreto 2019/1977, de 26 de diciembre, por el que se organiza y regula el mercado de producción de energía eléctrica. • Orden ITC/1522/2007, de 24 de mayo, por la que se establece la regulación de la garantía del origen de la electricidad procedente de fuentes de energía renovables y de cogeneración de alta eficiencia. • Orden TED/766/2020, de 3 de agosto, por la que se establecen las bases reguladoras para la concesión, en régimen de concurrencia competitiva, de ayudas a la inversión en instalaciones de generación de energía eléctrica con fuentes de energía renovable, susceptibles de ser cofinanciadas con fondos de la Unión Europea. • Real Decreto 1106/2020, de 15 de diciembre, por el que se regula el Estatuto de los consumidores electro intensivos. 12.2. Legislación ambiental 12.2.1. Atmósfera y calidad del aire - Normativa europea • Directiva 2008/50/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 21 de mayo de 2008, relativa a la calidad del aire ambiente y a una atmósfera más limpia en Europa. - Normativa española • Ley 34/2007, de 15 de noviembre, de calidad del aire y protección de la atmósfera. • Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de la calidad del aire. 12.2.2. Prevención y gestión de residuos • Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados • Directiva 94/31/CE del Consejo, de 27 de junio de 1994, por la que se modifica la Directiva 91/689/CEE relativa a los residuos peligrosos. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 99 de 110 12.2.3. Efluentes líquidos • Ley 10/1993, de 26 de octubre, sobre Vertidos Líquidos Industriales al Sistema Integral de Saneamiento. (BOE-A-1993-31103) • Real Decreto-Ley 11/1995, de 28 de diciembre, por el que se establecen las normas aplicables al tratamiento de las aguas residuales urbanas (B.O.E. nº 312 30/12/1995). • Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Aguas. ( BOE-A-2001-14276) 12.2.4. Contaminación acústica • Ley 37/2003, de 17 de noviembre, del Ruido (BOE-A-2003-20976) • Ley 7/2002, de 3 de diciembre, de protección contra la contaminación acústica. (BOE- A-2003-613) • Real Decreto 1367/2007, de 19 de octubre, por el que se desarrolla la Ley 37/2003, de 17 de noviembre, del Ruido, en lo referente a zonificación acústica, objetivos de calidad y emisiones acústicas. (BOE-A-2007-18397) 12.3. Legislación de seguridad e higiene • Para el almacenamiento de los productos químicos se debe seguir el Real Decreto 656/2017, de 23 de junio, por el que se aprueba el Reglamento de Almacenamiento de Productos Químicos y sus Instrucciones Técnicas Complementarias MIE APQ 0 a 10. (108) • En lo referente a instalaciones de protección conta incendios y seguridad contra incendios se consultarán el Real Decreto 513/2017, de 22 de mayo, por el que se aprueba el Reglamento de instalaciones de protección contra incendio, y el Real Decreto 2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento de seguridad contra incendios en los establecimientos industriales, respectivamente. (109) (110) 1 • Para elaborar un plan de emergencia interior o autoprotección para prevenir los accidentes de cualquier tipo y limitar los efectos en la planta, se debe consultar la Directriz básica de protección civil para el control y planificación ante el riesgo de accidentes graves en los que intervienen sustancias peligrosas, aprobada por el Real Decreto 1196/2003. • También se debe consultar la Ley 31/1995, de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos Laborales y el Real Decreto 393/2007, de 23 de marzo, por el que se aprueba la Norma Básica y de Autoprotección de los centros, establecimientos y dependencias dedicados a actividades que puedan dar origen a situaciones de emergencia. (105) (111) • Para garantizar la seguridad de la puesta en servicio de las máquinas se debe recurrir al Real Decreto 166/2008, de 10 de octubre, por el que se establecen normas para la 1 Nótese que dichos reglamentos presentan sus respectivas modificaciones, por lo que se debe consultar a mayores el texto consolidado. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 100 de 110 comercialización y puesta en servicio de las máquinas. Para evitar la corrosión bajo aislamiento en presencia del agua se recomienda consultar la Guía Estándar para la Simulación en Laboratorio de la Corrosión bajo Aislamiento (ASTMG 189:2007). (112) • En cuanto a riesgos de tipo eléctrico, se debe acudir al Real Decreto 337/2014, de 9 de mayo, por el que se aprueban el Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en instalaciones eléctricas de alta tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITC-RAT 01 a 23; y el Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión. (113) (114) A mayores cabe mencionar: • El Real Decreto 773/1997, de 30 de mayo, sobre disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual • El Real Decreto 1215/1997, de 18 de julio, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud para la utilización por los trabajadores de los equipos de trabajo • El Real Decreto 485/1997, de 14 de abril, sobre disposiciones mínimas en materia de señalización de seguridad y salud en el trabajo • El Real Decreto 486/1997, de 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo • El Real Decreto 899/2015, de 9 de octubre, por el que se modifica el Real Decreto 39/1997, de 17 de enero, por el que se aprueba el Reglamento de los Servicios de Prevención • El Real Decreto 614/2001, de 8 de junio, sobre disposiciones mínimas para la protección de la salud y seguridad de los trabajadores frente al riesgo eléctrico • El Real Decreto 374/2001, de 6 de abril, sobre la protección de la salud y seguridad de los trabajadores contra los riegos relacionados con los agentes químicos durante el trabajo 12.4. Códigos de diseño • Código ASME Boiler and Pressure Vessel Code • Normativa TEMA • Normas UNE • Normas ISO • Normas DIN • Estándar API 520 12.5. Legislación para obra civil • Ley 38/2015, de 29 de septiembre, del sector ferroviario • Real Decreto 1627/1997, de 24 de octubre, por el que se establecen disposiciones mínimas de seguridad y de salud en las obras de construcción. • ORDEN de 12 de junio de 2019 de aprobación definitiva de la modificación puntual de las normas subsidiarias municipales del Ayuntamiento de Salvaterra de Miño (Pontevedra). (DOG Núm. 132). Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 101 de 110 • Código de urbanismo de Galicia. • Ley 4/2012, de 12 de abril, del Área Metropolitana de Vigo • Ley 2/2016, de 10 febrero, del suelo de Galicia. (66) 12.6. Otros • Ley 2/2011, de 4 de marzo, de Economía Sostenible. (BOE-A-2011-4117) • Real Decreto 56/2016, de 12 de febrero, por el que se transpone la Directiva 2012/27/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de octubre de 2012, relativa a la eficiencia energética, en lo referente a auditorías energéticas, acreditación de proveedores de servicios y auditores energéticos y promoción de la eficiencia del suministro de energía. 13. BIBLIOGRAFÍA 1. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley Online Library. Ammonia,1. Introduction. [Online] October 15, 2011. [Cited: febrero 2021, 2022.] https://onlinelibrary-wiley-com.ezbusc.usc.gal/doi/10.1002/14356007.a02_143.pub3. 2. España., Ministerio para la transición ecológica y el reto demográfico. Gobierno de. Sector agrícola y ganadero. [Online] [Cited: marzo 2, 2022.] https://www.miteco.gob.es/es/cambio-climatico/temas/mitigacion-politicas-y- medidas/agricola.aspx#:~:text=La%20superficie%20agraria%20%C3%BAtil%20de,24 %25%20al%20cultivo%20en%20regad%C3%ADo.. 3. 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Hoja de Ruta del Hidrógeno: una apuesta por el hidrógeno renovable. [Online] Julio 2020. [Cited: marzo 2, 2022.] https://energia.gob.es/eses/Novedades/Documents/hoja_de_ruta_del_hidrogeno.pdf. 8. Crown Publications. Green hydrogen, ammonia and urea solutions from thyssenkrupp Uhde. [Online] octubre 7, 2021. [Cited: marzo 2, 2022.] https://www.crown.co.za/mechchem-africa/industry-innovations/18453-green- hydrogen-ammonia-and-urea-solutions-from-thyssenkrupp-uhde. Documento I. Memoria Plata de producción de amoníaco verde Página 102 de 110 9. Gobierno de España. PERTE de Energías Renovables, Hidrógeno Renovable y Almacenamiento. [Online] 2021. [Cited: marzo 10, 2022.] https://www.lamoncloa.gob.es/presidente/actividades/Documents/2021/151221- Informe-pertes-renovables-2021.pdf. 10. Thyssenkrupp. Green ammonia- Save costs and CO2 by using renewable energy. [Online] 2020. [Cited: marzo 2, 2022.] https://www.thyssenkrupp-industrial- solutions.com/power-to-x/en/green-ammonia. 11. Gerhartz, Wolfgang, et al. Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. 2000. 12. American Chemical Society. SciFinder. [Online] Amerian Chemical Society. [Cited: Marzo 15, 2022.] https://scifinder-n.cas.org/?referrer=scifinder.cas.org. 13. Ammonia as an effective hydrogen carrier and a clean fuel for solid oxide fuel cells. Zhijian Wan, Youkun Tao, Jing Shao, Yinghui Zhang, Hengzhi You. 113729, 2021, Energy Conversion and Management, Vol. 228. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113729. 14. IHS Markit. Ammonia Fertilizer Market and Price Analysis. IHS Markit. [Online] Julio 2022. [Cited: Marzo 4, 2022.] https://ihsmarkit.com/products/fertilizersammonia.html. 15. Fernández, Lucía. statista. Production capacity of ammonia worldwide from 2018 to 2021, with a forecast for 2026 and 2030. [Online] Febrero 14, 2022. [Cited: Marzo 4, 2022.] https://www.statista.com/statistics/1065865/ammonia-production- capacity-globally/. 16. CISION PR Newswire. 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Proposta de Proxecto de Plan Hidrolóxico Galicia-Costa 2021-2027 (Memoria). . [Online] abril 2021. [Cited: marzo 24, 2022.] https://augasdegalicia.xunta.gal/c/document_library/get_file?file_path=/portal-augas- degalicia/participacion_na_planificacion_hidroloxica/PHGC/Memoria_PPHH_CP2127_G L.pdf. ANEXO I: BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 1 de 34 1. ÍNDICE 1. ÍNDICE .......................................................................................................... 1 2. BALANCES DE MATERIA ......................................................................... 2 2.1. Introducción ............................................................................................ 2 2.2. Balance de materia global ....................................................................... 2 2.3. Balances de materia por equipos ............................................................ 3 2.3.1. Sección 100 ........................................................................................ 3 2.3.2. Sección 200 ........................................................................................ 9 2.3.3. Sección 300 ...................................................................................... 11 3. BALANCES DE ENERGÍA ........................................................................ 13 3.1. Sección 100 ........................................................................................... 15 3.1.1. Compresor C-101 ............................................................................. 15 3.1.2. Intercambiador de calor E-101 ......................................................... 17 3.1.3. Tanque T-101 A/B ............................................................................ 19 3.1.4. Equipos involucrados en el proceso Linde-Claude .......................... 20 3.1.5. Torre de destilación criogénica T-102 .............................................. 25 3.2. Sección 200 ........................................................................................... 26 3.2.1. Bomba P-201 A/B ............................................................................ 26 3.2.2. Intercambiador E-201 ....................................................................... 27 3.2.3. Intercambiador E-202 ....................................................................... 27 3.2.4. Intercambiador E-203 ....................................................................... 28 3.2.5. Zeolitas T-201 A/B ........................................................................... 28 3.2.6. Zeolitas T-202 A/B ........................................................................... 29 3.3. Sección 300 ........................................................................................... 29 3.3.1. Punto de mezcla corriente 38 y corriente 26 .................................... 30 3.3.2. Compresor C-301 ............................................................................. 30 3.3.3. Punto de mezcla entre la corriente 43 y la corriente 54 ................... 30 3.3.4. Intercambiador E-301 ....................................................................... 31 3.3.5. Intercambiador E-302 ....................................................................... 31 3.3.6. Intercambiador E-303 ....................................................................... 31 3.3.7. Intercambiador E-304 ....................................................................... 31 3.3.8. Compresor C-302 y TUR-301 .......................................................... 32 3.3.9. Reactor R-301 ................................................................................... 32 3.3.10. Tanque flash V-301 ........................................................................ 32 4. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 33 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 2 de 34 2. BALANCES DE MATERIA 2.1. Introducción Los balances de materia representan una herramienta fundamental en la ingeniería de procesos, puesto que permiten conocer los flujos de materia involucrados en cada una de las corrientes de un proceso. Para poder realizar un balance de materia ya sea un equipo o al proceso en su conjunto se debe delimitar el sistema de estudio de los alrededores para poder establecer las corrientes de entrada y salida del sistema. Mediante estos balances, será posible determinar todos los caudales másicos que entran o salen de un equipo, así como sus composiciones, aplicando para ello el principio de conservación de la materia, por el cual se establece que la cantidad de materia ni se crea ni se destruye, sino que se transforma, presentado en la Ecuación 1. Todos los términos están expresados como caudal másico y no molar, ya que mientras que el número de moles varían, la masa siempre se conserva. (1) 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎+𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛=𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎+𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Ecuación 1 El término de generación presentado en la ecuación hace referencia a la generación de un producto, por lo que sólo será aplicable en el balance de materia al reactor por haber reacción química. Por otro lado, el término de acumulación está referido a la cantidad de materia acumulada en función del tiempo para procesos discontinuos. Como en este caso, la planta trabaja en continuo este término será obviado. Por tanto, para equipos en los que no se lleve a cabo reacción química, el balance de materia quedará simplificado a la Ecuación 2. (1) 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎=𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 Ecuación 2 Para procesos complejos, los balances de materia suelen complementarse con programas de simulación de procesos. En este proceso, se ha empleado como apoyo el programa de simulación ASPEN HYSYS, especialmente para la simulación de la Sección 300, donde la resolución de los balances del ciclo de síntesis requiere un proceso iterativo al depender de múltiples variables. A continuación, se presentan los balances de materia realizados sólo en aquellos equipos donde se produce un cambio de caudal másico o composición, así como la comprobación del balance de materia global del proceso. 2.2. Balance de materia global Para realizar el balance global de materia, sólo se han de considerar las corrientes de entrada y salida del proceso, que se corresponden con la entrada de materias primas al proceso (aire y agua) y la salida del producto, la purga realizada en el ciclo de síntesis para evitar la acumulación de inertes, y las corrientes de oxígeno de salida de la torre de destilación criogénica T-102 y el electrolizador ELE-201. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 3 de 34 Si se asume una composición del aire del 79% de N2 y un 21% O2, puesto que el resto de compuesto como argón o dióxido de carbono son inferiores al 1%, y teniendo en cuenta que en la torre de destilación criogénica se recupera un 80% del N2 por cabezas, se puede calcular el aire necesario a partir de la cantidad de nitrógeno necesaria para producir 50 t/d de amoníaco. Por otro lado, el agua necesaria y el oxígeno vendrán dados por la cantidad necesario de hidrógeno en la reacción de síntesis. El caudal de amoníaco viene impuesto por la capacidad de producción fijada, mientras que la cantidad de gas a purgar se determina en base a datos bibliográficos. En la Tabla 1, se presenta el balance global de materia, donde la masa de aire representa la masa de aire seco. Tabla 1. Balance global de materia Caudal másico entrada (kg/h) Caudal másico salida (kg/h) Corriente 1 Corriente 31 Corriente 58 Corriente 55 Corriente 30+41 2977,07 3524,97 2086,96 134,57 4280,65 Caudal másico total entrada (kg/h) Caudal másico total salida (kg/h) 6502,04 6502,18 Error entre la entrada y la salida 0,00% 2.3. Balances de materia por equipos 2.3.1. Sección 100 Dentro de esta sección se producen cambios de composición y caudales másicos en los siguientes equipos: Demister V-101, Zeolitas T-101 A/B, Cámara de licuefacción del aire V-102, Torre de destilación criogénica T-102. Además, se han de tener en cuenta las recirculaciones propuestas para el ciclo de licuefacción del aire que se recogen a continuación. Las masas moleculares empleadas en los balances de materia se presentan en la Tabla 2: Tabla 2. Masas moleculares de los compuestos moleculares en el proceso Compuesto/Sustancia Masa molecular Oxígeno 32,00 Nitrógeno 28,01 Agua 18,02 Hidrógeno 2,016 Amoníaco 17,03 2.3.1.1.Demister V-101 En el demister V-101 se separa el agua contenida en el aire tras ser condensada en el intercambiador E-101. La estimación de la cantidad de humedad en el aire seco se Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 4 de 34 puede realizar conociendo la temperatura de la zona, la cual se ha tomado como una media anual de la zona de Salvaterra de Miño, próxima a los 15ºC. Por otro lado, también se ha de conocer la humidad relativa que ronda entre el 70 y el 80%, para poder determinar la humedad absoluta del aire. La humedad absoluta es una medida del agua presente en el aire en forma de vapor por cantidad de aire seco, la cual puede ser estimada mediante la utilización del diagrama psicrométrico. (2) A partir del valor de la temperatura del bulbo seco, presentada en el eje de abscisas, y la humidad relativa, representada mediante curvas que van desde el 1 al 100%, se puede obtener el valor de la humedad absoluta en el eje de ordenadas de la derecha. Dado que la planta se encuentra en las proximidades del río Miño se ha empleado una humedad relativa del 80% para realizar los cálculos. Trazando una horizontal hasta el eje de ordenadas derecho que pase por el punto de corte entre la temperatura del bulbo seco y la humedad relativa se puede leer el valor de la humedad absoluta de la gráfica, que en este caso se encuentra en torno a 8,5 g agua/kg aire seco. Por tanto, la masa total que entra al desnebulizador V-101 será igual a la suma del aire seco, obtenido como se mencionó anteriormente teniendo en cuenta la composición de nitrógeno volumétrica (molar) necesaria para producir 50 t/d de NH3 y una recuperación del 80% del nitrógeno en la torre criogénica T-102 del 80%, más el caudal de agua presente en el aire. En la Tabla 3, se presentan los resultados obtenidos para la corriente 4. Cabe destacar que la masa molecular del aire seco se ha calculado teniendo en cuenta una composición del 21% de oxígeno y un 79% del nitrógeno. Tabla 3. Estimación de la humedad presente en el aire Corriente 4 Valor Temperatura de bulbo seco (ºC) 15 Humedad relativa (%) 80 Humedad absoluta (kg agua/kg aire) 0,0085 Caudal de nitrógeno necesario (kmol/h) 65,22 Caudal de aire seco (kmol/h) 103,19 Caudal másico de aire seco 2977,07 Caudal de agua presente en el aire (kg/h) 25,31 Caudal de aire húmedo (kg/h) 3002,38 En los separadores gas-líquido se suelen emplear mallas tejidas antivaho para mejorar el rendimiento del desnebulizador en caso de que se requieran altas eficacias de separación tal y como es el caso. Mediante estas mallas es posible reducir el tamaño del equipo y alcanzar eficiencias superiores al 99%, por lo que se ha decido emplearlas considerando una eficiencia de separación del agua del 99%. (1) En la Tabla 4, se recoge el balance de materia aplicado al tanque V-101, donde se puede observar que el error del cierre del balance es del 0%. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 5 de 34 Tabla 4. Balance de materia al separador gas-líquido V-101 Compuesto Corriente 4 Corriente 5 Corriente 6 Nitrógeno (kg/h) 2283,63 2283,63 0,00 Oxígeno (kg/h) 693,44 693,44 0,00 Agua (kg/h) 25,31 8,01 17,30 Total (kg/h) 3002,38 2985,08 17,30 Comprobación del cierre 3002,38 3002,38 2.3.1.2. Zeolitas T-101 Para eliminar el agua que no ha podido separarse en el demister es necesario emplear adsorbentes para deshumidificar por completo la corriente de aire. Los adsorbentes más empleados en la deshumidifcación del aire son las zeolitas, en concreto la zeolita 13X, que permite retirar la cantidad del agua hasta 1 ppm a la salida. A efectos de cálculo se ha considera la corriente de salida del equipo totalmente libre de agua. (3) En la Tabla 5 se recoge el balance de materia aplicado al tanque de zeolitas 13X T- 101. Tabla 5. Balance de materia al tanque de adsorción de zeolitas 13X T-101 Compuesto Corriente 5 Corriente 7 Nitrógeno (kg/h) 2283,63 2283,63 Oxígeno (kg/h) 693,44 693,44 Agua (kg/h) 8,01 0,00 Total (kg/h) 2985,08 2977,07 Cabe destacar que las zeolitas trabajan por ciclos, por lo que al ser un proceso discontinuo serán necesarios dos equipos para que la operación sea continua. El agua que se retira de la corriente 5 queda retenida en las zeolitas hasta que se termine el ciclo, siendo después liberada al someter las zeolitas a elevadas temperaturas que permiten su desadsorción. Por lo que así se cierra el balance de materia. 2.3.1.3. Proceso de licuefacción Linde-Claude Para poder resolver el balance de materia del proceso Linde-Claude, dado que inicialmente no se conoce la fracción licuada a la salida de la válvula isoentálpica (VLV- 101) del proceso esta ha de suponerse y luego iterar hasta que dicho valor sea lo suficientemente adecuado para poder realizar las integraciones energéticas correspondientes. Para ello se ha implementado el proceso en Aspen HYSYS y una vez comprobado que todas las integraciones eran coherentes se ha tomado ese valor para comenzar los cálculos. El valor tomado del simulador fue de aproximadamente 0,56, mientras que el resultado final calculado en Excel resultó de 0,5. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 6 de 34 • Cámara de licuefacción del aire V-102 El aire licuado mediante el proceso de licuefacción Linde-Claude comentado en el apartado anterior se separa en la cámara de licuefacción V-102. Dado que la fracción de vapor de la corriente 15 es de aproximadamente 0,5, el balance de matera será el siguiente (Tabla 6), donde se puede comprobar el cierre del balance de materia. Tabla 6. Balance de materia de la cámara de licuefacción del aire V-102 Compuesto Corriente 15 Corriente 18 Corriente 25 Nitrógeno (kg/h) 4567,37 2283,74 2283,63 Oxígeno (kg/h) 1386,91 693,47 693,44 Total (kg) 5954,28 2977,21 2977,07 Comprobación del cierre (kg/h) 5954,28 5954,28 • Recirculación de la corriente 18 a la entrada del compresor C-102 Las corrientes 18 y 17, que se corresponden con las corrientes empleadas para refrigerar el aire que va a entrar a la cámara de licuefacción V-102, son recirculadas de nuevo a la entrada del compresor C-102. Estas corrientes son mezcladas dando lugar a la corriente 20, que tras ser calentada en los diferentes intercambiadores del proceso constituye la corriente 24, que presenta el mismo caudal másico, pero diferentes condiciones de temperatura y presión. El balance del punto de mezcla de la corriente 24 y la corriente de la salida del tanque de adsorción T-101 (corriente 7) se muestra en la Tabla 7. Balance de materia de la mezcla de corrientes 7 y 24 Compuesto Corriente 7 Corriente 24 Corriente 8 Nitrógeno (kg/h) 2283,63 9134,79 11418,42 Oxígeno (kg/h) 693,44 2773,84 3467,28 Total (kg) 2977,07 11908,62 14885,70 Comprobación del cierre (kg/h) 14885,70 14885,70 • Bypass de la corriente 12 Para poder licuar parte la corriente de entrada a la cámara de licuefacción se suele derivar en torno a un 50-60% del caudal molar de la corriente comprimida en el compresor C-102 (corriente 8) para expandirla en el expansor y enfriarla lo máximo posible sin que esta llegue a condensar. En la Tabla 8 se muestra el balance correspondiente considerando que se recircula un 60% a la entrada de la turbina. Tabla 8. Balance de materia de la mezcla de las corrientes 12 y 13 Compuesto Corriente 12 Corriente 13 Corriente 16 Nitrógeno (kg/h) 11418,42 4567,37 6851,05 Oxígeno (kg/h) 3467,28 1386,91 2080,37 Total (kg) 14885,70 5954,28 8931,42 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 7 de 34 Comprobación del cierre (kg/h) 14885,70 14885,70 De nuevo se comprueba el cierre del balance de materia. • Mezcla de las corrientes 17 y 19 Partiendo del proceso Linde-Claude descrito anteriormente, el gas que sale de la cámara de licuefacción V-102 (corriente 18) y que se encuentra a una temperatura criogénica, es empleado junto al caudal que se refrigera en el expansor TUR-101 (corriente 17) para refrigerar el caudal que entra a la cámara de licuefacción. En la Tabla 9 se recoge la comprobación del cierre del balance de materia del punto de mezcla: Tabla 9. Balance de materia de la cámara de licuefacción del aire V-102 Compuesto Corriente 17 Corriente 19 Corriente 20 Nitrógeno (kg/h) 6851,05 2283,73534 9134,79 Oxígeno (kg/h) 2080,37 693,471035 2773,84 Total (kg) 8931,42 2977,21 11908,62 Comprobación del cierre (kg/h) 11908,62 11908,6 2.3.1.4.Torre de destilación criogénica T-102 Teniendo en cuenta que de la corriente 25 se consigue recuperar el 80% del nitrógeno con una pureza del 99,99% en fracción molar, se presenta el balance de materia en la Tabla 10: Tabla 10. Balance de materia a la torre T-102 Compuesto Corriente 25 Corriente 26 Corriente 27 Nitrógeno (kg/h) 2283,63 0,21 693,23 Oxígeno (kg/h) 693,44 1826,91 456,73 Total (kg) 2977,07 1827,11 1149,96 Comprobación del cierre (kg/h) 2977,07 2977,07 La torre de destilación criogénica se ha modelado como una destilación simple binaria de oxígeno e hidrógeno empleando el método gráfico de McCabe. Teniendo en cuenta que la corriente 25 entra como líquido saturado a la columna T-102, se presentan los caudales molares, las rectas de operación y las gráficas llevadas a cabo para obtener el número de etapas. En la Tabla 11 se presenta un resumen de datos necesarios para calcular el número de etapas en la torre. (4) Tabla 11. Datos de la torre de destilación criogénica T-102 Parámetro Valor Parámetro Valor F (kmol/h) 103,19 (L/D)min 0,912 xF 0,79 L/D 1,40 D (kmol/h) 65,22 V (kmol/h) 156,53 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 14 de 34 kJ/(kmol*K), T, la temperatura de esta en K, Tref es la temperatura de referencia (K) y h, representa la variación de entalpía respecto al estado de referencia (temperatura y estado de agregación) en kJ/kmol, puesto que la entalpía total de un sistema no se puede medir directamente. (1) ℎ=∫ 𝐶𝑝∗𝑑𝑇 𝑇 𝑇𝑟𝑒𝑓 Ecuación 6 En caso de líquidos, dado que el calor específico apenas se ve influenciado por la temperatura esta integral puede aproximarse como la capacidad específico media correspondiente a la media de los Cp de las dos temperaturas, mientras que el diferencial de temperatura se puede tomar como el incremento. Sin embargo, para gases no se puede hacer dicha suposición por lo que ha de emplearse dicha ecuación. La capacidad específica a presión constante, a su vez, se puede expresar en función de la temperatura empleando para ello la Ecuación 7, donde a, b, c, y d, son los coeficientes correspondientes para una determinada sustancia y que pueden consultarse en la bibliografía, y T está expresada en kelvin. (1) 𝐶𝑝=𝑎+𝑏∗𝑇+𝑐∗𝑇2+𝑑∗𝑇3 Ecuación 7 Combinando la Ecuación 6 y la Ecuación 7 y resolviendo la integral se llega a la siguiente expresión (Ecuación 8), que ha sido la empleada para calcular las entalpías de todas las corrientes del proceso. (1) ℎ=𝐶𝑝𝑚 ∗(𝑇−𝑇𝑟𝑒𝑓) Ecuación 8 𝐶𝑝𝑚 =𝑎∗(𝑇−𝑇𝑟𝑒𝑓)+𝑏 2∗(𝑇2−𝑇𝑟𝑒𝑓2)+𝑐 3∗(𝑇3−𝑇𝑟𝑒𝑓3)+𝑑 4∗(𝑇4−𝑇𝑟𝑒𝑓4) 𝑇−𝑇𝑟𝑒𝑓 Cabe destacar que el Cp presentado anteriormente es válido como una aproximación al gas ideal, dado que el Cp de un gas real se ve afectado por la influencia de la presión y no sólo de la temperatura. El Cp real se puede obtener añadiendo un término al ideal, que se obtiene gráficamente a partir del valor de la presión y la temperatura reducidas. Sin embargo, dado que se ha comprobado con ASPEN HYSYS que la variación entre el Cp ideal calculado y el real es baja, se ha decido emplear el primero para realizar los balances de energía y agilizar los cálculos. Conociendo la entalpía específica y el caudal másico de cada corriente podrá determinarse el calor intercambiado entre corrientes empleando la Ecuación 9, donde el subíndice a y b hacen referencia a dos compuestos diferentes: 𝑞𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 =−𝑞𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 Ecuación 9 𝑚𝑎∗(ℎ𝑠𝑎𝑙,𝑎 −ℎ𝑒,𝑎)=−𝑚𝑏(ℎ𝑠𝑎𝑙,𝑏 −ℎ𝑒,𝑏) En la Tabla 20, se presentan los coeficientes para la determinación de la capacidad específica de los compuestos que intervienen en el proceso. (1) Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 15 de 34 Tabla 20. Constantes en la ecuación de capacidad calorífica de los gases ideales (1) Coeficientes a b c d N2 31,15 -1,357*10-2 2,6796*10-5 -1,168*10-8 H2 27,143 92,738*10-4 -1,381*10-5 76,415*10-10 NH3 27,315 23,831*10-3 17,074*10-6 -1,185*10-8 O2 28,106 -3,680*10-6 1,746*10-5 -1,065*10-8 En la mayoría de las corrientes, a menos que se indique lo contrario, se ha tomado como estado de referencia el estado gaseoso, ya que la mayoría de las corrientes se encuentran en este estado de agregación, mientras que la temperatura de referencia empleada ha sido de 273 K. En el caso de corrientes de proceso que están compuestas por varios componentes, tal y como es el caso, se puede calcular el Cpm de la corriente a partir de la Ecuación 10, donde xi, representa la fracción molar de cada componente. 𝐶𝑝𝑚,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =∑𝑥𝑖∗𝐶𝑝𝑚𝑖 𝑛 𝑖=1 Ecuación 10 Por otro lado, el flujo de calor de una corriente se puede calcular como la entalpía específica de cada corriente por el flujo másico, por lo que, teniendo en cuenta que el calor cedido por un cuerpo es igual al absorbido por otro cuando estes están en contacto, es posible determinar los requerimientos de refrigeración y calefacción de la planta. A continuación, se presentan los balances de energía para los equipos donde ocurre un cambio de energía. 3.1. Sección 100 3.1.1. Compresor C-101 El compresor C-101 es el encargado de comprimir el aire húmedo desde la presión atmosférica tomada como 1 bar hasta 7,5 bar, presión necesaria para la adsorción del agua en las zeolitas, ya que esta se ve favorecida a altas presiones. Además, esta presión permite reducir el tamaño del resto de equipos, ya que la densidad del gas aumenta, y con ello el volumen disminuye. Para poder determinar las etapas de un compresor suele aplicarse la siguiente heurística (6): Tabla 21. Determinación del número de etapas en base al ratio de presiones final e inicial (6) Presión final/Presión inicial Número de etapas <4 1 4 a 16 2 16 a 64 3 64 a 256 4 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 16 de 34 Por otro lado, se menciona que la presión entre etapas óptima se corresponde con aquella que permita obtener la misma potencia en cada compresor y que se calcula en base a la Ecuación 11, donde n representa el número de etapas: (1) (6) 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑠𝑡𝑎𝑔𝑒 =√∏𝑃 𝑛 Ecuación 11 Como el ratio de compresión entre 7,5 y 1 bar es mayor a 4, el compresor C-101 será un compresor de 2 etapas y por tanto la presión entre etapa ha de calcularse como sigue (Ecuación 12): 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑠𝑡𝑎𝑔𝑒 =√𝑃1∗𝑃2 2 Ecuación 12 La temperatura a la salida del compresor ha de comprobarse que no sea superior a 190-200ºC, ya que esta es la temperatura máxima a la que pueden resistir la mayoría de los compresores comerciales. Por eso, es necesario una refrigeración entre etapa para evitar un aumento de temperatura desmesurado en el segundo compresor. Normalmente, entre etapa suele refrigerarse aproximadamente 40ºC, aunque esto dependerá de los requerimientos de cada proceso. Para poder estimar la temperatura a la salida del compresor se puede emplear la Ecuación 13, donde a se calcula de acuerdo con la Ecuación 14, donde 𝛾 representa el ratio entre el Cp/Cv del gas y que para gases diatómicos toma el valor de aproximadamente 1,4. La temperatura ha de expresarse en escala absoluta (K). 𝑇2=𝑇1∗(𝑃2 𝑃1)𝑎 Ecuación 13 𝑎= 𝛾 𝛾−1 Ecuación 14 Por otro lado, dado que el aire contiene humedad ha de asegurase que la temperatura a la que se refrigera es superior a la temperatura de rocío para evitar que el agua condense dentro del compresor y dañe al equipo que bien puede consultarse en tablas o calcularse a través de la Ecuación 15, donde Ps representa la presión de saturación del vapor de agua en Pascales, que a su vez se puede expresar en función de la temperatura de rocío, y t la temperatura en grados centígrados (Ecuación 16): 𝑡𝑟=243,12∗ln(𝑃𝑠)−1559,72 24,035−ln⁡(𝑃𝑠) Ecuación 15 𝑃𝑠=exp(ln(611,2)+17,62∗𝑡𝑟 243,12+𝑡𝑟)⁡ Ecuación 16 La presión parcial de vapor de agua puede determinarse multiplicando la presión total de aire por la fracción molar del agua en el aire. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 17 de 34 Aplicando lo comentado anteriormente se presentan los resultados obtenidos para el compresor C-101 en la Tabla 22, teniendo en cuenta una caída de presión el intercambiador de 20 kPa. Tabla 22. Estimación de la temperatura de salida del compresor C-101 Compresor C-101 P1 (bar) 1 P2 (bar) 7,5 Pentre etapa (bar) 2,74 T1 (ºC) 15 a 0,286 Compresor 1 P1 (bar) 1 P2 (bar) 2,74 T1 (ºC) 15 Tsal (ºC) 111,01 Refrigeración entre etapa Trocío (ºC) 27,57 Ps (Pa) 3677,84 Tsal intercambiador impuesta (ºC) 30 Qaire (kJ/h) -2,488*105 Masa de chilled water necesaria (kg/h) 2375,436657 Compresor 2 P1 (bar) 2,54 P2 (bar) 7,5 T1 (=Tsal,intercambiador) 30 T2 (ºC) 139,85 El balance de energía se explica detalladamente en el siguiente apartado, ya que se emplearon las mismas ecuaciones que en el intercambiador E-101. 3.1.2. Intercambiador de calor E-101 El intercambiado de calor E-101 se emplea para condensar el agua que a continuación será retirada parcialmente en el tanque V-101. Para la estimar la cantidad que se consigue condensar, en primer lugar, se calculará la temperatura de rocío. Esta temperatura toma un valor de 46,07ºC, por lo que se ha decido enfriar la corriente hasta 25ºC, siendo además esta la temperatura recomendada a la entrada de las zeolitas. Para determinar la humedad de salida del agua se comienza calculando la presión parcial de vapor del agua a través de la Ecuación 16 para la temperatura de salida, es decir, 25ºC. Empleando la relación entre presiones y relaciones molares es posible determinar la fracción molar del agua (Ecuación 17), mientras que el número de moles totales se obtiene teniendo en cuenta la masa de aire seco (Ecuación 18), que es conocida, y su fracción molar. De esta forma se puede calcular la humedad de salida (Ecuación 20). 𝑃𝑝𝑎𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑋𝑎𝑢𝑔𝑎 Ecuación 17 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 18 de 34 𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 =𝑛𝑎𝑖𝑟𝑒⁡𝑠𝑒𝑐𝑜 1−𝑋𝑎𝑢𝑔𝑎 Ecuación 18 𝑛𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑋𝑎𝑢𝑔𝑎 ∗𝑛𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Ecuación 19 𝑌𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 =𝑀𝑎𝑠𝑎⁡𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑎⁡𝑎𝑖𝑟𝑒⁡𝑠𝑒𝑐𝑜 Ecuación 20 En la Tabla 23 se presentan los resultados obtenidos para el cálculo de la humedad absoluta en aire tras ser condensada el agua: Tabla 23. Cálculo de la humedad absoluta en el aire tras condensar el agua Corriente 4 Valor Trocío (ºC) 46,07 T (ºC) 25 Ps (Pa) 3160,06 Xagua 0,0042 Moles totales (kmol/h) 103,20 Moles agua (kmol/h) 0,435 Ysalida (kg agua/kg aire) 0,0026 Una vez determinada la humedad final es posible calcular el balance de energía para el aire húmedo, en el que se ha de tener en cuenta la energía del aire seco y la energía del agua. A continuación, se muestran las ecuaciones empleadas (Ecuación 21, Ecuación 22, Ecuación 23, Ecuación 24), donde el subíndice a,s hace referencia al aire seco, hw, entalpía del agua líquida, hfg, la entalpía de vaporización del agua e Yi, la humedad absoluta inicial y final denotada por 1 y 2. Cabe destacar, que en estos balances se toma como referencia una temperatura de 0ºC y el estado de agregación líquido para el agua, de ahí que en cálculo de las entalpías aparezca el signo más. Sin embargo, al sustituir las entalpías en la Ecuación 21, el signo del calor latente de vaporización del agua toma el signo menos, por ser mayor la humedad absoluta inicial que la final, por lo que de esta forma se refleja la condensación del agua en el balance de energía. (4) 𝑞𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑚𝑎,𝑠*(ℎ𝑎,𝑠_𝑜𝑢𝑡-ℎ𝑎,𝑠_𝑖𝑛)+ 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 ∗ℎ𝑤 Ecuación 21 Ecuación 22 Ecuación 23 Ecuación 24 En la Tabla 24, se presenta el balance de energía, empleando chilled water como refrigerante, donde el Cpm se calcula respecto la temperatura de referencia tomada como 0ºC. ℎ𝑎,𝑠_𝑖𝑛 =[𝑐𝑃,𝑎.𝑠       ∗(𝑡𝑖𝑛 −𝑡𝑟𝑒𝑓)+𝐶𝑝,𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟           ∗𝑌𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ∗(𝑡𝑖𝑛 −𝑡𝑟𝑒𝑓)+ℎ𝑓𝑔 ∗𝑌𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎] ℎ𝑎,𝑠_𝑜𝑢𝑡 =[𝑐𝑃,𝑎.𝑠       ∗(𝑡𝑜𝑢𝑡 −𝑡𝑟𝑒𝑓)+𝐶𝑝,𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟           ∗𝑌𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 ∗(𝑡𝑜𝑢𝑡 −𝑡𝑟𝑒𝑓)+ℎ𝑓𝑔 ∗𝑌𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎] 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎, 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎 =𝑚𝑎,𝑠 ∗(𝑌1−𝑌2) Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 19 de 34 Tabla 24. Balance de energía del intercambiador E-101 Corriente 3 Corriente 4 m (kg/h) 3002,38 3002,38 T (ºC) 139,85 25 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,0124 1,0161 ha,s (kJ/kg) 165,60 32,01 Hfg a 0ºC (kJ/kg) 2501,4 Q (kJ/h) -3,96E+05 Masa refrigerante (kg/h) 3779,62 3.1.3. Tanque T-101 A/B La adsorción de agua en las zeolitas se trata de un proceso que libera calor, por lo que incrementará la temperatura de la corriente de entrada (corriente 5). Para poder estimar el flujo de calor se ha tenido en cuenta que normalmente la energía específica desprendida por mol adsorbido está entre 10 y 40 kJ/mol. En el dimensionamiento básico de equipos presentado en el Documento IV, se recoge el cálculo de la masa de zeolita necesaria, para la cual también se ha tenido en cuenta el caudal másico de CO2, que, si bien se ha despreciado en el resto de los balances por estar en una concentración al 1%, ha de retirarse del aire para poder obtener nitrógeno puro libre de contaminantes. Teniendo eso en cuenta, la energía total desprendida será igual a la suma de la cantidad de agua y CO2 retirados, por la energía liberada. Para realizar el cálculo del balance de energía se ha tomado el valor de 40 kJ/mol y se ha asumido que el calor liberado sólo se transfiere al aire seco y que la capacidad calorífica del aire en ese rango de temperaturas no varía. El balance de energía se recoge en la Tabla 25. Tabla 25. Balance de energía al T-101 Parámetro Valor Caudal molar adsorbido (mol/h) 478,57 Qliberado (kJ/h) 1,91*104 Cpa,s. (kJ/(kg*K)) 1,0127 Tcorriente 5 (ºC) 25 Tcorriente 6 (ºC) 31,35 La caída de presión en las zeolitas se ha calculado considerando las ecuaciones de caída de presión para un lecho poroso (Ecuación de Ergun, presentada en Cálculos Justificativos), donde la longitud del lecho y el diámetro de partícula es un dato comercial. El factor de esfericidad se ha tomado como 1, ya que las zeolitas presentan forma perlada, pero no se detalla su esfericidad y el resto de variable se corresponden con las propiedades del aire. En la siguiente tabla se recogen todos los parámetros calculados para la estimación de la caída de presión en el lecho. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 20 de 34 Tabla 26. Cálculo de caída de presión en el lecho de zeolita L Longitud del lecho (m) 1,800 𝑑𝑝 Diámetro partícula equivalente (m) 0,00205 η Viscosidad dinámica kg/(m*s) 1,92*10-5 G Gaire seco (kg/(m2*s)) 3,991 Re Reynolds 426,24 vo (m/s) Gaire/Densidad del aire 0,4695 Factor de esfericidad 1 𝜌𝑙𝑒𝑐ℎ𝑜 Densidad del lecho (kg/m3) 620 𝜌𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜𝑠 Densidad del sólido (kg/m3) 1024,6 ε Porosidad del lecho 0,3949 Caída de presión (bar) 0,192 3.1.4. Equipos involucrados en el proceso Linde-Claude El proceso de Linde-Claude requiere la integración energética de las diversas corrientes de las diversas corrientes implicadas en el proceso. A continuación, se presentan los cálculos realizados de los diferentes equipos. Figura 5. Proceso Linde-Claude El cálculo de la temperatura de salida del compresor C-102, C-103 y el expansor TUR-101 se calculan empleando la Ecuación 13 anteriormente descrita. Los resultados de cada uno se presentan en la Tabla 27, respectivamente, de nuevo teniendo en cuenta una caída entre intercambiadores de 20 kPa. Tabla 27. Balance de energía del compresor C-102 Compresor C-102 P1 (bar) 7,11 P2 (bar) 45,2 Pentre etapa (bar) 2,53 ∅𝑠 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 21 de 34 T1 (ºC) 31,87 a 0,286 Compresor 1 P1 (bar) 7,11 P2 (bar) 17,96 T1 (ºC) (Corriente 8) 31,87 Tsal (ºC) 124,28 Refrigeración entre etapa Tsal del intercambiador impuesta (ºC) 74,28 Qaire (kJ/h) -7,61*105 Masa de chilled water necesaria (kg/h) 7282,77 Compresor 2 P1 (bar) 17,76 P2 (bar) 45,20 T1 (=Tsal,intercambiador) 74,28 T2 (ºC) (Corriente 9) 180,42 Tabla 28. Balance de energía del commpresor C-103 y la turbina TUR-101 Compresor C-103 Expansor TUR-101 P1 (bar) 4,10 44,6 P2 (bar) 7,11 4,5 T1 (ºC) 30,00 -5,60 a 0,286 0,286 T2 (ºC) 81,59 -134,10 A continuación, se recogen los balances de energía realizados a los intercambiadores del proceso Linde-Claude. Para ello, se emplearán las ecuaciones comentadas en la introducción de balances de energía. Las integraciones energéticas se han estimado teniendo en cuenta que la temperatura de salida del fluido caliente ha de ser inferior a la temperatura de entrada del fluido frío, mientras que la temperatura de salida del fluido frío debe ser inferior a la temperatura de entrada del fluido caliente. Si bien la siguiente integración no aparece reflejada en la descripción del proceso Linde-Claude, en base a las necesidades de esta planta, se ha decido realizar esta integración con 2 objetivos: - Enfriar la corriente de salida del compresor para reducir el gasto en caudal de refrigerante. - Calentar la corriente residual de la torre T-102 que será empleada para la desadsorción del agua y CO2 en las zeolitas. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 22 de 34 El balance de energía del intercambiador E-102 se presenta en la Tabla 29. A modo de ejemplo se escribirá la ecuación empleada para su resolución, siendo este balance igual para el resto de los intercambiadores. 𝑚9∗(ℎ10 −ℎ9)=−𝑚29 ∗(ℎ30 −ℎ29) Ejemplo Tabla 29. Balance de energía del intercambiador E-102 Corriente 9 Corriente 10 Corriente 29 Corriente 30 Caudal másico (kg/h) 14885,70 14885,70 1149,96 1149,96 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,018 1,018 0,966 0,976 T (ºC) 180,42 170,82 29,29 160,00 Q (kJ/h) -1,47*105 -1,47*105 El resto de las integraciones se corresponden con las del proceso descrito en la memoria de este documento (Descripción del proceso), presentando como diferencia la necesidad de 2 intercambiadores en lugar de 3 en la integración de la corriente de salida del flash y de la turbina (corriente 20) con la corriente 11, puesto que la capacidad de producción de la planta es inferior a las típicas y por tanto se requieren menores cantidades de energía. A continuación, se presentan los cálculos de todos los intercambiadores del proceso Linde-Claude (Tabla 30 hasta Tabla 34). Tabla 30. Balance al intercambiado E-103 Corriente 10 Corriente 11 Caudal másico (kg/h) 14885,70 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,023 1,013 T (ºC) 170,82 32,00 Q (kJ/h) -3,23*106 Masa chilled water (kg/h) 30932,01 La temperatura de la corriente 22 se ha supuesto prácticamente igual a la temperatura de la corriente 7 (salida de zeolitas), de unos 30ºC, para realizar los balances de energía y se ha comprobado que es aceptable dicho valor, por lo que, realizando una compresión prácticamente isotérmica, la temperatura de la corriente 24 se ha fijado en 32ºC. Este valor se ha estimado en base a la simulación del proceso Linde-Claude en Aspen HYSYS, puesto que permite cerrar todos los balances de energía. Tabla 31. Balance al intercambiador E-106 Corriente 23 Corriente 24 Caudal másico (kg/h) 11908,62 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,01 1,01 T (ºC) 81,59 32,00 Q (kJ/h) -5,99*105 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 23 de 34 Masa chilled water (kg/h) 5732,89 Dentro del proceso Linde-Claude se desconocen la temperatura de la corriente 12 y por tanto de las corrientes 13, 16, 17 y 20. Es por eso por lo que se debe suponer la temperatura de la corriente 12 o bien de la 20 y recalcularlas hasta que se consiga que la temperatura de salida del intercambiador E-104 (corriente 12), sea igual a la temperatura de entrada obtenida al realizar el balance de energía al intercambiador E-105. Tabla 32. Datos conocidos/desconocidos para los balances de energía Intercambiador Temperaturas de corrientes conocidas Temperaturas de corrientes desconocidas Temperatura de corriente supuesta E-104 11, 22 12 (13,16), 21 21 E-105 14 13, 20, 21 Suponiendo la temperatura de la corriente 21, que es común a ambas, se puede calcular por un balance al intercambiador E-104 la corriente 12 (13,16). La temperatura de la corriente 17 (salida de la turbina) viene dada realizando el balance al expansor TUR- 101, mientras que la temperatura de la corriente 20 se obtiene realizando un balance de energía en el punto de mezcla. Por tanto, conociendo la temperatura de 20, 13 y 14, se realiza un balance al intercambiador E-105 y se obtiene el nuevo valor de la temperatura supuesta de la corriente 21. Esta operación debe realizarse sucesivas veces (iterar) hasta que se consiga que la temperatura supuesta 21, sea igual a la calculada. En este caso se ha admitido un error del 1%. Tabla 33. Balance de energía del intercambiador E-104 Corriente 11 Corriente 12 Corriente 21 Corriente 22 Caudal másico (kg/h) 14885,70 11908,62 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,013 1,013 1,012 1,012 T (ºC) 32,00 -5,60 -17,00 30,00 Q (kJ/h) -5,67*105 5,67*105 Tabla 34. Balance de energía intercambiador E-105 Corriente 13 Corriente 14 Corriente 20 Corriente 21 Caudal másico (kg/h) 5954,28 11908,62 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,013 1,015 1,015 1,012 T (ºC) -5,60 -137,88 -143,98 -17,00 Q (kJ/h) -1,54*106 1,54*106 Finalmente, el error obtenido entre la temperatura supuesta y calculada ha sido del 0,52%, siendo la calculada de -16,91ºC. Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 30 de 34 3.3.1. Punto de mezcla corriente 38 y corriente 26 En la Tabla 47 se presenta el balance de energía realizado al punto de mezcla en el que confluyen la corriente 26 y la corriente 38. Tabla 47. Balance de energía al punto de mezcla entre las corrientes 26 e 38 Corriente 26 Corriente 38 Corriente 42 Caudal másico (kg/h) 1827,11 394,40 2221,52 Cpm (kJ/(kg*K)) 1,054 14,312 3,391 T (ºC) -175,80 32,24 -20,79 Q (kJ/h) -1,57*105 -1,57*105 3.3.2. Compresor C-301 En la Tabla 48 se presenta el cálculo de la temperatura de salida de la corriente de salida del compresor C-301 (corriente 43). Tabla 48. Estimación de la temperatura de salida del compresor C-301 Compresor C-301 P1 (bar) 6,4 P2 (bar) 100,3 P2/P1 15,70 Pentre etapa (bar) 3,96 T1 (ºC) -20,79 a 0,286 Compresor 1 P1 (bar) 6,4 P2 (bar) 25,36 T1 (ºC) -20,79 Tsal (ºC) 100,71 Refrigeración entre etapa Tsal intercambiador impuesta (ºC) 30,71 Qaire (kJ/h) 5,33*105 Masa de chilled water necesaria (kg/h) 5105,04 Compresor 2 P1 (bar) 25,16 P2 (bar) 100,3 T1 (=Tsal,intercambiador) 30,71 T2 (ºC) 177,78 3.3.3. Punto de mezcla entre la corriente 43 y la corriente 54 En la Tabla 49 se recoge el balance de energía para la corriente 44: Tabla 49. Balance de energía al punto de mezcla de la corriente 43 y54 Corriente 43 Corriente 54 Corriente 44 Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 31 de 34 Caudal másico (kg/h) 2221,52 9477,67 11699,26 Cpm (kJ/(kg*K)) 3,416 3,407 3,409 T (ºC) 177,78 171,79 172,93 Q (kJ/h) 6,90*106 6,90*106 3.3.4. Intercambiador E-301 En la Tabla 49 se recoge el balance de energía para la corriente 44: Tabla 50. Balance de energía al intercambiador E-301 Corriente 44 Corriente 45 Corriente 46 Corriente 47 Caudal másico (kg/h) 11699,26 11699,20 Cpm (kJ/(kg*K)) 3,409 3,431 3,281 3,237 T (ºC) 172,93 317,55 469,59 321,61 Q (kJ/h) 5,85*106 -5,85*106 3.3.5. Intercambiador E-302 En la Tabla 51 se presenta el balance de energía al intercambiador E-302: Tabla 51. Balance de energía al intercambiador E-302 Corriente 47 Corriente 48 Corriente 51 Corriente 52 Caudal másico (kg/h) 11699,20 9612,24 Cpm (kJ/(kg*K)) 3,237 3,192 3,537 3,407 T (ºC) 321,61 158,85 -20,00 170,00 Q (kJ/h) -6,25*106 6,25*106 3.3.6. Intercambiador E-303 En la Tabla 52 se presenta el balance de energía al intercambiador E-303: Tabla 52. Balance de energía al intercambiador E-303 Corriente 48 Corriente 49 Corriente 57 Corriente 58 Caudal másico (kg/h) 11699,20 2086,96 Cpm (kJ/(kg*K)) 3,192 3,184 2,059 2,059 T (ºC) 158,85 144,00 -117,06 15,00 Q (kJ/h) -5,67E+05 5,67E+05 3.3.7. Intercambiador E-304 En la Tabla 53 se presenta el balance de energía al intercambiador E-304: Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 32 de 34 Tabla 53. Balance de energía al intercambiador E-304 Corriente 49 Corriente 50 Caudal másico (kg/h) 11699,20 Cpm (kJ/(kg*K)) 3,184 3,135 T (ºC) 144,00 -20,00 Q (kJ/h) -6,93E+06 Masa propano (kg/h) 125,00 3.3.8. Compresor C-302 y TUR-301 En la Tabla 54 se presenta el balance de energía al compresor C-302 y a la TUR- 301: Tabla 54. Balance de energía al compresor C-302 y a la turbina TUR-301 Compresor C-302 Expansor TUR-301 P1 (bar) 98,89 99,09 P2 (bar) 100,30 18,2 T1 (ºC) 170,00 -20 a 0,286 0,286 T2 (ºC) 171,79 -117,06 3.3.9. Reactor R-301 El balance de energía al reactor se explica detalladamente en el Anexo II, Cálculos Justificativos, Parte II. Los valores de entalpía a la entrada y a la salida del reactor se presentan en la Tabla 55: Tabla 55. Balance de energía al reactor R-301 Corriente 45 Corriente 46 T(ºC) 317,55 469,59 ΔHr (kJ/kmol NH3) -49849 -49849 3.3.10. Tanque flash V-301 Para resolver el balance de energía del tanque flash se emplean las mismas ecuaciones que en la cámara de licuefacción V-102. Por lo que se determina la entalpía de la corriente de entrada mediante el balance de energía al tanque y a continuación, a través de la entalpía se determina el valor de la fracción de vapor, que ha resultado de 0,815. El calor latente de vaporización de amoníaco a -20ºC ha sido consultado en Aspen HYSYS y toma un valor de 380,70 kJ/kg. En la Tabla 56, se presenta el balance de energía realizado al tanque flash V-301. De nuevo se ha empleado como estado referencia 0ºC y gas, por lo que la entalpía de la Anexo I: Balances de Materia y Energía Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 33 de 34 corriente de líquido se calculará como la suma de la energía necesaria para pasar el estado de referencia 0ºC gas a -20ºC y a continuación teniendo en cuenta el cambio de fase. Cabe destacar que el Cp presentado en la tabla se corresponde con la capacidad específica del gas, y no del líquido, por tal y como se ha tomado el estado de referencia. Tabla 56. Balance de energía al tanque flash V-301 Corriente 50 Corriente 51 Corriente 56 Caudal másico (kg/h) 11699,20 9612,24 2086,96 Cpm (kJ/(kg*K)) 3,203 2,338 T (ºC) -20,00 -20,00 -20,00 h (kJ/kg) -134,38 -70,75 -427,47 Q (kJ/h) -6,80*105 -6,80*105 4. BIBLIOGRAFÍA 1. SINNOT, Ray, TOWLER, Gavin. Diseño en ingeniería química. Barcelona : Reverté, 2012. 978-84-291-7199-0. 2. VALCON. Carta psicrométrica. Temperaturas normales. Unidades del sistema internacional. Al nivel del mar. [En línea] [Citado el: 13 de junio de 2022.] https://ingenieriaelemental.com/wpcontent/uploads/2020/06/CartaPsicrome%CC%81trica2-1200x675.jpg. 3. JALON. Molecular Sieves 13X. [En línea] [Citado el: 13 de junio de 2022.] https://www.jalonzeolite.com/wp-content/uploads/2020/05/TDS-13X-1.pdf. 4. OCON, J., TOJO, G. Problemas de ingeniería química: Operaciones básicas. s.l. : Aguilar, 1967. 8403209975. 5. EDRISI, A., MANSOORI, Z., DABIR B. Using three chemical looping reactors in ammonia production process – A novel plant configuration for a green production. [En línea] International Journal of Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 16, 27 de mayo de 2014. [Citado el: 13 de junio de 2022.] https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.03.119. 6. SEIDER, W., SEADER, J., LEWIN, D., WIDAGDO,S. Product and Process Design Principles, 3ªed. s.l. : WILEY, 2009. 978-0470-04895-5. 7. KERN S&D. ELECTROLIZADORES DE HIDRÓGENO. [En línea] KERN S&D. [Citado el: 5 de Mayo de 2022.] https://kernsd.com/electrolizadores-de-hidrogeno/. ANEXO II: CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS Anexo II. Cálculos Justificativos Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 1 de 43 PARTE I: ELECTROLIZADOR ELE-101 Anexo II. Cálculos Justificativos Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 2 de 43 ÍNDICE 1. Introducción 3 1.1. Selección del tipo de electrolizador 4 1.1.1. Electrolizador alcalino 4 1.1.2. Electrolizador de membrana electrolítica polimérica 4 1.1.3. Electrolizador de celda de óxido sólido 5 1.1.4. Tecnología Fotoelectrocatalítica 5 1.2. Forma en que se apilan las celdas 6 1.3. Selección de materiales 6 1.3.1. Electrodos 6 1.3.2. Juntas 7 1.3.3. Separador 7 1.3.4. Pernos 7 1.3.5. Placas fijas 8 2. Dimensionado del electrolizador 10 2.1. Intensidad en las celdas 10 2.2. Presiones parciales en el ánodo y el cátodo 13 2.2.1. Cálculo de las difusividades 16 2.3. Tensión de cada celda electrolítica 19 2.3.1. Tensión de circuito abierto 20 2.3.2. Sobretensión de activación 20 2.3.3. Sobretensión por concentración o por difusión 23 2.3.4. Sobretensión óhmica 24 2.3.5. Resultado 28 2.4. Potencia total del equipo y número de stacks necesarios 29 3. Diseño Mecánico 30 3.1. Orificios para el flujo de fluidos 30 3.1.1. Diámetro de las celdas 34 3.2. Dimensionado de los pernos 35 3.3. Dimensiones de la junta 36 3.4. Espesor de las placas fijas 38 3.5. Longitud del equipo 40 4. Bibliografía 42 Anexo II. Cálculos Justificativos Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 3 de 43 1. INTRODUCCIÓN Los electrolizadores son conjuntos de celdas electrolíticas en los cuales se aprovecha la energía eléctrica para romper una molécula, en este caso, se romperá la molécula de agua con la intención de obtener hidrógeno, que posteriormente se empleará para la síntesis de amoníaco, según las reacciones del ánodo (Ecuación 1) y del cátodo (Ecuación 2 y Ecuación 3). En cada una de las celdas electrolíticas pueden distinguirse 3 componentes básicos: 2 electrodos, un ánodo y un cátodo, en cuyas superficies ocurren las reacciones, y el electrolito, que es el fluido en el cual se encuentra la molécula que se desea romper y que separa los dos electrodos. (1) 2 𝑂𝐻−→ 1 2 𝑂2+𝐻2𝑂 + 2 𝑒− Ecuación 1 2 𝐻2𝑂 →2 𝐻+ + 2 𝑂𝐻− Ecuación 2 2 𝐻+ + 2 𝑒− →𝐻2 Ecuación 3 Entre los parámetros más importantes destaca la tensión de cada celda, puesto que en base a esta tensión se puede categorizar el desempeño de un electrolizador, además de que permite conocer el consumo de energía. Cuanto mayor sea la tensión de una celda mayor será la ineficiencia del equipo para unas condiciones de operación dadas. Otro parámetro muy importante sería la densidad de corriente, siendo este un parámetro de diseño que permitirá obtener el valor de muchos otros parámetros del equipo. Sus valores normales se encuentran entre 100 y 300 mA/cm2. (2) Este valor se relaciona directamente con la tasa de producción de gas, por lo que a mayores densidades de corriente, mayor será la producción por área de electrodo, lo cual crea problemas debido a que la generación de burbujas hará aumentar el valor de la tensión en la celda. Para el modelo de electrolizador seleccionado (electrolizador alcalino) también es muy importante el electrolito a emplear y su concentración, puesto que influirá directamente en la tensión de la celda al permitir que se conduzca mejor o peor la corriente en el medio dependiendo de su concentración. Los electrolitos más usuales son KOH y NaOH con una concentración usual de 30% en peso, aunque también se pueden usar hasta un 25%. Por último, también son importantes las condiciones de operación, presión y temperatura, teniendo en cuenta que la temperatura favorece la disminución de potencial de la celda, pero también lleva a un aumento de presión en la celda, lo cual provoca que la tensión sea mayor. Debido a esto, normalmente el rango de temperaturas empleado se encuentra entre 60 y 80 ºC y la presión puede variar entre la presión atmosférica y 10 bar de presión para electrolizadores alcalinos. (1) Anexo II. Cálculos Justificativos Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 4 de 43 1.1. Selección del tipo de electrolizador Para llevar a cabo la electrólisis de agua, existen distintas tecnologías disponibles. A continuación, se presentan las distintas tecnologías disponibles, así como sus principales características. Cabe destacar que en la actualidad se están desarrollando nuevas equipos y perfeccionando los materiales de los ya existentes. 1.1.1. Electrolizador alcalino Los electrolizadores alcalinos o AWE por sus siglas en inglés (Alkaline Water Electrolyzer) están formados por un ánodo y un cátodo sumergidos en una solución alcalina, normalmente KOH, y operan a temperaturas inferiores a los 100 ºC además de a presiones próximas a la atmosférica. En este tipo de equipos también es necesario el uso de un diafragma o separador entre los dos electrodos el cual permite que los iones hidróxido pasen a través, pero mantiene a las fases gaseosa separadas en cada uno de los lados, impidiendo su recombinación y, por lo tanto, pérdidas de energía y eficiencia. (3) Esta tecnología es la más madura para la producción de hidrógeno a nivel industrial, permitiendo producción a gran escala con equipos que pueden llegar a megavatios. Lleva siendo empleada para la producción de hidrógeno desde principios de siglo pasado. Además, presenta ventajas en los costes del equipo puesto que no requiere materiales de precio muy elevado, debido al medio alcalino pueden emplearse metales como níquel en los electrodos en vez de los metales nobles, como el platino, necesarios en otros casos. El coste del electrolito es también muy asequible. (3) Pese a estas ventajas, en este tipo de equipos existe una importante desventaja también, relacionada con el separador, puesto que este produce pérdidas de corriente importantes y además no es suficiente para evitar completamente la mezcla de los gases, generando pérdidas de energía. No permite altas densidades de corriente ni altas presiones, lo cual permitiría amentar la producción en gran escala. (3) Debido el rango de operación usual del equipo, que está pensado para producciónes a gran escala, que es el más comúnmente usado en la industria y existen metodologías más confiables para su diseño, además de su bajo coste comparado con otros tipos, este será el tipo de electrolizador seleccionado para el diseño. 1.1.2. Electrolizador de membrana electrolítica polimérica Los electrolizadores de membrana electrolítica polimérica o PEME por sus siglas en inglés (Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis) están formados por un cátodo, un ánodo y una membrana electrolítica polimérica (PEM) y fueron desarrollados en la década de 1960. Operan a temperaturas algo más elevadas que los electrolizadores alcalinos, próximas a los 100 ºC y el medio generado debido a sus reacciones es un medio ácido , como se puede observar en la Ecuación 4 para el cátodo y la Ecuación 5 para el ánodo. (3) Anexo II. Cálculos Justificativos Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 5 de 43 2 𝐻++ 2 𝑒−→ 𝐻2 Ecuación 4 𝐻2𝑂 →1 2𝑂2+2 𝐻+ + 2 𝑒− Ecuación 5 La membrana suele estar compuesta por Nafion, el cual tiene una conductividad que le permite alcanzar densidades de corriente elevadas (2 A/cm2). Además, la membrana permite el uso de altas presiones, hasta los 100 bar, y permite una buena separación de los gases. Para lograr esto la membrana ha de ser gruesa, lo que provoca que se produzca una gran resistencia a la conducción en ella, generando pérdidas de energía. Además, aunque permite mayores producciones debido al efecto de la presión elevada, ya que produce burbujas de gas más densas, los catalizadores que recubran los electrodos han de ser muy estables debido a la alta acidez que se produce. Es necesario emplear cátodos de platino y ánodos de óxido de iridio, o similares, que poseen una gran reactividad y estabilidad, pero que encarece en gran medida el equipo. 1.1.3. Electrolizador de celda de óxido sólido La electrólisis de óxido sólido, SOEC por las siglas en inglés (Solid Oxide Electrolyzer Cell), fue desarrollada en la década de 1970. Están compuestos por un ánodo y un cátodo separados por un electrolito conductor de O2-, que usualmente son circonios estabilizados con distintos compuestos de forma que pueda ocupar alguna de las tres posiciones. Las ecuaciones desarrolladas en el cátodo (Ecuación 6) y en el ánodo (Ecuación 7) difieren de las tratadas anteriormente puesto que en este caso se intercambian los aniones O2-. (3) 𝐻2𝑂 + 2 𝑒−→ 𝐻2+2 𝑂2− Ecuación 6 𝑂2− →1 2𝑂2 + 2 𝑒− Ecuación 7 Esta tecnología opera a temperaturas muy elevadas, en el rango de 700 a 900 ºC, debido a que a temperaturas más bajas la conductividad del O2- no alcanza un valor suficiente. Se pueden obtener muy buenas eficiencias debido a la elevada temperatura, pero esto implica que los materiales empleados deben ser mucho más estables. Además, debido a la gran generación de oxígeno en el ánodo, el electrodo puede sufrir daños debidos a la corrosión, aunque este efecto puede reducirse reduciendo la densidad de corriente. (3) 1.1.4. Tecnología Fotoelectrocatalítica Se trata de una tecnología más reciente, que parte de la premisa de que un cristal de TiO2 bajo iluminación es capaz de partir las moléculas de agua, produciente energía química directamente a partir de la energía solar, es decir, de la luz solar. Actualmente, esta tecnología es utilizada en la producción de hidrógeno, reducción de dióxido de carbono, purificación de aire y tratamiento de aguas. (3) Anexo II: Cálculos justificativos: Parte II: Reactor R-301 Página 64 de 70 mm2; W, el caudal másico del fluido que atraviesa dicho dispositivo en kg/h; F2, el coeficiente del fluido supercrítico (Ecuación 121); r es la relación entre la contrapresión P2 y la presión de descarga aguas arriba P1; Kd es el coeficiente efectivo de descarga y que para diseños preliminares toma el valor de 0,62 cuando la válvula todavía no está instalada; Kc es un factor de corrección para instalaciones con disco de ruptura y que toma el valor de 1 cuando aún no está instalada; Mr representa la masa molecular, tomada como el valor medio; T es la temperatura absoluta a la que se descarga el fluido, considerada como la temperatura de diseño; y Z, el factor de compresibilidad, se ha tomado como 1. El valor de P2 se ha determinado como la suma de la presión atmosférica y el 10% de la presión de descarga P1. (63) 𝐴= 17,9∗𝑊 𝐹2∗𝐾𝑑∗𝐾𝑐∗√ 𝑍∗𝑇 𝑀𝑟∗𝑃1∗(𝑃1−𝑃2) Ecuación 120 𝐹2=√(𝑘 𝑘−1)∗𝑟2/𝑘∗(1−𝑟𝑘−1 𝑘 1−𝑟 ) Ecuación 121 En la Tabla 46, se presentan los resultados obtenidos, que permitirán seleccionar una válvula comercial en base al área del orificio de descarga. Tabla 46. Dimensionado básico de la válvula de seguridad PSV-307 A partir de un catálogo comercial para válvulas de seguridad con bridas que sigue el estándar de API 526 se han consultado las especificaciones de orificio, siendo el valor más próximo por encima del calculado 1,838 in2 (1185,8 mm2), el cual se corresponde con una válvula con un orificio tipo K. (64) 13. BIBLIOGRAFÍA 1. Industrial Efficiency Technology Database. Using Low-Pressure Ammonia Synthesis Catalysts. [En línea] Institute for Industrial Productivity. [Citado el: 23 de mayo de 2022.] http://www.iipinetwork.org/wp-content/Ietd/content/using-low-pressure- ammonia-synthesis-catalysts.html. 2. APPL, Max. Ammonia, 2. Production Processes. 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Inversión inicial ................................................................ 3 3. Financiación ..................................................................... 3 4. Costes de producción ....................................................... 5 4.1. Costes de materias primas ....................................................................... 5 4.2. Coste de las utilidades ............................................................................. 5 4.3. Coste de mano de obra ............................................................................ 7 4.4. Costes obtenidos por factores ................................................................. 7 5. Beneficio por ventas ......................................................... 8 6. Amortizaciones ................................................................. 8 7. Flujos de caja .................................................................... 8 8. VALOR NETO Actual (VAN) ...................................... 12 9. Tasa Interna de Retorno (TIR) ....................................... 12 10. Plazo de Recuperación (payback) .................................. 12 11. Análisis de sensibilidad .................................................. 13 11.1. Variación de coste de energía ............................................................... 13 11.2. Variación de coste de energía y de costes variables ............................. 13 12. Conclusión de la viabilidad económica ......................... 14 13. Bibliografía ..................................................................... 15 Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 3 de 15 1. INTRODUCCIÓN A la hora de diseñar un proceso es necesario conocer cuál será la evaluación económica del mismo, pues los procesos industriales tienen como objetivo producir beneficios para aquellos que invierte en él. Esta evaluación económica se realiza en base a dos indicadores de rentabilidad del proyecto: el VAN (Valor Actual Neto) y la TIR (Tasa Interna de Retorno). Además, se evaluarán los ingresos y gastos a través de los flujos de caja, determinando el año en que se recupera la inversión inicial, criterio conocido como payback. (1) Para poder obtener los parámetros anteriores será necesario calcular previamente la inversión inicial (formado por el capital fijo y el circulante), los ingresos por la venta del producto (amoníaco) y subproducto (oxígeno), junto con los costes de producción de este, relacionados con las utilidades y la energía. Para terminar, comprobará como afectan los parámetros más relevantes a la viabilidad del proceso: precio de la energía, precio del amoníaco y la inversión inicial. 2. INVERSIÓN INICIAL La inversión inicial para la planta de producción de amoníaco verde a microescala se ha calculado en base a métodos factoriales para el coste de equipos y para el coste de las demás estructuras, accesorios y tuberías. Será el valor monetario que se desembolsará cuando se desee construir dicha planta. La forma de cálculo se detalla en el Documento V. Presupuesto alcanzando el valor de 221.874.223,08 €. 3. FINANCIACIÓN Para poder realizar el proyecto es necesario disponer de la cantidad de dinero estimada para la construcción y puesta en marcha de la planta, además de los fondos de contingencia y el capital circulante. Para obtener el dinero se empleará un Bono Sostenible ICO (2) del cual se puede negociar la cantidad y el interés. Se tomará como que la cantidad negociada es el total y el interés será el valor típico de interés del 6%. Se llevará a cabo el sistema de amortización francés, en el cual las cuotas pagadas serán siempre las mismas a lo largo de los años y se pagará una vez al año, siendo el método más empleado a nivel español. En este método, las proporciones de devolución de préstamo varían al mantenerse constante los valores de las mensualidades, puesto que los intereses se calculan en base al capital vivo restante a devolver, siendo mayores en los primeros años y más bajos en los últimos, a medida que disminuye la deuda. La amortización del préstamo variará de forma contraria. (1) El cálculo de la anualidad se realizará mediante la Ecuación 1 en la que la anualidad se obtiene a partir de C0 que será la cantidad total prestada por la entidad, i será el tipo de interés anual y n el número de pagos a realizar, el cual por recomendaciones de ICO (Instituto de Crédito Oficial) será un plazo largo, por lo que se tomará el tiempo de vida de la planta, 20 años. Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 10 de 15 Tabla 9. Valores del flujo de caja en el año 0 Ítem 0 Pagos totales 0,00 Intereses de la deuda 0,00 Costes variables 0,00 Cobros totales 0,00 Beneficio bruto (antes de impuestos) 0,00 Impuestos 0,00 Beneficio neto 0,00 Amortización del inmovilizado 0,00 Flujo neto de caja -221.874.223,08 Flujo neto de caja descontado -221.874.223,08 Flujo de caja acumulado -221.874.223,08 Se puede observar el resultado de los flujos de caja en la Tabla 10 y la Tabla 11. Como se puede observar por los valores de flujo de caja, este nunca deja de ser negativo y, lo que es más, crece en valor absoluto. Esto da a entender que se trataría de un proyecto no rentable puesto que nunca se llega a recuperar la inversión realizada. Según se observa esto se debe a que los costes variables son muy elevados (existe un gran coste de consumo eléctrico) y además los costes de gestión y explotación también son muy elevados en parte debido a que al hacer una estimación a partir del elevado presupuesto del proyecto, estos costes toman un valor muy elevado. Es probable que la estimación por factores llevada a cabo para obtener el presupuesto no sea adecuada para este caso en el que el coste de los equipos es tan elevado, razón por la que se obtiene finalmente un coste fijo demasiado grade. Cabe destacar que en base a esto se puede afirmar que el coste de los equipos actualmente no sería determinante para la viabilidad del proceso al menos con los costes variables y beneficios actuales. Los beneficios son muy bajos debidos principalmente a la baja producción, que se trata de una de las condiciones requerida por la planta, lo cual vendría a indicar que un factor de escala en la plata podría ser determinante para poder obtener un proyecto viable. Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 11 de 15 Tabla 10. Flujos de caja Año 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Pagos totales 79.354.881,03 83.615.957,82 88.178.928,92 93.065.144,05 98.297.460,48 103.900.349,27 109.900.009,09 116.324.488,04 123.203.814,04 130.570.134,40 Intereses de la deuda 13.312.453,38 12.950.560,24 12.566.953,50 12.160.330,36 11.729.309,83 11.272.428,07 10.788.133,40 10.274.781,06 9.730.627,57 9.153.824,87 Costes variables 66.042.427,65 70.665.397,58 75.611.975,42 80.904.813,69 86.568.150,65 92.627.921,20 99.111.875,68 106.049.706,98 113.473.186,47 121.416.309,52 Cobros totales 20.105.162,14 21.512.523,49 23.018.400,14 24.629.688,15 26.353.766,32 28.198.529,96 30.172.427,06 32.284.496,95 34.544.411,74 36.962.520,56 Beneficio bruto (antes de impuestos) -59.249.718,89 -62.103.434,33 -65.160.528,78 -68.435.455,91 -71.943.694,17 -75.701.819,31 -79.727.582,03 -84.039.991,09 -88.659.402,30 -93.607.613,84 Impuestos 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Beneficio neto -59.249.718,89 -62.103.434,33 -65.160.528,78 -68.435.455,91 -71.943.694,17 -75.701.819,31 -79.727.582,03 -84.039.991,09 -88.659.402,30 -93.607.613,84 Amortización del inmovilizado 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 Flujo neto de caja -48.323.564,79 -51.177.280,22 -54.234.374,67 -57.509.301,80 -61.017.540,06 -64.775.665,21 -68.801.427,93 -73.113.836,98 -77.733.248,20 -82.681.459,73 Flujo neto de caja descontado -43.146.039,99 -40.798.214,46 -38.602.956,65 -36.548.200,97 -34.622.990,90 -32.817.367,89 -31.122.271,94 -29.529.452,49 -28.031.388,57 -26.621.217,20 Flujo de caja acumulado -265.020.263,06 -305.818.477,53 -344.421.434,17 -380.969.635,15 -415.592.626,05 -448.409.993,94 -479.532.265,87 -509.061.718,36 -537.093.106,94 -563.714.324,13 Tabla 11. Flujos de caja (cont) Año 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Pagos totales 138.457.865,20 146.903.851,28 155.947.537,33 165.631.151,22 175.999.900,08 187.102.180,29 198.989.802,17 211.718.230,55 225.346.842,28 239.939.201,80 Intereses de la deuda 8.542.414,02 7.894.318,51 7.207.337,27 6.479.137,15 5.707.245,03 4.889.039,38 4.021.741,39 3.102.405,53 2.127.909,51 1.094.943,73 Costes variables 129.915.451,19 139.009.532,77 148.740.200,07 159.152.014,07 170.292.655,05 182.213.140,91 194.968.060,77 208.615.825,03 223.218.932,78 238.844.258,07 Cobros totales 39.549.897,00 42.318.389,79 45.280.677,07 48.450.324,47 51.841.847,18 55.470.776,48 59.353.730,84 63.508.492,00 67.954.086,44 72.710.872,49 Beneficio bruto (antes de impuestos) -98.907.968,21 -104.585.461,49 -110.666.860,26 -117.180.826,75 -124.158.052,90 -131.631.403,81 -139.636.071,33 -148.209.738,56 -157.392.755,85 -167.228.329,31 Impuestos 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Beneficio neto -98.907.968,21 -104.585.461,49 -110.666.860,26 -117.180.826,75 -124.158.052,90 -131.631.403,81 -139.636.071,33 -148.209.738,56 -157.392.755,85 -167.228.329,31 Amortización del inmovilizado 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 10.926.154,10 Flujo neto de caja -87.981.814,10 -93.659.307,39 -99.740.706,15 -106.254.672,65 -113.231.898,80 -120.705.249,70 -128.709.917,22 -137.283.584,45 -146.466.601,75 -156.302.175,21 Flujo neto de caja descontado -25.292.669,15 -24.040.011,43 -22.857.995,56 -21.741.811,21 -20.687.044,57 -19.689.640,92 -18.745.871,07 -17.852.301,05 -17.005.765,05 -16.203.340,88 Flujo de caja acumulado -589.006.993,28 -613.047.004,71 -635.905.000,27 -657.646.811,48 -678.333.856,04 -698.023.496,97 -716.769.368,03 -734.621.669,08 -751.627.434,13 -767.830.775,01 Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 12 de 15 8. VALOR NETO ACTUAL (VAN) El Valor Neto Actual o VAN es una mediad de rentabilidad económica para un proyecto en términos absolutos, puesto que el objetivo de este es obtener la diferencia entre el importe de la inversión inicial y el de los flujos netos de caja anuales, según se ve en la Ecuación 6 empleados los flujos de caja descontados de la Ecuación 5. (1) 𝑉𝐴𝑁 =−𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙+ ∑𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑗𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠𝑗 Ecuación 6 Las ventajas del VAN son su simplicidad de cálculo y fácil interpretación, además debido que se basa en el criterio de valoración, permite conocer cuál será un proyecto que debe ser rechazado o no según sea positivo o negativo respectivamente. (1) El valor del VAN para el caso anterior sería de -767.830.775,01 €, que es el mismo valor obtenido en el final de la Tabla 11. Se puede observar que el van para este proyecto es negativo, lo cual nos informa de que el proyecto es no rentable en base a este criterio, son mayores los gastos que las ganancias generadas. 9. TASA INTERNA DE RETORNO (TIR) Las Tasa Interna de Retorno es otra medida de rentabilidad, de igual manera que el VAN, y se puede obtener a partir de la Ecuación 7. (1) −𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙+ ∑𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜𝑠 𝑛𝑒𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑗𝑎 𝑗 (1+𝑇𝐼𝑅)𝑗=0 Ecuación 7 La TIR permite indicar la rentabilidad del proyecto en términos de coste financiero. El valor de la TIR puede compararse con la tasa de descuento, de forma que si la TIR es superior a la tasa de descuento (k) el proyecto es viable mientras que no lo será en el caso contrario. (1) El valor obtenido para la TIR en este proyecto no puede ser calculada debido a que la ecuación no tendría solución. Esto muestra de nuevo la no rentabilidad del proyecto por las razones anteriormente comentadas. 10. PLAZO DE RECUPERACIÓN (PAYBACK) El plazo de recuperación del caudal invertido será el último método de valoración empleado. Se trata de un método estático puesto que no se emplean valores actualizados, si no que se emplean directamente los flujos de caja sin actualizar. Se han de ir acumulando los flujos de caja hasta que estos superen el valor de inversión inicial empleada, de forma que, en el momento en que se supera este valor de años será el valor del payback. Para el caso de este proyecto, puesto que todos los flujos de caja son negativos es imposible recuperar la inversión inicial, por lo que el payback no se puede calcular. Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 13 de 15 11. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD En este apartado se estudiará el comportamiento del proyecto frente a variaciones en ciertas variables críticas, comprobando los distintos parámetros económicos para saber cual debería ser el método para hacer este proceso viable a nivel económico. Es necesario destacar que el amoníaco es muy importante a nivel mundial debido a la producción de fertilizantes principalmente. Durante la guerra entre Rusia y Ucrania, debido al aumento de costes de las materia primas de los procesos convencionales (el gas natural) de forma que se buscan nuevas formas de obtención de sus derivados, entre ellas existe la metodología empleada en este proyecto, la cual puede ser aprovechada para producir amoníaco a nivel local. Como se ha mencionado anteriormente, en concreto este proyecto no ha resultado viable principalmente debido al empleo de grandes cantidades de energía y a que los costes de la planta han sido tan elevados que las estimaciones de costes variables también son muy elevados, lo cual convierte esta planta en una proyecto no rentable. Se comprobará si reduciendo el coste de la energía y los costes variables se puede obtener un proceso rentable. 11.1. Variación de coste de energía Como se mencionó anteriormente, el precio medio del 2021 es inferior al actual, por lo que se comprobará como le afecta a la viabilidad ese valor de coste (118,83 €/MWh; disminución del 40 %). Los valores obtenidos se recogen en la Tabla 12. Se puede observar que de nuevo el proceso es no rentable puesto que los flujos de cajas siguen siendo negativos, haciendo que el VAN sea negativo (no rentable) y los demás parámetros no se pueden ni llegar a obtener. Tabla 12. Parámetros de rentabilidad al disminuir los costes de la energía Parámetro Valor Significado VAN -562.972.909,21 No rentable TIR - - Payback - - 11.2. Variación de coste de energía y de costes variables Se llevará a cabo ahora la variación de los costes variables sobre el cambio efectuado anteriormente, reduciéndolo en un 40 % también. Los valores obtenidos se recogen en la Tabla 13. Se puede observar que de nuevo el proceso es no rentable puesto que los flujos de cajas siguen siendo negativos, haciendo que el VAN sea negativo (no rentable) y los demás parámetros no se pueden ni llegar a obtener. Pese a haber reducido ambos costes en gran proporción la planta sigue sin alcanzar la rentabilidad, se encuentra muy lejos de ello. La variación de estos costes variables y la adaptación del coste Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 14 de 15 energético pueden conseguirse gracias a los distintos programa as y ayudas a empresas con fines renovables, pero aún así no sería suficiente para que la pequeña producción haga vaible la planta finalmente Tabla 13. Parámetros de rentabilidad al disminuir los costes de la energía y de coste variable Parámetro Valor Significado VAN -328.524.045,57 No rentable TIR - - Payback - - 12. CONCLUSIÓN DE LA VIABILIDAD ECONÓMICA En base a los resultados anteriores se puede observar que la planta de producción de amoníaco verde a microescala no sería rentable con las tecnologías seleccionadas, lo que se debe a que al producir un caudal muy bajo de amoníaco los beneficios son muy bajos, pero los costes de operación son muy elevados, además los equipos de compresión de gases son muy caros, siendo los más caros junto con el electrolizador y el reactor aunque este último en menor medida. El consumo eléctrico también genera un gran coste, debido tanto a compresores como al electrolizador, se debería buscar una nueva tecnología más eficiente para la ruptura de las moléculas de agua que el electrolizador alcalino seleccionado. Si se pudiesen reducir las potencias de los compresores cambiándolos a un equipo con menor precio sería muy bueno, pues la mayoría de los costes se vería reducido en gran medida. Por todo esto se concluye que de momento en España, con los precios de la energía, de los productos y de los equipos actuales no sería rentable la creación de esta planta. Anexo III. Viabilidad Económica Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 15 de 15 13. BIBLIOGRAFÍA 1. LARRÁN JORGE, Manuel. Fundamentos de contabilidad financiera : teoría y práctica. Madrid : Pirámide, 2008. 978-84-368-2232-8. 2. MINISTERIO DE ASUNTOS ECONÓMICOS Y TRANSFORMACIÓN DIGITAL. Bonos Sostenibles ICO. [En línea] Gobierno de España. [Citado el: 10 de Junio de 2022.] https://www.ico.es/en/bonos-sostenibles-ico. 3. SELECTRA. Tarifas de agua by Selectra. [En línea] SELECTRA. [Citado el: 10 de Junio de 2022.] https://tarifasdeagua.es/info/precio. 4. FERNÁNDEZ, Rosa. statista. Precio medio final anual de la electricidad en España de 2010 a 2022. [En línea] 23 de Marzo de 2022. [Citado el: 10 de Junio de 2022.] https://es.statista.com/estadisticas/993787/precio-medio-final-de-la-electricidad-en- espana/. 5. TURTON, Richard, y otros. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes. Nueva Jersey : Prentice Hall, 2009. 0-13-512966-4. 6. SINNOT, Ray, TOWLER, Gavin. Diseño en ingeniería química. Barcelona : Reverté, 2012. 978-84-291-7199-0. 7. Agricultural Market Information System. Market Monitor. AMIS. [En línea] 2022. [Citado el: 4 de Marzo de 2022.] http://www.amis-outlook.org/home/en/. 8. DORRIS, Chandler, y otros. High-Purity Oxygen Production Using Mixed Ionic-Electronic Conducting Sorbents. 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Plano electrolizador ELE-201 7. Plano reactor R-301 1000m 0 1000 2000m 100m 0 100 200m UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA - ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONÍACO VERDE AUTORES: Guillermo Martínez Loureiro Uxía Mata Rivas SINATURAS: ESCALA: VER JUNIO 2022 PLANO DE SITUACIÓN Y DE EMPLAZAMIENTO 1/6 GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA - TRABAJO FIN DE GRADO PLANO DE SITUACIÓN ESCALA 1:20.000 PLANO DE EMPLAZAMIENTO ESCALA 1:5.000 DATOS MUNICIPIO: Salvaterra de Miño PROVINCIA: PONTEVEDRA POLÍGONO: 71 PARCELAS: 1437, 1438 y 1439 SUPERFICIE: 62.979,54 m2 ORDENANZA MUNICIPAL: OT10092 LEYENDA Contorno Polígono PLISAN Ubicación del terreno seleccionado Terreno seleccionado ELE-201 P-201 A/B DES-201 E-201 E-203 E-202 T-202 A/B T-201 A/B C-101 C-102 C-103 TUR-101 C-201 C-301 C-302 TUR-301 E-106 E-102 E-103 E-104 E-105 V-101 T-101 A/B E-101 V-102 T-102 E-301 R-301 E-303 E-302 E-304 V-301 ÁREA DE TANQUES TALLER DE MANTENIMIENTO LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD ÁREA DE UTILIDADES SALA DE CONTROL CARGA Y DESCARGA CONTROL DE ACCESO ÁREA DE SERVICIOS ESTACIÓN DE BOMBEROS ÁREA DE TRATAMIENTO DE AGUAS UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA - ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE AMONÍACO VERDE AUTORES: Guillermo Martínez Loureiro Uxía Mata Rivas SINATURAS: ESCALA: VER JUNIO 2022 PLANO DE IMPLANTACIÓN 2/6 GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA - TRABAJO FIN DE GRADO PLANO DE IMPLANTACION O LAYOUT ESCALA 1:1.000 DATOS MUNICIPIO: Salvaterra de Miño PROVINCIA: PONTEVEDRA POLÍGONO: 71 PARCELAS: 1437, 1438 y 1439 SUPERFICIE: 62.979,54 m2 ORDENANZA MUNICIPAL: OT10092 LEYENDA Zona verde DOCUMENTO III: ESTUDIOS CON ENTIDAD PROPIA Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 2 de 36 ÍNDICE 1. OBJETO .................................................................................................................... 3 2. Descripción general del proyecto .............................................................................. 3 2.1. Justificación de la ubicación.............................................................................. 5 3. Evaluación de las principales alternativas ................................................................. 5 3.1. Reformado con vapor ........................................................................................ 6 3.2. Oxidación parcial de hidrocarburos .................................................................. 6 3.3. Gasificación de Carbón ..................................................................................... 6 3.4. Procesos biológicos para la obtención de H2 ..................................................... 7 3.5. Procesos térmicos para la obtención de H2 ........................................................ 7 3.6. Electrólisis de agua ............................................................................................ 8 3.7. Destilación criogénica de aire ........................................................................... 8 3.8. Adsorción por cambio de presión ...................................................................... 8 3.9. Separación por membranas ............................................................................... 9 3.10. Justificación de la alternativa ............................................................................ 9 3.11. Mejores Técnicas Disponibles (MTD) .............................................................. 9 3.12. Posibles impactos ambientales y socioeconómicos ......................................... 10 4. Inventario ambiental ................................................................................................ 11 4.1. Clima ............................................................................................................... 11 4.2. Suelo ................................................................................................................ 15 4.3. Medio Biológico .............................................................................................. 16 4.4. Medio socioeconómico ................................................................................... 18 4.5. Riesgos y molestias ......................................................................................... 21 5. Valoración de impactos ambientales ....................................................................... 21 5.1. Matriz de Leopold ........................................................................................... 21 5.2. Factores ambientales ....................................................................................... 22 5.3. Fase de Construcción ...................................................................................... 22 5.4. Fase de explotación ......................................................................................... 24 5.5. Fase de Desmantelamiento .............................................................................. 26 5.6. Resumen del Impacto Ambiental .................................................................... 28 6. Medidas para la prevención, corrección o compensación de los impactos ambientales 29 6.1. Medidas para la fase de construcción .............................................................. 29 6.2. Medidas para la fase de explotación ................................................................ 29 6.3. Medidas durante la fase de desmantelamiento ................................................ 31 7. Programa de Vigilancia Ambiental ......................................................................... 31 7.1. Calidad del aire ................................................................................................ 32 7.2. Calidad del agua .............................................................................................. 32 7.3. Control de la contaminación acústica .............................................................. 33 8. Resumen y conclusiones ......................................................................................... 33 9. Bibliografía.............................................................................................................. 35 ESTUDIO BÁSICO SOBRE SEGURIDAD Y SALUD (Documento II) Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 3 de 36 1. OBJETO En el Estudio de Impacto Ambiental (EIA), documento a elaborar por el promotor y que ha de acompañar al proyecto, se identificarán, describirán, cuantificarán y analizarán los posibles efectos sobre el medio ambiente derivados de las etapas de construcción, operación y desmantelamiento de la planta de producción de amoníaco verde. Se analizarán las alternativas cuya aplicación sea viable, junto con medidas de corrección, prevención o compensación sobre los efectos negativos sobre el medio ambiente. El EIA ha de realizarse según dicta la Ley 21/2013 del 9 de diciembre de evaluación ambiental, que establece las bases que rigen la evaluación ambiental de proyectos y planes que puedan tener un efecto significativo sobre el medio ambiente y que busca garantizar en todo el Estado español un nivel de protección ambiental con el fin de promover el desarrollo sostenible. (1) Se han de tomar en cuenta también las modificaciones introducidas por la Ley 9/2019 del 5 de diciembre en la cual se trans pone la Directiva 2014/52/UE. En la Ley 21/2013 se recogen en el Anexo I aquellos proyectos que se han de someter a una evaluación ambiental ordinaria regulado en el título II, capítulo II de dicha Ley. Dentro de este anexo, en el Grupo 5 de Industria química, petroquímica, textil y papelera se recoge como 2º grupo de productos los químicos inorgánicos gaseosos, particularizando el caso del amoníaco, caso tratado en este documento. En el artículo 35 de dicha ley se describen los apartados y lo que se ha de tratar en cada uno de ellos y que, por lo tanto, serán tratados a continuación. (1) 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO En la planta de producción de amoníaco verde, sobre la cual trata el presente documento, se tratará de producir 16.500 toneladas anuales de amoníaco con una pureza del 99,5% de acuerdo al grado de pureza requerido comercialmente. Se ha de tener en cuenta que operará en régimen continuo, es decir, las 24 horas del día, durante 330 días al año. Este proceso constará de 3 secciones, las secciones 100 y 200 serán empleadas para el acondicionamiento de las materias primas, mientras que la sección 300 será la empleada para la producción y purificación del amoníaco. En la sección 100 se comienza con la entrada de aire de la atmosfera, el cual pasará por un filtro, será comprimido hasta unos 7 bar y pasará por un tanque con un eliminador de nieblas para eliminar las partículas sólidas y parte de la humedad ambiente. Posteriormente para eliminar el resto del agua y el CO2 se hará circular el aire por un equipo con zeolitas. Posteriormente se mezclará con aire procedente de etapas posteriores y se comprimirá hasta 45 bar para hacerlo pasar por una serie de intercambiadores de calor. En los intercambiadores se calentará el oxígeno que sale de la torre para usarlo en la recuperación de las zeolitas (T-101 A/B), y junto con cool water será enfriado hasta 32 ºC. Posteriormente serán empleado aire, que ha sido expandido para reducir la temperatura, en contracorriente en un tren de intercambiadores consiguiendo finalmente, tras pasar por una válvula, una temperatura de -173,5 ºC y una presión de 6,5 bar. Posteriormente, en un tanque (V-102) se separa la parte líquida de la parte gas, saliendo por colas el aire licuado y por cabezas el aire en fase gas que será expandido y empleado para enfiar la corriente de entrada como se mencionó anteriormente. Finalmente, el aire licuado se introduce en la torre de destilación criogénica T-102 para obtener nitrógeno Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 4 de 36 puro por cabezas (que se empleará en la sección 300) y oxígeno con una parte de nitrógeno por colas, que será empleado para enfriar la recirculación en un ciclo de refrigeración tras ser expandido y se empleará para recuperar las zeolitas calentándolo como se mencionó anteriormente. La sección 200 está destinada a la obtención de H2 a partir de agua. Se emplea agua captada del río cercano (Río Miño) la cual ha sido pretratada por una planta depuradora cercana, se comprime empleando una bomba hasta unos 4 bar y se hace pasar por un equipo desmineralizador (DES-201) para obtener un agua lo más pura posible y que no genere residuos ni cambios de composición en el interior del equipo siguiente. Posteriormente se calienta hasta los 80 ºC y se introduce en un electrolizador alcalino (EL-201) en el cual se romperá la molécula de agua para obtener hidrógeno y oxígeno. La corriente de oxígeno se hará pasar por zeolitas para retirar su humedad antes de ser almacenado. La corriente de hidrógeno se comprimirá hasta 7 bar y se hará pasar por zeolitas (T-201 A/B) para retirar el agua antes de continuar a la sección 300. En la sección 300 se mezclas las corrientes de nitrógeno e hidrógeno de las secciones 100 y 200 respectivamente y se emplearán como materia prima del proceso Haber-Bosch. Se comprimen hasta los 100 bar mediante el compresor C-301 y se producirá amoníaco en el reactor R-301. La corriente de salida del reactor se separará una corriente gaseosa de recirculación y otra líquida de producto, tras ser refrigerado con diferentes integraciones energéticas y finalmente con propano, el cual se encuentra en un ciclo de refrigeración cerrado. Una vez separado el amoníaco con pureza comercial se expandirá hasta 18 bar empleando una turbina para su almacenamiento. El gas de recirculación se emplea en las integraciones y antes de ser devuelto al principio de la sección es purgado para la eliminación de oxígeno del sistema y comprimido. La corriente de purga ha de ser enviada a un sistema de tratamiento de gases en el cual se eliminará el amoníaco empleando un lavado con agua para evitar contaminación del medio natural. En este proceso se emplean como materias primas aire y agua, siendo el agua captada de un río cercano con una gran importancia medioambiental. Además, se emplean corrientes de agua de refrigeración y vapor de baja presión para acondicionar distintas corrientes en la planta, aunque se trata principalmente de recuperar la máxima cantidad de calor posible. También se ha de tener en cuenta el elevado consumo eléctrico debido a los numerosos compresores, bombas y el electrolizador, teniendo este último el mayor consumo de toda la planta. Los efectos ambientales generados durante la operación de la planta de amoníaco son principalmente los que se describen a continuación: • Emisiones gaseosas. En este punto es necesario mencionar que pueden distinguirse las emisiones continuas debidas a la purga en el proceso, que pese a ser tratada puede conllevar emisiones de amoníaco, hidrógeno y nitrógeno, siendo este último inofensivo; y las emisiones puntuales debidas a fugas, por lo que se podrían emitir los mismos gases mencionados anteriormente, pero de forma menos controlada. • Efluentes líquidos. Los efluentes líquidos mayoritariamente serán del tipo puntual, debidos a fugas de agua, oxígeno y nitrógeno criogénicos, electrolito (disolución de KOH) y amoníaco. De forma continua los efluentes líquidos se tratarán de agua, que podría contener trazas de electrolito y alguno de los gases mencionados anteriormente en muy Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 5 de 36 pequeñas cantidades. Estas serán derivadas a una planta de gestión de residuos. • Aguas residuales. Estas serán debidas a limpieza de equipos y al uso general en la planta, junto con las aguas pluviales. • En lo que respecta a residuos se ha de tener en cuenta el catalizador empleado en el equipo de desmineralización y el del reactor de síntesis de amoníaco. Además de posibles repuestos de algunos equipos como juntas y electrodos para el electrolizador y los residuos de las obras durante la fase de construcción de la planta. • Finalmente, los ruidos. Se consideran contaminación a un conjunto de sonidos no armónicos o descoordinados que provocan una sensación desagradable. En esta planta destacan los distintos equipos de impulsión de fluidos como son los compresores y las bombas, aunque estas últimas en menor medida. 2.1. Justificación de la ubicación La localización seleccionada para este proyecto es la Plataforma Lógístico e Industrial de Salvaterra e As Neves o PLISAN, situada en la comarca de O Condado, área Metropolitana de Vigo, entre los municipios de Salvaterra de Miño e As Neves, en el sur de la provincia de Pontevedra. Se decide utilizar esta localización debido a su proximidad al río Miño, fuente de una materia prima principal para el proceso, además de presentar una buena calidad del aire, otra importante materia prima, y puesto que tiene buenas conexiones para Galica y hacia el país vecino, Portugal, que es uno de los mayores importadores de amoníaco de España. Debido a la proximidad del polígono PLISAN de otros polígonos importantes en el sur de Galicia y en el norte de Portugal, desde este proyecto se tratará de abastecer de amoníaco la demanda en los mercados locales. Algunos des estos polígonos son el Polígono Industrial A Granxa y el Polígono Industrial de As Gándaras, ambos en O Porriño, el Parque Tecnológico y Logístico de Vigo, el Parque Empresarial de Pereiro de Aguiar en Ourense, el Polígono Industrial de Baión en Vilanova de Arousa, Polígono Industrial de A Pasaxe en Pontevedra, el Parque empresarial de Fulão en Vila Nova de Cerveira o la Zona Industrial do Entroncamento en Ribeira da Pena en Portugal, entre otros. La Plataforma Lógístico e Industrial de Salvaterra e As Neves está constituída por dos zonas, norte y sur, siendo la zona norte la más nueva con un total de 276.070,33 m2 de superficie destinados a distintos usos industriales y que posee, junto con el resto de la PLISAN conexión con el centro peninsular mediante la A-52, con el norte de Galicia mediante la AP-9 y con el norte de Portugal mediante la A-55; además está conectado con la terminal de ferrocarril en la línea FFCC Madrid-Orense-Vigo-Puerto de Vigo y el puerto de Vigo se encuentra a 35 km. 3. EVALUACIÓN DE LAS PRINCIPALES ALTERNATIVAS A continuación, se detallarán las diversas alternativas para la producción de amoníaco que se han tenido en cuenta, para finalmente justificar la selección de la alternativa seleccionada, que será la obtención de amoníaco verde mediante el ciclo de síntesis Haber-Bosch partiendo de nitrógeno e hidrógeno, obtenidos a partir de fuentes de materia y/o energía renovables. La principal diferencia entre las distintas alternativas para este proceso es la forma de obtención del hidrógeno y del nitrógeno. Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 6 de 36 3.1. Reformado con vapor El reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos ligeros es la alternativa más empleada para la obtención de hidrógeno en España. Este proceso consta de una serie de etapas: la desulfuración de gas natural, el reformado, la purificación y la compresión y síntesis de amoníaco. (2) Mediante la desulfuración del gas natural se busca reducir el contenido de azufre presente, puesto que se emplea un catalizador de azufre que sufre envenenamiento por la presencia de azufre. Para llevar esto a cabo se hace reaccionar el hidrógeno del ciclo de síntesis con los compuestos azufrados para eliminarlo posteriormente haciéndolo pasar por un lecho con partículas de óxido de zinc, produciendo sulfuro de zinc. (2) A continuación, se produce el reformado, empleando dos reformadores en los cuales se produce gas de síntesis a partir de metano y en el segundo se añade aire para continuar produciendo gas de síntesis y añadir el nitrógeno necesario para la reacción. Por último, en la purificación, el gas de la etapa anterior será alimentado a un convertidor, en el que el CO se convierte en CO2 mediante una reacción con agua, para posteriormente ser absorbido en otro equipo, las trazas de CO y CO2 restantes se hacen reaccionar con H2 para obtener metano. A lo largo de este proceso se producen diversas emisiones gaseosas, como lo son el CO, CO2, NOx, SO2, NH3 y COVDM (Compuestos Orgánicos Volátiles Distintos de Metano). 3.2. Oxidación parcial de hidrocarburos Consiste en obtener gas de síntesis a partir de los hidrocarburos a temperaturas elevadas y en presencia de una cantidad de oxígeno restringida y se trata del segundo método más empleado. (3) La oxidación parcial es un proceso complejo donde se llevan a cabo varias reacciones de forma simultánea, en las que reacciones distintos compuestos de carbono simples (CXHX) dando lugar a monóxido de carbono e hidrógeno. (3) Esta alternativa permite reducir los costes asociados al aporte energético y el coste de capital, puesto que los materiales de construcción exigen menores especificaciones al ser la unidad de reacción más simple. (3) 3.3. Gasificación de Carbón La producción de amoníaco a partir de carbón es la alternativa más empleada en China. En este caso, el gas de síntesis es obtenido mediante la gasificación de carbón. Se comienza condicionando el carbón en un gasificador donde este se transforma en gas de síntesis (H2, CO, CO2) y metano. Se emplea oxígeno obtendo desde la unidad de separación de aire (ASU), a partir de la cual también se obtiene el nitrógeno que se empleará en la producción de amoníaco en la reacción Haber-Bosch. (4) Tras la gasificación, se han de eliminar partículas del gas de síntesis, empleando una unidad SGS (Sour Gas Shift), en la que se inyecta vapor de agua que reacciona con el CO para dar dióxido de carbono e hidrógeno, reduciendo la presencia de CO. Es necesario aplicar un catalizador de cobalto-molibdeno apto para ambientes sulfurosos. (4) A continuación, el gas se alimenta a una unidad destinada a la eliminación de gases ácidos (AGRU, Acid Gas Removal Unit), en la cual se emplea una disolución de metanol Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 7 de 36 para eliminar el CO2 y el azufre presente en el gas de síntesis. El CO2 extraído se puede alimentar a una planta de urea, mientras que el azufre es introducido a una unidad de recuperación de azufre (SRU). (4) El gas de síntesis obtenido de la unidad AGRU puede ser purificada mediante una unidad de lavado con nitrógeno, mediante el cual se elimina el CO y CH4 residual, o mediante un sistema PSA (Pressure Swing Adsorption), antes de alimentarlo al reactor. (4) 3.4. Procesos biológicos para la obtención de H2 Dentro de este tipo de procesos se pueden distinguir 3: la biofotólisis, la fotofermentación y la fermentación oscura. Estas alternativas serán una vía importante para la valorización de residuos, permitiendo alcanzar una economía cirucular, además de permitir la recuperación de CO2. Pero actualmente estos procesos no son aplicables a escala industrial, si no que se encuentran relegados a escalas planta piloto. Debido a esto no se hará un análisis más detallado de ellos en este apartado. 3.5. Procesos térmicos para la obtención de H2 Entre los proceso térmicos para la obtención de hidrógeno pueden distinguirse los métodos de gasificación y pirólisis; las cuales se diferencian en la cantidad de oxígeno empleado. En la gasificación permite presencia de oxígeno en ciertos niveles, mientras que la pirólisis requiere la ausencia de oxígeno. 3.5.1. Gasificación Es la alternativa con mejor rendimiento dentro de los métodos térmicos para producción de hidrógeno a partir de biomasa. Se puede emplear biomasa de diversas procedencias, como residuos agrícolas, forestales o la fracción orgánica de los residuos urbanos, fomentando la economía circular. Durante el proceso de gasificación, en cual la biomasa ha de alcanzar los 700 ºC en presencia de oxígeno inferior al estequiométrico y vapor de agua, se produce gas de síntesis (CO, CO2 y H2) entre los cuales hay gases de efecto invernadero, aunque se hace reaccionar una gran parte del CO con agua para producir más dióxido de carbono. Además, se pueden producir otros subproductos de la combustión con gran efecto invernadero como NOX o SO2, dependiendo de la biomasa empleada. Además, también se producen residuos sólidos como lo son las cenizas y el alquitrán. (5) 3.5.2. Pirólisis La pirólisis de biogás es otro método para la producción de hidrógeno a partir de biomasa. Es necesario producir el biogás o biometano mediante la fermentación de biomasa en ausencia de oxígeno, a partir del cual se obtiene metano y dióxido de carbono principalmente, con la posibilidad de tener como subproductos de nuevo NOX y SO2, dependiendo de la biomasa empleada. Una vez obtenido y depurado el metano se aplica el proceso de pirólisis, llevando el metano a temperaturas de entre 800 y 1200 ºC en ausencia de oxígeno y agua, de forma que se obtiene hidrógeno y como subproducto carbón. Requiere un gran aporte de energía pues la reacción es endotérmica. (5) Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 8 de 36 3.6. Electrólisis de agua La electrólisis del agua consiste en la ruptura del enlace entre los hidrógenos y el oxígeno gracias a la aplicación de voltaje y corriente al agua, que provocan que estos se liberen en estado gaseoso, en un equipo conocido como electrolizador. Si la electricidad se genera mediante energías renovables como la eólica, solar, etc, entonces, dado que no se producen emisiones de CO2 en el proceso, el hidrógeno obtenido se clasifica como hidrógeno verde. (5) Actualmente, existen tres tipos de electrolizadores que se pueden clasificar en base al electrolito empleado en la celda de electrólisis: electrolizadores alcalinos (AWE), electrolizadores de membrana polimérica (PEM) y electrolizadores de alta temperatura (SOEC) donde el electrolito empleado es un óxido sólido. (6) Se ha seleccionado esta tecnología para la producción del hidrógeno necesario en el proceso, entre las razones que llevan a esto son su escasez de emisiones de gases y otros residuos, puesto que en caso de emplear energía eléctrica procedente de fuentes renovables como la eólica o la solar, este podría tratarse como neutro en carbono. Los gases de salida del equipo serán oxígeno, hidrógeno y vapor de agua, siendo el hidrógeno el gas empleado en el proceso y el oxígeno podría ser emitido a la atmósfera sin ningún perjuicio. Pese a esto hay que destacar que el consumo de electricidad será elevado y además se empleará agua en cantidades considerables, aunque siempre se respetará el caudal ecológico del río del cual se obtiene el agua. En este caso y en las alternativas en base a biomasa, se ha de obtener el nitrógeno por otros medios, puesto que no se empleará aire en la producción del hidrógeno. 3.7. Destilación criogénica de aire La destilación criogénica de aire también conocida como la unidad de separación de aire o air separation unit (ASU) es la tecnología más empleada para obtener nitrógeno y oxígeno. Se sustenta en la diferencia entre las temperaturas de condensación de los distintos compuestos que forman el aire. En el proceso más simple, que solo permite obtener nitrógeno se emplea un filtro para eliminar las partículas, se comprime, se retira la humedad y el CO2 mediante el uso de zeolitas y se enfría el aire hasta la licuefacción. Este gas licuado se introduce en una columna de destilación criogénica (temperaturas de -173 ºC) en la cual se obtiene nitrógeno por cabezas y una mezcla muy rica en oxígeno por colas. (7) (8) Este será la tecnología empleada pese a que requiere una gran cantidad de energía debido al uso de un gran número de compresores. 3.8. Adsorción por cambio de presión El proceso de adsorción por cambio de presión (PSA, Pressure Switch Adsorption) se basa en la difusión cinética más rápida de las moléculas de oxígeno en los poros de un tamiz molecular de carbono frente a las moléculas de nitrógeno, lo cual permite la separación de este último. (7) La adsorción de oxígeno se realiza tras comprimir y purificar el aire. Posteriormente se alimenta a los tanques que contienen el tamiz molecular, en los que se produce la adsorción del oxígeno, mientras que el nitrógeno lo atraviesa y puede ser almacenado. Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 9 de 36 Parte del nitrógeno se emplea para recuperar el tamiz molecular retirando el oxígeno de uno de los tanques mientras el otro está en funcionamiento, de esta forma se regenera el tamiz molecular. (9) En esta metodología se necesita también del empleo de compresores, pero en menor cantidad debido a que no se emplean temperaturas criogénicas. No se emplea debido a otros problemas relacionados con su operación 3.9. Separación por membranas Este sistema consiste en un haz de fibras de polímero de pequeño diámetro que se encuentran dentro de una cubierta exterior protectora que permite separar el nitrógeno del oxígeno del aire gracias al fenómeno de permeación. En primer lugar, el aire se comprime, se purifica y se seca, antes de ser alimentado a las membranas, de forma similar a las metodologías anteriores. Gracias a que los gases penetran a distintas velocidades es posible separar el nitrógeno, ya que el oxígeno penetra más rápido, por lo que abandona antes el sistema. De esta forma, el aire de alimentación se separa en dos corrientes, una de oxígeno y otra de nitrógeno. (7) De forma similar a la tecnología anterior, tendría menor consumo energético que la destilación criogénica, pero debido dificultades de proceso no se empleará. 3.10. Justificación de la alternativa Para la producción de hidrógeno se opta por la electrólisis alcalina pese a su elevado consumo energético debido a que permite obtener H2 sin emisiones directas de gases contaminantes o de efecto invernadero y es la más viable industrialmente. Para el caso del nitrógeno la elección de una u otra tecnología depende principalmente de la capacidad de producción de nitrógeno necesaria, la pureza requerida y de los costes económicos asociados. Puesto que tanto la adsorción por cambio de presión como la separación por membranas necesitan de un equipo a mayores para poder emplear la corriente de nitrógeno en el ciclo de síntesis (debido al contenido de oxígeno) y a la menor capacidad de producción se opta por la destilación criogénica, aunque presente un mayor consumo energético. Por otro lado, aunque sí existen distintas posibilidades en el ciclo de síntesis y presentan distintas condiciones de temperatura y presión, estas no se diferencian demasiado entre sí, por lo que desde un punto de vista medioambiental no serían distintos de forma general, y ya son tratados en el apartado de Estudio de Alternativas en la Memoria del proyecto. 3.11. Mejores Técnicas Disponibles (MTD) Las mejores técnicas disponibles se definen en el apartado 11 del artículo 2 de la Directiva del Consejo 96/61/CE como “la fase más eficaz y avanzada de desarrollo de las actividades y de sus modalidades de explotación, que demuestren la capacidad práctica de determinadas técnicas para constituir, en principio, la base de los valores límite de emisión destinados a evitar o, cuando ello no sea practicable, reducir en general las emisiones y el impacto en el conjunto del medio ambiente”. (10) Para las plantas de producción de amoníaco existe un BREF en el cual se tratan las MTD que hacen referencia a sus procesos de producción, Mejores Técnicas Disponibles de referencia europea: Industria Química inorgánica de gran volumen de producción Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 10 de 36 (Amoníaco, ácidos y fertilizantes). En su apartado 2.4.26 se trata la producción de amoníaco empleando hidrogeno de la electrólisis de agua, se menciona que el hidrógeno empleado es de alta pureza, con un contenido de oxígeno muy bajo (0,1-0,2%), como se ha mencionado en el diseño del electrolizador. Además, menciona que las emisiones directas empleando este proceso de producción son mínimas comparándolo con otras tecnologías, como se ha mencionado anteriormente. Además, se comenta que este tipo de plantas pueden diseñar hasta una capacidad de 500 t/d, pero que no se suele considerar económicamente viable debido al alto coste de la energía eléctrica; lo cual se podría solventar gracias a la disponibilidad y empleo de energías renovables. En el mismo documento se mencionan las MTD de aplicación general en el apartado 1.5, siendo las más destacables para este proyecto en el ámbito de las mejoras de rendimiento ambiental: (10) • Reciclaje y redirección de flujos másicos. • Aumentar la integración de calor. • Reducir los volúmenes y cargas de aguas residuales reciclando los condensados, las aguas de proceso y las aguas de lavado. • Aplicar sistemas de control de proceso avanzado. • Mantenimiento. En el BREF se reconoce que entre un 2 y un 3 % de la energía total consumida a nivel mundial es empleada en la producción de fertilizantes, siendo los fertilizantes nitrogenados los que más contribuyen a aumentar el gasto energético. Una gran parte de esta energía se emplea para fijar el nitrógeno atmosférico durante la producción de amoníaco. A pesar de que se requieren grandes cantidades de energía debido principalmente al empleo de altas temperaturas y presiones, las mejoras en el rendimiento de los equipos a permitido a este sector reducir el consumo energético y ser más eficaz energéticamente. Cabe mencionar que, en el caso descrito actualmente, también existirá una parte muy importante de consumo energético a la hora de obtener hidrógeno mediante electrólisis de agua. 3.12. Posibles impactos ambientales y socioeconómicos Una vez descritos el proceso de producción y las distintas alternativas propuestas, se listarán las acciones que durante el ciclo de vida de la planta de producción de amoníaco podrían producir impactos ambientales significativos. Se distinguirán 3 fases en el ciclo de vida del proyecto: la construcción, la operación y el desmantelamiento. La lista se recoge en la Tabla 1. Tabla 1. Acciones que pueden causar impactos ambientales a lo largo del ciclo de vida del proyecto Fase Acción Construcción Acondicionamiento del terreno Cimientos y estructuras Instalaciones de obra Tránsito de vehículos pesados Fase de Explotación Ocupación del terreno Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 17 de 36 Es importante tener en cuenta que dentro de esta gran biodiversidad existen algunas especies en peligro de extinción como el milano real (Milvus milvus), la cerceta común (Anas crecca), avefría europea (Vanellus vanellus) y la agachadiza común (Gallinago gallinago); y otras vulnerables como el sábalo (Alosa alosa), el espinoso (Gasterosteus gymnurus), el murciélago ratonero grande (Myotis myotis), el murciélago pequeño de herradura (Rhinolophus hipposideros), el murciélago grande de herradura (Rhinolophus ferrumequinum) y la chocha perdiz (Scolopax rusticola). También se trata de un área potencial para el galápago europeo (Emys orbucularis) y del alcaraván común (Burhinus oedicnemus) ambos con sus respectivos planes de recuperación y conservación. (11) En lo que respecta a la flora y la fauna de la zona, esta no debería ser afectada por la construcción de la planta puesto que será construida en terreno destinado a la industria. Además, debido a que no se producen vertidos ni emisiones contaminantes desde la planta de forma normal, la actividad industrial desarrollada no implicaría ningún riesgo para la las especies de plantas o animales de las proximidades. (11) 4.3.3. Red Natura 2000 La Red Natura 200 se trata de un conjunto de espacios naturales protegidos en la Unión Europea. Están forpados por las Zonas de Especial Protección para las Aves (ZEPA) y por Zonas Especiales de Conservación (ZEC) o Lugares de Interés Comunitario (LIC). El objetivo es asegurar la supervivencia a largo plazo de las especies y los hábitat en Europa, fomentando la detención de la pérdida de biodiversidad. Se trata del principal instrumento para la conservación de la naturaleza de la Unión Europea. (15) En las proximidades del polígono industrial se encuentra la ribera del río Miño (Figura 5) la cual pertenece a la Red Natura 2000 en calidad de Lugar de Interés Comunitario con el códiogo ES1140007, el cual engloba el curso bajo del río Miño, con unos 76 km de longitud, discurriendo sin interrupciones a lo largo de las comarcas del Baixo Miño, O Condado y A Paradanta, entre la presa de A Frieira y la desembocadura en A Guada. Además, incluye numerosos curos de arroyos cercanos que son afluentes del río Miño. Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 18 de 36 Figura 5. Zonas pertenecientes la Red Natura 2000 próximos a la zona de estudio. Fuente: Ministerio para la Transición Ecológico y el Reto Demográfico. (15) En este tramo el río presenta una baja sinuosidad y una pendiente media escasa, pudiendo superar los 400 metros de ancho en algunas secciones. Se producen cambios geomorfológicos y ecológicos debidos a la influencia de las mareas, lo cual afecta los últimos 35-40 km de cauce. La flora y la fauna, ya descritas anteriormente, destacan por su diversidad. (11) Cabe destacar que pese a encontrarse cerca de esta área natural protegida y con gran biodiversidad, la industria que se intalará no afectará a la zona protegida, puesto que no se producirán vertidos ni emisiones perjudiciales, pero se ha de tener especial cuidado, sobre todo durante las fases de construcción y desmantelamiento, con las emisiones y cualquier vertido, tratando de preservar el medio natural de las proximidades. 4.4. Medio socioeconómico La zona de estudio se encuentra en la zona sur de Galicia, concretamente en el sur de Pontevedra, en el límite de la frontera con Portugal. Se muestra un elevado grado de antropización derivada de las actividades llevadas a cabo a lo largo de muchos años. Debido a el aprovechamiento del terreno para la ganadería y la silviculturas se ha modificado en gran medida el suelo no urbanizable, se han aumentando las zonas ocupadas por pasto, matorral y plantaciones en detrimento de las masas forestales autóctonas dominadas por el roble (Quercus Robur). En los últimos tiempos destaca la artifiacialización del enterno mediante la construcción de grandes infraestrucutras como la autovía de las Rías Baixas (A-52) o la multitud de líneas eléctricas de alta, media y baja tensión. En cuanto a urbanización, en la zona no ha aumentado de forma considerable desde el punto de vista de núcleos importantes de población, pero éste territorio se caracteriza por la presencia de una urbanización dispersa, habitualmente siguiendo la traza de caminos y carreteras, o bien conformando pequeñas agrupaciones vecinales en entornos rurales congregadas alrededor de una parroquia; lo cual implica que existe una presencia Ubicación aproximada de la planta de amoníaco Zona Red Natura 2000 Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 19 de 36 de zonas habitadas de forma constante, tanto en pequeñas concentraciones como manteniendo una cierta linealidad. Pese a que una gran parte de la superficie del ámbito de estudio está ocupada por áreas rurales y forestales, las actividades agropecuarias y silvícolas no posee un gran peso en la economía de la zona, si no que una gran parte de la población se ocupa en actividades del sector secundario o terciario, principalmente en la ciudad de Ourense, Vigo o en su área metropolitana. 4.4.1. Población La evolución de la población de los municipios de Salvaterra de Miño y de As Neves puede verse en la Figura 6. Se puede observar que la población de Salvaterra ha aumentado a lo largo de los años, alcanzando en los últimos años los 10.000 habitantes, mientras que la población de su municipio vecino As Neves ha ido perdiendo población en todo el periodo del que se posee datos. La población en la comunidad autónoma, al igual que en estos dos municipios se encuentra repartida de forma no uniforme a lo largo del territorio. Figura 6. Cifras Oficiales de Población en los municipios de Salvaterra de Miño y As Neves. Elaboración propia a partir de datos del INE. (16) En Galicia, igual que en As Neves, se está detectando un cierto retroceso demográfico, el cual se debe al descenso de la natalidad y al envejecimiento de la población. De forma general el caso de As Neves, en la mayoría de los municipios de la provincia gallega se está produciendo una despoblación generalizada, con contadas excepciones como en este caso Salvaterra de Miño. El Área Metropolitana de Vigo aporta dinamismo a las áreas cercanas, de forma que algunos municipios se ven beneficiados por ello, como puede ser el caso de Salvaterra. (11) La creación de empresas fomenta el crecimiento de la población y su empleabilidad lo cual ayudará a acrecentar los aumentos de población y a desarrollarlos en las poblaciones cercanas. 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 1996 2001 2006 2011 2016 2021 Nº de habitantes Cifras Oficiales de Población As Neves Salvaterra de Miño Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 20 de 36 4.4.2. Economía De forma general, la economía de Galicia se encuentra fuertemente relacionada con los recursos naturales, aunque en los últimos años se han acentuado más las diferencias entre el interior y las áreas de costa, siendo estas últimas las que mayor desarrollo industrial y económico han tenido. Destacan entre estas ciudades A Coruña y Vigo, junto con sus áreas metropolitanas. De forma histórica, las actividades del sector primario como la pesca, la agricultura y la ganadería presentan una gran importancia en la economía gallega, pero con los años su importancia va disminuyendo, en parte debido que el pequeño tamaño de las explotaciones no las hace competitivas. El sector secundario aporta el 28,8 % del PIB gallego, con una contribución destacada del sector energético y de la construcción. En el terreno industrial destacan las actividades ligadas a recursos naturales como las conservas y la producción de vehículos a motor y complementos. De forma más específica, en la comarca de O Condado, en la que se encuentra Salvaterra de Miño, gracias a la proximidad de las áreas industriales y urbanas de Vigo, O Porriño y Mos, una gran parte de la población de esta comarca se desplaza para realizar sus actividades ha estes lugares, dando lugar a que una gran parte de la población activa ocupada se encuentre en el sector terciario, seguido por el sector industrial y la construcción, mientras que en menor mediada se encuentran el sector primario. Existe una complementariedad económica, teniendo una gran relevancia del sector agropecuario en Mondariz, As Neves y Salvaterra do Miño mientras que Mondariz Balneario se centra en el sector servicios. El viñedo es una de las principales producciones agrícolas, aunque también existe cultivo de patata y kiwi. La pesca fluvial se concentra en la lamprea, el salmón y sable, gozando de gran importancia gastronómica en la localidad. 4.4.3. Paisaje Se entiende por paisaje aquellas partes del territorio que se perciban como tal por el ser humano. Para poder valorar los factores humanos y naturales junto con las interacciones de estes. La ubicación de la planta será dentro de un polígono industrial, el cual se encuentra cerca del curso del río Miño. Este paisaje ofrece enclaves con un gran valor paisajístico que reflejan las buenas condiciones ambientales de las que goza el curso del río Miño, aunque ha sido modificado en gran medida para la realización de plantaciones y prácticas agrícolas diversas. Estas actividades también muestran las buenas condiciones ambientales que lo convierten en un paisaje propicio para ellas. (11) La construcción de esta planta no se considerará como una variación del paisaje puesto que la zona en la que se encuentra ya respondería actualmente con un paisaje de tipo industrial y no afectará al paisaje fluvial siempre que se respeten las medidas de seguridad y que se lleven a cabo las obras de construcción y posible desmantelamiento con la mayor control posible sobre la generación de polvos y residuos sólidos y líquidos. 4.4.4. Patrimonio cultural En los municipios de As Neves y de Salvaterra existes varios lugares e inmuebles de interés aqueológico y arquitectónico. En el municipio de As Neves destaca el patrimonio arqueológico como son el Monte Cividade, la Citania de Altamira, la Pedra Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 21 de 36 Moura, grabados rupestres A Rocha, Monte das Croas y Fental Minada. Mientras que en el municipio de Salvaterra de Miño destaca el patrimonio arquitectónico como el recinto amurallado de Salvaterra y el Castillo de Santiago de Aitona. (11) Es importante tener en cuenta que, aunque el patrimonio cultural de la zona es cuantioso, ninguno se verá afectado de forma directa o indirecta por las distintas fases de la planta de producción de amoníaco debido a la distancia de la localización de esta a las distintas ubicaciones del patrimonio anteriormente mencionados. 4.5. Riesgos y molestias 4.5.1. Ruido La legislación estatal vigente en materia de ruidos es la Ley 37/2003 de Ruido y el Decreto 1367/2007, de 19 de octubre, por el que se desarrolla la Ley 37/2003, de 17 de noviembre del Ruido, en lo referente a zonificación acústica, objetivos de calidad y emisiones acústicas. Aunque en esta ley no se establecen valores de emisión máximos, existen referencias de la Organización Mundial de la Salud en la que se establecen los valores máximos permisibles que se describen a continuación: (11) • Diurnos: o 70 dB: incompatibilidad con actividades como hoteles, oficinas, colegios, servicios, etc. • Nocturnos: o 55 dB: sueño alterado con las ventanas abiertas. o 60 dB: sueño y conversación alterados. o 65 dB: valor (referencia C.E.) que no debe ser sobrepasado en la fachada de los edificios en zonas residenciales. Teniendo en cuenta que en la planta el ruido estará relacionado principalmente con el funcionamiento de los equipos de impulsión, como máquinas y compresores entre otros, y que en su mayoría se encontrarán en el interior de edificios la influencia de estos será baja. Además, las áreas urbanas más cercanas y las riberas del río se encuentran a una distancia prudencial de la ubicación de la planta, de forma que la molestia por el ruido provocado por la planta debería verse muy reducido o incluso eliminado a la hora de alcanzar esas localizaciones. 5. VALORACIÓN DE IMPACTOS AMBIENTALES 5.1. Matriz de Leopold Para poder analizar los diversos impactos debidos a la construcción, explotación y desmantelamiento de la planta de produducción de amoníaco verde se empleará la Matriz Leopold, la cual consiste en tres elementos principales: una lista de efectos y de factores medioambientales y socioeconómicos que los sufren, una evaluación de importancia de cada uno de los efectos sobre los distintos factores listados y una evaluación global sobre el efecto combinado de todos los efectos, combinando su magnitud y su importancia. (17) Se han de representar en las columnas de una matriz las actividades que tienen lugar durante el ciclo de vida del proyecto, mientras que en las filas se representarán los factores ambientales considerados que han sido mencionados anteriormente. En las intersecciones se han de emplear 2 valores: el primer valor, M, indicará la magnitud, es decir, la intensidad del impacto considerando el grado o escala del mismo pudiendo tomar valores Documento III. Estudios con entidad propia Planta de producción de amoníaco verde a microescala Página 22 de 36 entre -5 y 5 cuyo signo será positivo si el impacto es beneficioso y negativo si no lo es; mientras que el segundo valor será la importancia (I) la cual denotará la extensión del impacto y que tomará valores entre 1 y 5. En ambas escalas los valores más elevados (en valor absoluto) denotarán mayor magnitud o importancia respectivamente. (17) 5.2. Factores ambientales En base al inventario ambiental comentado anteriormente se han tenido en cuenta los factores físicos, biológicos y socioeconómicos siguientes, los cuales serán empleados para evaluar el desempeño ambiental del proyecto en la localización designada y que se recogen en la Tabla 3. Tabla 3. Factores ambientales y socioeconómicos relacionados con la localización Medio Sistema Impacto FÍSICO SUELO Tasa de erosión Estructuras ATMOSFERA Calidad del aire Ruido AGUA Turbidez Toxicidad PAISAJE Calidad BIOLÓGICO FLORA Estructura y composición Hábitat FAUNA Hábitat SOCIO ECONÓMICO POBLACIÓN Migración TERRITORIO Uso de la Tierra ECONOMÍA Generación de Empleo CULTURA Sitio Arqueológico 5.3. Fase de Construcción En la fase de construcción, en base a los posibles impactos recogidos en la Tabla 1 se puede generar la Matriz de Leopold para esta etapa, relacionando los impactos con los distintos factores ambientales recogidos en la Tabla 3. Se puede obtener como resultado de las interacciones la Matriz de Leopold recogida en la Tabla 4 teniendo en cuenta lo detallado a continuación. [Document text truncated for crawler view.]