NOx Recovery System Optimization

Abstract

O agravamento da crise climática nos últimos anos tem imposto uma mudança de paradigma no que toca ao tratamento e libertação de gases residuais. Os 〖NO〗_x são um grupo de gases resultantes de atividades antropogénicas, responsáveis pelo agravamento da poluição atmosférica. A fábrica de mononitrobenzeno (MNB) da Bondalti Chemicals, SA tem instalado um sistema de recuperação de gases 〖NO〗_x composto por duas colunas de absorção a operar em série, permitindo que estes sejam recuperados na forma de ácido nítrico, que será posteriormente reciclado no processo reacional. O trabalho desenvolvido teve como objetivo otimizar o sistema de recuperação de gases, de forma a maximizar a produção de ácido nítrico. O desempenho do sistema foi medido pela quantidade absorvida de gases 〖NO〗_x e pela produção de ácido nítrico. Numa primeira etapa, foi realizada uma revisão bibliográfica de forma a identificar os métodos mais utilizados na recuperação de gases 〖NO〗_x pela indústria. Concluiu-se ser a absorção reativa em colunas de pratos ou enchimento. A absorção reativa consiste na absorção de compostos gasosos por reação com um solvente líquido. Na recuperação de gases 〖NO〗_x o solvente líquido mais utilizado é a água, resultando na produção de ácido nítrico. As colunas de absorção de gases 〖NO〗_x operam geralmente em contra corrente, sob pressão, com introdução das correntes gasosas na base da coluna e correntes líquidas no topo. A solução de ácido nítrico produzida é seguidamente reciclada na etapa reacional do processo, reduzindo desta forma o consumo de ácido nítrico fresco, assim como diminuindo as emissões 〖NO〗_x nos gases de escape.O sistema de recuperação de gases 〖NO〗_x foi estudado através de análise da composição das correntes líquidas das duas colunas de absorção existentes na unidade de produção de MNB da Bondalti Chemicals. As correntes gasosas foram também avaliadas, no entanto utilizando as medições efetuadas por uma empresa externa. A recolha de dados experimentais foi feita durante um período de três semanas, permitindo compreender o comportamento do sistema, assim como identificar possíveis oportunidades de melhoria. O software Aspen Plus® foi utilizado para modelar e simular o sistema de recuperação de gases 〖NO〗_x existente na Bondalti Chemicals. De forma a replicar com precisão o desempenho do sistema, a prioridade recaiu na escolha do modelo termodinâmico mais adequado. Recorreu-se à ferramenta “Methods Assistant” disponível no Aspen Plus®, complementada por referências bibliográficas que indicaram o método NRTL como sendo o mais adequado para o sistema em estudo. Adicionalmente, foi realizada uma etapa de validação do modelo por comparação com dados termodinâmicos disponíveis na literatura, para um parâmetro específico, com os dados estimados pelo modelo escolhido. O passo de validação mostrou boa concordância entre os dados da literatura tanto para o ponto de ebulição quanto para a densidade. Em relação ao ponto de ebulição, para os intervalos de teores operatórios de ácido nítrico, os dados estimados pelo método NRTL diferiu em não mais que 2% dos dados retirados da literatura. Quanto à densidade, os resultados do método ENRTL foram os mais próximos dos dados experimentais, mas as diferenças chegaram a 6%. Após o desenvolvimento do modelo, foi realizada uma etapa de simulação no Aspen Plus® considerando as duas colunas A e B separadamente. Como ponto de partida, foram fornecidos ao software dados referentes aos fluxos de líquido e gás, bem como as condições de operação do sistema. Os dados fornecidos pela empresa externa referentes às correntes gasosas, bem como os dados da análise experimental das correntes líquidas foram utilizados para validação dos resultados da simulação.Uma análise de sensibilidade ao sistema simulado, permitiu avaliar a influência das condições de operação no desempenho do sistema. Constatou-se que a pressão de operação é a condição que mais influencia positivamente o desempenho do sistema. O sistema operando com pressão de operação mais elevada apresentou melhorias nas taxas de absorção de 〖NO〗_x, assim como na taxa de produção de ácido nítrico, em cerca de 11,5% e 13,5% para a coluna A, e para a coluna B de 25% e 19%, respetivamente. Adicionalmente, verificou-se que o modo de operação semi-contínuo da coluna B traduz-se em ciclos de operação irregulares que afetam negativamente o desempenho do sistema.Na etapa final do trabalho, foi realizado um passo de otimização, sugerindo uma reestruturação da configuração do sistema que permitisse superar as limitações impostas pelos ciclos de operação irregulares da coluna B. Verificou-se uma melhoria no desempenho do sistema, por redução de massa de gás residual 〖NO〗_x em aproximadamente 8,4% (0.22 kg/h) e por aumento da produção de ácido nítrico em aproximadamente 2,8% (2.36 kg/h), em relação ao sistema atual com ciclos pequenos.

A change in paradigm regarding the treatment and release of waste gases has been forced by the aggravation of environmental problems in the last decades. 〖NO〗_x are a group of gases resulting from anthropogenic activities responsible for the aggravation of atmospheric air pollution. Bondalti Chemicals Nitrobenzene (MNB) plant includes a 〖NO〗_x recovery system, composed of two scrubber columns operating in series, allowing these gases to be recovered in the form of nitric acid, and then recycled back to process. The present work had the goal of optimizing this recovery system in order to maximize nitric acid production. The system performance was measured by the absorption of 〖NO〗_x gases and nitric acid production.In the first place, a literature review was carried out in order to evaluate the most used methods for 〖NO〗_x abatement and recovery. It was found that the most common method is reactive absorption in tray or packed scrubber columns. Reactive absorption can be explained by the absorption of gaseous compounds by reaction in the presence of a liquid solvent. Most commonly for the recovery of 〖NO〗_x, the liquid solvent used is water, resulting in the production of nitric acid. Unlike physical absorption, reactive absorption promotes enhanced retention of the components in 〖NO〗_x gaseous streams, which are otherwise insoluble in water, through their chemical transformation into more soluble components. Reactive absorption of 〖NO〗_x is a complex process, with numerous kinetic and equilibrium reactions, in both gas and liquid phases, as well as heat and mass transfer phenomena.The scrubber columns operating in 〖NO〗_x recovery systems generally operate in counter-current, under pressure, with the gaseous stream being introduced in the bottom section of the column and the liquid solvent in the top section. The nitric acid solution produced is then recycled back to the reaction stage, reducing nitric acid consumption, as well as lowering 〖NO〗_x emission levels in the waste gas. The 〖NO〗_x recovery system was studied resorting to the analysis of samples collected from the liquid streams of both columns, at the Bondalti Chemicals MNB plant. The gaseous streams were also studied, however using measurements from an outsourced company. The analyses were carried out during a three-week period and allowed to understand the system behaviour, as well as to identify potential opportunities for improvement.Aspen Plus® software was used to model and simulate the 〖NO〗_x recovery system in use at Bondalti Chemicals. In order to replicate accurately system performance, the choice of the most suitable thermodynamic model was a priority. The Aspen Plus® tool “Methods Assistant” complemented by literature, suggested the NRTL method as the most suitable for the current system. Additionally, for particular parameters, a model validation step was carried out by comparing the thermodynamic data available in the literature, to the data estimated by the chosen model. The validation showed good agreement between data in the literature both for the boiling point and the density. Regarding boiling point, and for the operating range of nitric acid content, the NRTL prediction differed by no more than 2% from the literature data. As for the density, the ENRTL results were closer to the experimental data, but the differences reached 6%. Following the model development process, a simulation step with Aspen Plus® was carried out considering the two columns A and B separately. As a starting point, data regarding liquid and gas streams, as well as system operating conditions were provided to the software. The data provided by the outsourced company regarding the gaseous streams, as well as the data from experimental analysis of the liquid streams, were used as validation for the simulation results. A sensitivity analysis was carried out on the simulated system in order to understand the influence of absorption column operating conditions on the performance of the system. It was found, operating pressure to be the most positively influential condition to system performance. Higher operating pressure showed improvements in 〖NO〗_x absorption and nitric acid production rates, in about 11.5% and 13.5% for column A, as well as 25% and 19% for column B, respectively. Additionally, it was found that the column B semi-continuous operating mode leads to an irregular cycle behaviour that negatively affects system performance.In the final stage, an optimization step was carried out by suggesting a redesigned system configuration that allows to overcome column B irregular cycle behaviour, improving system performance by reducing 〖NO〗_x waste gas by approximately 8.4% (0.22 kg/h) and increase nitric acid production by approximately 2.8% (2.36 kg/h) comparing to the current system with small cycles.