Introducción.
El alquitrán es un producto con con propiedades características características como color oscuro, oscuro, estado líquido, graso, pegajoso, pegajoso, viscoso de olor fuerte, constituido por la mezcla mezcla de muchas sustancias químicas las cuales pueden ser carcinogénicas o están clasificadas como sustancias sustancias tóxicas, tóxicas, el alquitrán se obtiene generalmente de destilación destructiva de materiales orgánicos (con excepción de los de estructura simple y bajo punto punto de ebullición) o carbonización carbonización de la hulla, los cuales contienen grandes cantidades de hidrocarburos y pequeñas cantidades de compuestos oxigenados, nitrogenados y sulfurados. De igual forma, pero en menor escala se obtiene por medio del gas de agua y el gas de aceite. Al momento de referirse a su composición no se habla de una fórmula específica, ya que varía dependiendo del tamaño de la cadena de carbonos.
En general, los alquitranes obtenidos a partir de la destilación destructiva o carbonización de la hulla, pueden tener diferencias significativas en el color; ya que este varía teniendo en cuenta la hulla de la que fue producido, la temperatura a la que esta fue carbonizada entre otros. Comúnmente, se suele confundir el término alquitrán con brea. La diferencia entre estos términos, no es precisa, pero se basa principalmente en sus características físicas, ya que si es un producto líquido de baja viscosidad a temperatura ambiente es llamado alquitrán, pero si por el contrario es muy viscoso, semisólido o de consistencia sólida se le conoce como brea.
Existen diversos usos del alquitrán en procesos industriales, construcción de carreteras por su adaptabilidad con casi todos los áridos, el alquitrán de hulla se utiliza como materia prima para la producción de varias sustancias químicas como carbolíneo que es una sustancia empleada para la conservación de la madera, el alquitrán de madera era utilizado para obstruir el casco de las embarcaciones de madera, para elaborar plásticos asfaltos, jabones pinturas entre otros, también en pomadas y ungüentos para la curación de enfermedades cutáneas como la psoriasis y eczema.
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1. OBJETIVOS.
1.1.
OBJETIVO GENERLAL.
Describir los procesos por medio de diagramas, de la obtención del alquitrán a partir de diferentes materias primas, teniendo en cuenta la importancia del alquitrán en el desarrollo e implementación de las actividades que requieren este producto para su culminación.
1.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS.
Explicar el proceso de obtención del alquitrán a partir del carbón y la hulla. Investigar el proceso de obtención del alquitrán por medio del petróleo. Detallar el proceso de obtención del alquitrán a base del gas de agua y gas de aceite. Denotar el proceso de obtención del alquitrán que proviene de la madera. Representar por medio de diagramas de proceso las diferentes formas de obtención del alquitrán. Profundizar la investigación en la producción del alquitrán, a de carbón.
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ALQUITRÁN. 2.
ALQUITRÁN DE MADERA.
En Europa la palabra alquitrán se usa para referirse a la sustancia que se consigue a partir de la madera, el alquitrán de pino, también llamado Estocolmo alquitrán o Brea de Arcángel, en algún momento fue importado desde el Báltico por países marítimos europeos para el tratamiento de los cascos de buques, techos, todavía es utilizado como aditivo en el sabor de dulces, alcohol y otros alimentos; fue un importante artículo de comercio desde el XVII al siglo XIX. Quemado es la pequeña cantidad producida a finales del siglo XX como un combustible crudo. Producción de carbón de las maderas duras, por el contrario, ha aumentado en los años noventa. Antiguamente era utilizada para impermeabilizar las embarcaciones, buques techos, todavía es utilizado como aditivo en el sabor de dulces, alcohol y otros alimentos. El alquitrán de madera se obtiene por pirolisis o carbonización de maderas duras como la haya, el abedul o el fresno que se efectúa en la mano facturación del carbón vegetal, la pirolisis consiste en la descomposición térmica de la materia orgánica en ausencia del oxigeno, es un proceso sencillo de bajo costo, ajustable a bajas cantidades de residuos, los cuales se pueden recuperan junto con la energía y volver a ser almacenados, este proceso busca la eficiencia energética mediante la generación de compuestos químicos y calor. También es el resultado de la calefacción o destilación en seco de maderas blandas como las especies del pino, la cual causa q los alquitranes y breas formen gases que no serán retenidos dejando solamente el carbón leña, este proceso consiste en la calefacción de materiales sólidos en seco, es decir sin adicionarle ningún liquido o solvente, el producto puede o no ser condensado y recolectado nuevamente. No hay estadísticas disponibles de cuanto alquitrán de madera se produce, pero casi todo se quema, los subproductos comerciales de la carbonización de la madera son únicamente el metanol, el metanol desnaturalizado, el acetato de metilo y el acido acético. El alquitrán de madera es una mezcla compleja de por lo menos 200 compuestos diferentes, entre los cuales se han aislado los siguientes: guayacol (2metoxifenol), 4-etilguayacol (2-metoxi-4-etilfenol), cresol (4-metilguayacol), 2,6xilenol, acido butírico, acido crotónico, acetol (1-hidroxi-2-propanona), butirolactona, maltol (3-hidroxi-2-metil-4H-piran-4-ona), tiglaldehido (2-metil-2propenal. Metil etil cetona, metil furil cetona, y 2-hidroxi-3-metil-2-ciclopenten-1ona.
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2.1.
Pirolis is de la m adera.
El proceso de pirolisis de la madera conduce al rendimiento de diferentes cantidades de gas, líquido y carbón, según las condiciones de operación, fundamentalmente velocidad de calentamiento y temperatura final. Cuando el carbón es el principal producto a obtener, la pirolisis debe efectuarse a bajas velocidades de calentamiento y temperaturas finales moderadas.
2.2.
Gasificación inc om pleta.
La gasificación al igual que la pirolisis ofrece una mayor versatilidad que la combustión como método de aprovechamiento de los residuos lignocelulósicos ya que la combustión tiene como único objetivo la obtención de energía. 2.3.
Destilación seca de la m adera.
La idea es igual a la destilación de madera normal de la madera que, consiste en elevar su temperatura en ausencia del aire u otros componentes que precipitan la condensación y que cada uno o entre varios monten una calderita de una pequeña capacidad, por ejemplo de un metro cúbico, junto con el hogar y aparato destilador sobre ruedas de modo que sea fácilmente transportable. A medida que se va talando, sobre zonas perfectamente delimitadas, se troza la madera y se destila allí mismo. Los productos de destilación recogidos se envían entonces a una fábrica rectificadora central donde se trabajarían los productos de todos los equipos. Como se podrá notar, es mucho más factible transportar, por ejemplo, una tonelada de líquido de destilación que toda la madera necesaria como para obtener este líquido. Como es sabido, a fin de poder continuar siempre el trabajo, hay que plantar árboles a medida que se van cortando los grandes a fin de repoblar.
3.
ALQUITRANES DE GAS DE AGUA Y GAS DE ACEITE.
Estos alquitranes son subproductos del gas fabricado por la gasificación de destilados o residuos del petróleo, en los generadores de gas de agua carburado y aceite. Pueden ser clasificados entre pesado y ligeros dependiendo de su obtención, en los primeros años de la fabricación de gas de agua los aceites empleados como carburantes fueron la nafta de petróleo y el gasóleo. Los alquitranes resultantes de estos gases eran de bajo peso especifico, baja viscosidad y poca brea, se emplearon como materiales aplicables en frio a las carreteras, los alquitranes ligeros da gas de agua y varios destilados se emplearon en la fabricación de ciertos tipos de pinturas y revestimientos bituminosos tintes de tejamaniles, tintes de tejamaniles, aislantes de conductos eléctricos y en combinación con el cloruro de cinc para el revestimiento de la
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madera, con el empleo de destiladores ligeros del petróleo para fabricar gas de agua y estos procedimientos se han adaptado al uso de residuos pesados del petróleo, por esta razón los alquitranes resultantes de estos carburantes son más densos, viscosos, tiene más brea y mayor proporción de materia insoluble en benceno, su rendimiento por galón de de aceite carburante es mucho mayor que el rendimiento de los alquitranes ligeros de gas de agua y aceite procedentes de la nafta y del gasóleo. Estos alquitranes pesados no sirven para fluidificar alquitranes de carretera aplicables en frio, pero se utilizan solos o en combinación con los alquitranes de hulla para la producción de diversos grados de materiales de alquitrán para carreteras. Esta es, asimismo la salida principal para los alquitranes de gasóleo. 3.1. Diagram a de proc eso del alqu itrán a partir del gas de agu a y gas de aceite.
4.
ALQUITRÁN DE PETRÓLEO
El alquitrán es un líquido viscoso, más o menos coloreado según su origen y presenta a veces un olor aceitoso o sulfurado muy pronunciado, obtenido bajo distintos procesos de destilación. Se encuentra en la mezcla del petróleo con hidrocarburos más o menos saturados, con algunos otros elementos oxigenados, sulfurados o nitrogenados, se debe considerar que estas son mezclas y no compuestos químicos definidos y de allí las diferencias de sus propiedades
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debido a que los petróleos crudos no sean iguales. Aunque es difícil clasificarlos de una manera determinada, se observa que el alquitrán es el aceite más leve que desprende el fuego primero, va adquiriendo su color y consistencia y va formando sus distintas composiciones. El alquitrán es en sí un subproducto del petróleo y por consiguiente es obtenido como un derivado de procesos de obtención de productos primarios como la gasolina, aceites, benceno, otros polímeros y otros productos aromáticos. Antes que el petróleo pueda utilizarse como combustible, lubricante, pavimento o materiales para productos químicos los componentes que lo constituyen deben ser separados, químicamente modificados de acuerdo a sus propiedades y a la demanda. El petróleo comienza a hervir a temperaturas inferiores a la del agua, entre 20 a 40°C, evaporando así los hidrocarburos con menor masa molecular. 4.1.
Destilación del petróleo.
El crudo se calienta a altas temperaturas y se lleva a la torre de fraccionamiento; que es metálica, llega hasta una altura de 60m, en su interior se alojan varios platos de burbujeo los cuales son como unas chapas perforadas en las cuales cada uno de sus orificios hay un cupón que actúa como tamiz para permitir una separación más eficiente. De esta forma los gases calientes ascienden por la torre atravesando el líquido más frío retenido por los platos de esta forma va quedando progresivamente graduada desde las temperaturas más altas donde se alojan las sustancias más pesadas y con altos puntos de evaporación hasta temperaturas menores a las de ebullición del agua en los cuales se alojan los gases más livianos ubicados en la parte superior de la torre, quedando así componentes con un punto de ebullición más bajo se ubican en la parte superior como el gases como: el etano, metano, propano y butano con una temperatura entre los 20° - 40 °C, luego siguiendo en una parte más baja la gasolina con una temperatura que se encuentra entre los 40 y los 180 °C, el queroseno con unas temperaturas que van desde 180° - 230 °C, los aceites ligeros con temperaturas que oscilan entre los 130° a 305 °C, los aceites pesados con unas temperaturas de 305° a 405 °C y depositándose en el fondo con temperaturas superiores a los 500 °C los líquidos más pesados como los alquitranes y asfaltos. El residuo que no destila se extrae desde la base de la torre y es sometido a una segunda destilación a vacío, que se practica a presión muy reducida con torres similares a la descrita anteriormente en una proceso denominado destilación secundaria o cracking en donde se separan nuevas fracciones de las cuales se desprenden aceites lubricantes, livianos, medianos y pesados quedando como residuo final el alquitrán o asfalto el cual es imposible de fraccionar.
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4.2.
Destilación secun daria o cracking .
Desde 1936 que comenzó a funcionar la primera unidad catalítica de lecho fijo, la tendencia ha aumentado en el empleo de procesos catalíticos para el craqueo que puedan producir gasolina de aviación y gasolina de alta calidad, la segunda guerra mundial con su alta demanda de combustible para la aviación aceleró significativamente el proceso de desarrollo de este sistema que finalizó con los sistemas canalización con lecho móvil. Después de la segunda guerra mundial se ha simplificado su funcionamiento y se han perfeccionado métodos de elevación por gas. La producción por medio del craqueo catalítico ha venido aumentando debido a que extrae en su mayoría los hidrocarburos y aceites, livianos y pesados dejando un material residual destilado (asfalto o alquitrán). El proceso de craqueo térmico aún usado hoy en día, emplea presión y calor con temperaturas que llegan hasta los 850*C, después se creó el método de craqueo catalítico con temperaturas que oscilan entre 450 a 500 usando temperaturas menos a las necesarias ante su proceso antecesor debido a que utiliza un catalizador para disminuir su temperatura de reacción, en el caso del petróleo es usado una arcilla que puede darse en forma de terrones, granos pequeños o como polvo superfino y su función es ayudar a desintegrar el petróleo junto con el calor y la presión y cual acelera el proceso de fraccionamiento de los componentes más livianos del petróleo. Una modalidad moderna de craqueo catalítico del petróleo es el proceso fluido. Este utiliza una máquina de que en algunos casos llega hasta sesenta metros de altura. A lo largo de kilómetros de tuberías y reactores circulan a elevadas temperaturas grandes cantidades de vapor, aire y catalizador pulverizado, a cierta altura de esta operación los finos granos de catalizador atrapan el carbón que fue separado del petróleo y dejan de actuar estos mediante la acción de un regenerador sin embargo, se quema y consume el carbón, el catalizador queda nuevamente en condiciones de funcionar seguidamente una y otra vez (se crea un ciclo cerrado). 4.2.1. Pro ces o.
La carga es un gas-oil que se vaporiza pasando por un horno vaporizador. La brea se separa en una torre y los vapores pasan a un horno recalentador donde se calientan a 500-510°C. Los vapores se mezclan con el catalizador que viene de y la mezcla llega a la cámara de reacción a reactor, donde se produce el cracking a presión normal y a 480°C. Los vapores ya transformados y la arcilla llegan a un separador donde las arcillas caen por gravitación y pasan a un horno regenerador que las depura quitándoles
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el carbón adherido para ser utilizadas nuevamente. Los vapores siguen a una torre fraccionadora de cuya cabeza se extrae nafta de gran poder octánico (70,80), de la parte media gas-oil que se lleva al cracking térmico y por la inferior un producto que vuelve al sistema por un reciclo. Mediante el desarrollo de este trabajo determinamos que la investigación para el proceso de obtención del producto se centrara en el proveniente de la hulla o carbón mineral, debido a que es el proceso más utilizado en la industria y del cual no solo se obtiene el alquitrán como subproducto, sino también una amplia variedad de productos. Además, profundizaremos en la obtención de este, mediante los hornos de coque.
4.3.
Diagrama de proc eso del alquitran a partir del petróleo.
5.
ALQUITRÁN DE HULLA.
La hulla, es un tipo de carbón que posee aproximadamente un 80 o 90% de carbono. Es dura y quebradiza de color negro mate. Pueden ser: secas y grasas, las grasas arden con mayor facilidad. Es el tipo de carbón más común y más antiguo que existe. La hulla es utilizada en la producción del coque, de la creosota, del cresol y del alquitrán. Es combustible, arde con desprendimiento de humo y genera gran cantidad de energía calorífica.
5.1.
Historia.
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La hulla, ha sido destilada desde hace muchos años; pero la destilación a nivel industrial de esta, inició en Inglaterra en el siglo XVIII. Inicialmente, se utilizaban pequeñas vasijas de forma cónica y cuello largo, de fundición, que se calentaban a bajas temperaturas. El principal uso en ese momento para el alquitrán de hulla, era para la construcción de navíos. La hulla obtuvo un gran apogeo en la primera parte del siglo XIX gracias a la utilización del alumbrado por gas de hulla en Londres y algunas ciudades británicas, pero este trajo consigo grandes cantidades de alquitrán para el cual no había un mercado suficiente. Como solución a este problema, gradualmente se implementaron nuevos usos comerciales para el alquitrán, como por ejemplo, la conservación de la madera, la construcción de carreteras, la producción de colorantes con productos químicos del alquitrán de hulla entre otros. Esto condujo a que la destilación del alquitrán se formara como una industria separada, particularmente en Alemania, Inglaterra y Estados Unidos. Gracias al impulso de estas industrias, las primitivas vasijas de fundición, fueron cambiadas por retortas horizontales refractarias de mayor capacidad y que permitían carbonizar la hulla a temperaturas más altas. Los hornos de coque, desarrollados en Francia, de igual manera, impulsaron la producción del alquitrán de hulla y la destilación de este, principalmente en Alemania durante el final del siglo XIX. Estos cambios en los equipos de carbonización de la hulla iban acompañados por cambios en las propiedades físicas y químicas de los alquitranes y de sus productos derivados. Nuevos cambios, a comienzos de este siglo se ven reflejados en la utilización de retortas verticales y en el mejoramiento de los hornos de coque, al igual que se están perfeccionando métodos para la carbonización de la hulla a bajas temperaturas. En general, se producen cuatro tipos de alquitrán de hulla, los cuales son: alquitrán de horno de coque, de retorta vertical, de retorta horizontal y alquitrán de baja temperatura.
5.2.
Propiedades.
Sus propiedades, dependen tanto de las materias primas (según la hulla) que se utilizan para su producción, como de las temperaturas a las que son carbonizadas. La temperatura es un factor muy importante, ya que gracias a esta pueden evidenciarse variaciones en la composición del alquitrán. Un ejemplo de esto, puede verse en el color del alquitrán; los alquitranes de hulla pueden diferenciarse mucho unos de otros, según la hulla y la temperatura de carbonización.
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El alquitrán de hulla, es un líquido viscoso de color oscuro o negro, graso y de ol or fuerte. Muchos de los componentes del alquitrán son considerados carcinogénicos y tóxicos, lo que trae consigo riesgos para la salud de una persona. La viscosidad es una de sus propiedades más interesantes; un experimento, realizado para fijar la viscosidad del alquitrán es el de “La gota de alquitrán”, una gota de este, tarda aproximadamente 9 años en caer convirtiéndolo en el experimento más largo de la historia y permitiendo fijar que la viscosidad del alquitrán es 100 mil millones de veces la del agua (500-1000 c.p.s) La composición química del alquitrán de hulla, se basa principalmente por: hidrocarburos aromáticos o alifáticos como los componentes principales, junto con oxígeno, azufre y nitrógeno que contienen compuestos heterocíclicos; fenoles; aminas; y posiblemente ácidos carboxílicos, cetonas y alcoholes alifáticos como constituyentes menores. Se ha estimado que el alquitrán de hulla puede contener a más de 10000 componentes diferentes, la mayoría de los cuales tienen puntos de ebullición por encima de 500 º c. Densidad a 20ºC g/cm3: d20= 1.887 x 10-3Ma + 0.808 d20= 7.337 x 10-4tbb + 0.890 Aplicable a alquitranes secos en horno de coquificación y aceites de alquitrán
5.3.
Prod uc ción d el alqu itrán d e hu lla.
5.3.1. Ho rno s de co qu e.
El horno de coque, es una de las estructuras mejor elaboradas y costosas, en la cual se excluye el aire para que no pueda ocurrir una combustión dentro del horno, ya que el calor es dado desde tubos laterales. Estos hornos, deben garantizar que pueden aguantar todas las tensiones a las que son sometidos, además de que pueden mantenerse herméticos aun después de la expansión por el calentamiento. 5.3.2. Coq uizado del car bón para la o bten ción del alq uitrán.
El carbón al momento de ser destilado por medio del calentamiento sin el contacto con el aire da origen a una amplia gama de productos sólidos líquidos y gaseosos. La cantidad de cada producto depende de la temperatura y del tipo de carbón que es utilizado. Si las temperaturas utilizadas están en un rango de 450 y 700°C se conoce como carbonización a baja temperatura, a las temperaturas por encima de los 900°C se les llama carbonización a alta temperatura. Con la carbonización a alta temperatura, se producen líquidos como: agua, alquitrán y
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aceite crudo ligero; teniendo en cuenta que la producción de alquitrán es relativamente baja. Una carga de carbón triturado, se suelta desde una vagoneta en la parte superior hacia dentro del horno, en el cual las paredes están a 1100°C aproximadamente. El carbón se nivela en el horno y se retira el calor. La carga se deja en el horno hasta que esté completamente coquizada y ya no haya evolución de materiales volátiles. La temperatura promedio en el centro de la carga es de 980°C y la del tubo es de aproximadamente 1290°C. Las temperaturas pueden variar teniendo en cuenta, el tiempo de carbón, la anchura del horno, el contenido de humedad y el tiempo de coquizado. Los hornos de coque, actualmente no se operan para producir grandes cantidades de alquitrán de hulla, si no para producir coque de la mejor calidad para las acerías. Al terminar el coquizado (aproximadamente 17 horas) se abren las puertas del horno, que están al final de este y toda la masa es empujada hacia afuera con la ayuda de un ariete accionado con electricidad. El coque se vacía en un carro de templado; este se templa con agua para enfriarlo y evitar que se incendie. El gas de la destilación destructiva junto con las partículas liquidas arrastradas, suben por medio de un cuello (como el de un ganso, fundido en hierro) hasta una tubería horizontal (conocida como tubería maestra), que está conectada con todos los hornos en serie. A medida que sale el gas de los hornos, se le rocía una solución débil de amoniaco en agua; esto logra condensar parte del alquitrán y del amoniaco. Los líquidos que se obtienen, se desplazan a través de la tubería maestra junto con los gases a un tanque de asentamiento en el que se separan teniendo en cuenta su densidad. Una parte de el licor de amoniaco, se bombea a las tuberías para ayudar en la condensación. Todo el alquitrán se sedimenta del licor de amoniaco y se mueve hacia los tanques de almacenamiento, para los destiladores de alquitrán o como combustible.
5.3.2.1.
Recup eración de los pro du cto s qu ím ico s del carbón.
La mezcla que sale del horno, básicamente consiste en: vapor de agua condensable, alquitrán, aceites ligeros y partículas sólidas del carbón. Estos gases pasan por la tubería maestra de productos sucios hacia el condensador en el cual se enfría a una temperatura de 75ºC. En esta, los gases se enfrían con agua hasta llegar a 30ºC . El gas es conducido a un aspirador el cual sirve para comprimirlo. En la compresión, la temperatura del gas sube hasta 50ºC. El gas pasa a un extractor final de alquitrán, en donde es arrojado por impactación contra una superficie metálica. En las industrias modernas, el extractor de alquitrán se puede reemplazar por precipitadores electrostáticos.
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5.3.2.2.
Desti laci ón del alq ui trán d e hu lla.
El alquitrán de hulla, producido por medio del horno de coque es una mezcla de muchos compuestos químicos, la mayor parte hidrocarburos aromáticos y fenoles. La mayoría de estos pueden ser separados y comercializados, esto se realiza por medio de la destilación. Los productos de esta destilación son:
5.4.
Aceites ligeros, que se obtienen a una temperatura de 200ºC. Estos a su vez se destilan para producir benceno, tolueno, xileno. Aceites intermedios o de creosota, a una temperatura entre 200 y 250ºC. Aceites pesados a una temperatura entre 250 y 300ºC. Aceite de antraceno, usualmente es a una temperatura de 300 y 350ºC. Brea.
Diagram a de pro ceso del alquitr án a partir de la hu lla.
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