U UN NII V V E ER R SSIID D A A D DN N A A C CIIO ON N A A LL D DE ELL C CE EN NTTR R O OD DE ELL P PE ER R Ú Ú
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA
UN INGENIERO QUÍMICO UNA EMPRESA
Cátedra:
INDÚSTRIAS QUÍMICAS
Docente:
Dr.MSC. PALACIOS VELASQUEZ Abraham
Alumnos:
LAURA CANCHARI, Juan REYES MUÑOZ Alcides MEZA RAFAEL, Alejandro
Ciclo:
VII “A”
Huancayo – Perú 2012
INTRODUCCIÓN
El gas natural ofrece una serie de importantes ventajas medioambientales sobre otros combustibles fósiles. En gran parte debido a su simplicidad química, es la más limpia combustión de todos los combustibles fósiles. El gas natural está compuesto principalmente de metano, con la mayoría de las impurezas eliminadas por el proceso de gas en el campo y planta de gas. El gas de síntesis está compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono, y muy a menudo, algo de dióxido de carbono. Posee menos de la mitad de densidad de energía que el gas natural. Se ha empleado y aún se usa como combustible o como producto intermedio para la producción de otros productos químicos. El gas de síntesis también se utiliza como producto intermedio en la producción de petróleo sintético, para su uso como combustible o lubricante a través de la síntesis de FischerTropsch, y previamente al proceso Mobil para convertir metanol en gasolina y la obtención de amoniaco.
MARCO TEÓRICO GAS DE SÍNTESIS El gas de síntesis o Sintegas es un combustible gaseoso obtenido a partir de sustancias ricas en carbono (hulla, carbón, coque, nafta, biomasa) sometidas a un proceso químico a alta temperatura. Contiene cantidades variables de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2).
MÉTODOS DE PRODUCCIÓN Según los diferentes métodos de producción 1 puede recibir diferentes nombres.
Gas de alumbrado o gas de hulla : Se produce por pirólisis, destilación o pirogenación de la hulla en ausencia de aire y a alta temperatura (1200-1300 °C), o bien, por pirolisis del lignito a baja temperatura. En estos casos se obtiene coque (hulla) o semicoque (lignito) como residuo, que se usa como combustible aunque no sirve para la industria del hierro. Este gas fue utilizado como combustible para el alumbrado público (luz de gas) a finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX. Contiene un 45 % de hidrógeno, 35% de metano, 8 % de monóxido de carbono y otros gases en menor proporción.
Gas de coque o gas de coquería : Se obtiene por calentamiento intenso y lento de la hulla (hulla grasa) con una combinación de aire y vapor, a alta temperatura, en las coquerías. Aparte del coque sólido fabricado, de gran interés para la industria siderúrgica y la síntesis de acetileno, se forma un gas que contiene hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno y dióxido de carbono).
Generador de gas a partir de fuel-oil
Gas de generador de gasógeno o gas de aire : Se obtiene haciendo pasar aire a través de una capa gruesa de gránulos de carbón o de coque incandescente. A mayor temperatura, mayor proporción de monóxido de carbono y menor proporción de dióxido de carbono Tiene escaso poder calorífico, mucho menor que el gas de agua, debido principalmente a la dilución con el nitrógeno atmosférico.
Gas de agua: Se obtiene haciendo pasar vapor de agua sobre coque a alta temperatura. Su llama es de color azul por lo que también se llama gas azul. Este gas se puede transformar en metanol o alcanos, empleando catalizadores heterogéneos apropiados. Esta reacción es fuertemente endotérmica por lo que requiere temperaturas muy altas.
Gas pobre: Se obtiene haciendo pasar alternativamente vapor de agua y aire sobre carbón incandescente (alternancia de chorros de vapor y aire), y es una mezcla de los dos métodos anteriores. Cuando el lecho de coque se ha enfriado a una temperatura a la que la reacción endotérmica ya no puede continuar, el vapor de agua es reemplazado por un chorro de aire. La formación inicial de dióxido de carbono (exotérmica) aumenta la temperatura del lecho de coque y va seguida por la reacción endotérmica en la que este (CO 2) se convierte en monóxido de carbono (CO). La reacción global es exotérmica, originando "gas pobre". El oxígeno puro puede sustituir al aire para evitar el efecto de dilución, y en este caso el poder calorífico es más alto.
Gas de agua carburado : Se obtiene mezclando gas de agua con petróleo gasificado en un carburador. Posee un poder calorífico más alto que los anteriores.
Gas ciudad: Se obtiene a partir de la oxidación de petróleo o algún derivado (fuel-oil, nafta) mediante vapor de agua y aire. Se debe eliminar el azufre para evitar la corrosión, y también el monóxido de carbono por su toxicidad. Ha sido reemplazado por el gas natural y los gases licuados del petróleo (GLP, como butano o propano) para todo tipo de fines, pues éste posee un poder calorífico doble. A veces se llama gas ciudad a cualquier gas de síntesis producido para abastecer el consumo doméstico y distribuido mediante redes de tuberías, ya sea obtenido a partir de carbón o de petróleo.
Gas natural sintético o gas de síntesis : Combustible que se fabrica a partir del carbón, del petróleo o de sus derivados, por métodos modernos, distintos de los procesos clásicos ya comentados: Reformado de gas natural con vapor de agua. Reformado de hidrocarburos líquidos para producir hidrógeno. Gasificación del carbón,8 de la biomasa, y de algunos tipos de residuos en instalaciones de gasificación. Gasificación integral en ciclo combinado o o o
o
UTILIZACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS El nombre gas de síntesis proviene de su uso como intermediario en la creación de gas natural sintético (GNS) y para la producción de amoníaco o metanol. El gas de síntesis también se utiliza como producto intermedio en la producción de petróleo sintético, para su uso como combustible o lubricante a través de la síntesis de Fischer-Tropsch, y previamente al proceso Mobil para convertir metanol en gasolina. El gas de síntesis está compuesto principalmente de hidrógeno, monóxido de carbono, y muy a menudo, algo de dióxido de carbono. Posee menos de la mitad de densidad de energía que el gas natural. Se ha empleado y aún se usa como combustible o como producto intermedio para la producción de otros productos químicos.
Cuando este gas se utiliza como producto intermedio para la síntesis industrial de hidrógeno a gran escala (utilizado principalmente en la producción de amoniaco), también se produce a partir de gas natural (a través de la reacción de reformado con vapor de agua) como sigue:
Con el fin de producir más hidrógeno a partir de esta mezcla, se añade más vapor y así se produce el desplazamiento de la reacción del gas de agua:
El hidrógeno debe separarse del CO 2 para poder usarlo. Esto se realiza principalmente por adsorción por oscilación de presión (PSA), limpieza de las aminas producidas y el empleo de reactores de membrana. El gas de síntesis producido en las grandes instalaciones para la gasificación de residuos puede ser utilizado para generar electricidad. Los procesos de gasificación de carbón se utilizaron durante muchos años para la fabricación de gas de alumbrado (gas de hulla) que alimentaba el alumbrado de gas de las ciudades y en cierta medida, la calefacción, antes de que la iluminación eléctrica y la infraestructura para el gas natural estuvieran disponibles.
Aplicaciones del gas de síntesis
TRATAMIENTO POSTERIOR DEL GAS DE SÍNTESIS
El gas de síntesis puede ser utilizado en el proceso Fischer-Tropsch para producir diésel, o convertirse en metano y en dimetiléter en procesos catalíticos. Si el gas de síntesis es tratado posteriormente mediante procesos criogénicos para su licuación, debe tenerse en cuenta que esta tecnología tiene grandes dificultades en la recuperación del monóxido de carbono puro si están presentes volúmenes relativamente grandes de nitrógeno, debido a que el monóxido de carbono y el nitrógeno poseen puntos de ebullición muy similares que son -191,5 ° C y -195,79 ° C, respectivamente. Algunas tecnologías de procesado eliminan selectivamente el monóxido de carbono por complejación / descomplejación del monóxido de carbono con cloruro de aluminio cuproso (CuAlCl 4), disuelto en un líquido orgánico como el tolueno. El monóxido de carbono purificado puede tener una pureza superior al 99%, lo que lo convierte en una buena materia prima para la industria química. El gas residual del sistema puede contener dióxido de carbono, nitrógeno, metano, etano e hidrógeno. Dicho gas residual puede ser procesado en un sistema de adsorción por oscilación de presión para eliminar el hidrógeno, y este hidrógeno puede ser recombinado en la proporción adecuada junto con monóxido de carbono para la producción catalítica de metanol, diésel por el proceso de Fischer-Tropsch, etc. La purificación criogénica (condensación fraccionada), que requiere mucha energía, no es muy adecuada para la fabricación de combustible, simplemente porque la ganancia de energía neta es muy reducida.
LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA El gas natural y el petróleo constituyen básicamente las materias primas a partir de las cuales la industria petroquímica obtiene a gran escala un gran número de productos con un amplio campo de aplicaciones. En el caso del petróleo, el hecho de que en su composición se encuentren presentes hidrocarburos de distinta naturaleza facilita una mayor diversidad en cuanto a posibilidades de aplicación. Las materias primas más demandadas en la industria petroquímica son: - El gas de síntesis (CO+H2), procedente del reformado del gas natural, -Las olefinas , procedentes principalmente del craqueo de las fracciones parafínicas gaseosas (C2 y C3), y - Los hidrocarburos aromáticos, procedentes del reformado de naftas principalmente, en particular el benceno. Estas materias primas, a partir de una serie de operaciones químicas, son transformadas en productos finales: plásticos, fibras sintéticas, disolventes, insecticidas, detergentes, etc. En las siguientes figuras se recogen los esquemas de aprovechamiento del metano, etileno, propileno, y benceno, considerados como los productos intermedios más importantes de la industria petroquímica.
1.-PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES Y OTROS PRODUCTOS QUÍMICOS POR SÍNTESIS FISCHER-TROPSCH La síntesis Fisher-Tropsch es la producción de hidrocarburos líquidos a partir de gas de síntesis (CO y H2), procedente de carbón ó de gas natural, por lo que es una alternativa a la producción de estos hidrocarburos a partir del crudo de petróleo. También se puede emplear la biomasa para producir el gas de síntesis en el proceso FisherTropsch. Las principales reacciones que tienen lugar son la formación de metano y de hidrocarburos de mayor peso molecular (y se controla la distribución de hidrocarburos a obtener a través de reacciones de polimerización):
Pero, otras reacciones que tienen lugar también son:
Esta última supone la formación de depósitos de coque.
2.- METANOL Y DERIVADOS El metanol se produce en unidades de gran capacidad de producción (2.000 Tm/a y mayores) a partir de gas de síntesis por reacción catalítica del hidrógeno con el CO y con el CO2: 2 H2 + CO CH3OH DH = - 22.000 kcal/kg 3 H2 + CO2 CH3OH + H2O DH = - 12.000 kcal/kg a presión del orden de 50 ata y con grados de conversión relativamente bajos, por lo que es preciso recircular al reactor el gas no convertido, una vez separado por condensación el producto de la reacción en forma de solución acuosa de metanol. Los modernos catalizadores de óxidos de cobre, mezclado con óxidos de zinc y de aluminio (que evitan su sinterización y consiguiente pérdida de actividad), proporcionan un metanol bruto mucho más puro que el que se obtenía hace años con los catalizadores de óxidos de cromo y zinc, que además requería mayor presión parcial de CO en el gas reaccionante. Como impurezas pueden aparecer éter de dimetilo, acetona, formiato de metilo, además del agua, que se separan por destilación, pero generalmente, con los catalizadores más modernos se consigue en una única destilación la calidad comercial sin necesidad de purificar el metanol bruto.
El proceso consta de cuatro unidades claramente diferenciadas: la de reformado con vapor de gas natural, la compresión del gas de síntesis, el denominado bucle de síntesis y la destilación. No es necesaria la unidad de conversión de CO, pues la relación más conveniente entre el hidrógeno y los óxidos de carbono se consigue operando convenientemente el horno de reformado. A la unidad de reformado con vapor se alimenta el gas natural, que puede contener CO2 y un reciclo de los ligeros que se separan en una primera destilación “flash” del metanol bruto. El gas saliente se enfría y el agua que condensa se separa. El compresor aporta el gas de síntesis al bucle en el que se encuentra el reactor con varios lechos de catalizador y enfriamiento intermedio por inyección de gas frío a la corriente procedente del lecho anterior. En el bucle de síntesis, el gas comprimido se calienta en un intercambiador de calor con el gas saliente del reactor antes de entrar en éste. A su salida se enfría primero con el gas entrante y finalmente con agua de refrigeración, separándose la solución acuosa de metanol que se lamina en una válvula reductora de presión. Los condensados de esta destilación constituyen el metanol bruto a concentrar y, en su caso, a depurar. Los vapores de la destilación “flash”ceden su energía en un expansor y se incorporan a la alimentación del horno de reformado. La fracción de gas no condensado a la salida del reactor se recircula mediante un compresor (que se denomina bomba de recirculación) para compensar las pérdidas de presión en este bucle. A la salida de este segundo compresor se incorpora el gas procedente de la unidad de reformado.
Para minimizar el consumo de energía se genera vapor a alta presión que, después de recalentado en la sección convectiva del reformador, se expansiona en las turbinas de contrapresión que mueven los compresores. El vapor de escape debe estar a presión mayor que la del gas en el horno para poderlo incorporar como reactivo. La purga del circuito de síntesis, necesaria para evitar el aumento progresivo de la concentración de inertes (metano fundamentalmente) se expande en una turbina y, si está exenta de nitrógeno, se recicla a la alimentación.
Propiedades y derivados del metanol
El metanol (alcohol metílico, alcohol de madera o de quemar) es el alcohol más volátil de todos los alcoholes (BP 65 ºC), es muy inflamable (punto de ignición 16 ºC) y tóxico, por lo que se usa muy poco como disolvente, a pesar de sus poder como tal. El principal derivado del metanol es el formaldehído (H2CO) que se comercializa en disolución acuosa o como trioxano (un trímero del mismo) o como paraformaldehído (un oligómero) con destino a la preparación de resinas acetálicas (polioximetileno. POM) y como reactivo de las reacciones de aldoholización para preparar los alcoholes multifuncionales (pentaeritritol, neopentilglicol, etc.). El formaldehído está clasificado como líquido peligroso de baja toxicidad. El metanol se utiliza también como reactivo en la fabricación de éteres mejoradores del número de octano, como el metil-terbutil-éter MTBE y para la síntesis del ácido acético , via Carbonilación. También se consume en la preparación de numerosos ésteres de distintos ácidos (acrílico, tereftálico, etc.) y de las metilaminas. Está en regresión su consumo en compuestos clorados.
3.- AMONÍACO
El amoniaco libre fue preparado por primera vez en 1774 por J. Priestly y C. Berthollet usando carbonato de amonio. Para 1840, amoniaco fue recuperado de plantas de producción de coque y productoras de gas como un producto secundario de la pirólisis de carbón. A principios de 1900, la empresa American Cyanamid fue formada. Produciendo cianamida de calcio a partir de carburo de calcio y nitrógeno a 1000ºC. Alrededor de 1900 Fritz Haber comenzó las investigaciones en el equilibrio de la reacción de amoniaco y la evaluación de los efectos de temperatura. (Producción de amoniaco a partir de sus elementos N2 e H2). En 1908 BASF y Haber realizaron un acuerdo para trabajar en una planta de producción a escala industrial.
Trabajando con el grupo de Karl Bosch dentro de BASF en un período de 5 años el proceso fue totalmente desarrollado. En 1913 la primera planta comercial inicio sus operaciones en Ludwigshafen (30 ton por día)
Química de la Reacción y Termodinámica La síntesis de amoniaco envuelve una reacción simple exotérmica de H2 y N2 elemental sobre un catalizador de Fe promovido:
La formación de NH3 es favorecida por baja T y alta P. Debido a su carácter exotérmico, el proceso es operado en etapas, con enfriamiento intermedio y remoción del NH3 producido para mover el equilibrio hacia la derecha. El mecanismo de reacción envuelve adsorción disociativa de tanto N2 como H2 sobre la superficie de catalizador. La disociación de N2 a N atómico es una reacción de descomposición en la superficie. La adsorción de H2 es rápida y en virtual equilibrio.
Productos químicos derivados del amoniaco
• La capacidad mundial instalada alcanza los 180 millones de ton/año. • El 50% de la capacidad mundial está en Asia (China, India, etc.). • En América Latina: Venezuela, México, Brasil y Argentina. • Uso principal: Fertilizantes (Urea, otros nitrogenados). •La úrea para fertilizantes, resinas ureicas (plásticos). • Principal componente de nitrógeno a los suelos, a veces como una (úrea – nitrato de amonio).
BIBLIOGRAFÍA
Diapositivas del Departamento de Ingeniería Química y Química Inorgánica Universidad de Cantabria (SPAIN).
Pdf Hidrógeno, gas de síntesis y derivados
Instituto Petroquímico Argentino
http/www.wikipedia.com/gasdesintesis
Química Industrial. Prof. Ronald Márquez
http/www.wikipedia.com/usodelgas
