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‘‘Año de la diversificación productiva y del fortalecimiento de la educación”
Universidad Nacional del Callao
“Producción de formaldehido a partir de gas natural” Curso: Ingeniería de Procesos I Profesor: Ing. Juan Medina Collana Integrantes: Arrascue Villaorduña, Elena Huaman Viera, Heidy Shuan Huanca, Sheyla Bellavista, Callao
2015 ÍNDICE
I.
INTRODUCCIÒN...........................................................................................3
II.
OBJETIVOS...................................................................................................4 II.1.
Objetivo general......................................................................................4
Analizar el proceso de obtención de formaldehido e interpretar los resultados obtenidos al usar el simulador Aspen HYSYS....................................4 II.2.
Objetivos específicos..............................................................................4
Determinar los equipos propicios para la obtención tanto del metanol a partir del gas natural, como el formaldehido a partir de metanol.........................4 Identificar cual sería la conversión máxima que se puede obtener de formaldehido al final del proceso..........................................................................4 III.
MARCO TEÒRICO.....................................................................................5
III.1. Composición del gas natural y su industria.............................................5 III.2. Petroquímica a partir del metano............................................................7 III.3. Productos Químicos a partir del metano.................................................7 III.4. Características del Metanol y sus aplicaciones......................................8 III.5. Aplicaciones del formaldehido...............................................................11 IV.
DESCRIPCION DEL PROCESO..............................................................13
IV.1.
Obtención de metanol a partir de gas natural....................................13
IV.2.
Obtención de formaldehido a partir de metanol................................15
IV.2.1. Recepción y almacenamiento de materias primas.........................16 IV.2.2. Acondicionamiento de las materias primas....................................16 IV.2.3. Reacción.........................................................................................17 IV.2.4. Enfriamiento....................................................................................17 IV.2.5. Acondicionamiento del producto....................................................17 IV.2.6. Almacenamiento del producto........................................................18 V. SOFTWARE DE SIMULACIÓN: HYSYS.....................................................19 V.1.
Descripción............................................................................................19
V.2.
Relación con la simulación de procesos...............................................19
V.6.
Simulación del proceso.........................................................................22
V.7.
Balances por equipo..............................................................................22
VI.
I.
CONCLUSION..........................................................................................24
INTRODUCCIÒN
2
En la actualidad el uso de combustibles fósiles está totalmente extendido por el planeta, siendo las sustancias más importantes empleadas en la industria química (y en otra serie de industrias y aplicaciones). A lo largo de la historia se han ido usando diferentes tipos de combustibles: primero fue la madera, después fue el carbón, para en el siglo XIX empezar a usar petróleo, y ya en el siglo XX y XXI el uso del gas natural se extendió. La principal razón del cambio de un combustible a otro son, principalmente, la capacidad calorífica del combustible (el gas natural posee más poder calorífico que el petróleo, y este a su vez mas que el carbón y la madera). Pero existen otras razones muy importantes que han hecho que varíe el uso de los combustibles, como son el respeto al Medio Ambiente, la disponibilidad, la facilidad de almacenamiento y transporte, consideraciones técnicas, políticas, etc. Así, uno de los combustibles más usados en la actualidad es el gas natural, ya no solo por poseer el mayor índice de poder calorífico, sino por ser el más respetuoso con el Medio Ambiente, por estar más distribuido que el petróleo por el mundo y por la cantidad de reservas (aunque es menos abundante y esta menos distribuido por el planeta que el carbón), y por la facilidad de transporte (en gaseoductos o en barcos metaneros). Del gas natural se pueden obtener casi los mismos productos que con la industria del petróleo (mediante reformado o craqueo), pero gran parte de ellos se obtienen con mayor dificultad a partir de gas natural que a partir de petróleo, por lo que en estos casos se usa el crudo para producir estos productos. En cambio existen otros productos en los que la obtención a partir de petróleo es dificultosa, siendo el proceso y la producción a partir de gas natural mucho más sencilla, por lo que se opta por el gas natural en este caso. El proceso de obtención de formaldehido es uno de estos procesos en los que es más sencillo el uso de gas natural, además de que posee otras ventajas ya citadas como son el respeto al Medio Ambiente, la menor cantidad de impurezas y sustancias que son inertes o venenos para los catalizadores, el buen suministro de este mediante gaseoductos, etc.
II.
OBJETIVOS
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II.1. Objetivo general Analizar el proceso de obtención de formaldehido e interpretar los resultados obtenidos al usar el simulador Aspen HYSYS. II.2. Objetivos específicos Determinar los equipos propicios para la obtención tanto del metanol
a partir del gas natural, como el formaldehido a partir de metanol. Identificar cual sería la conversión máxima que se puede obtener de formaldehido al final del proceso.
III.
MARCO TEÒRICO III.1.
Composición del gas natural y su industria
El gas natural se puede encontrar en forma "asociado", cuando en el yacimiento aparece acompañado de petróleo, o gas natural "no asociado" 4
cuando está acompañado únicamente por pequeñas cantidades de otros hidrocarburos o gases. La composición del gas natural de Camisea (CUADRO 1) incluye variedad de hidrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el 90%, y en proporciones menores etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes como dióxido de carbono y nitrógeno. La composición del gas varía según el yacimiento. También se encuentran impurezas como son el helio, oxígeno, vapor de agua etc. que hacen necesaria su eliminación previa a su transporte y su distribución. CUADRO I: COMPOSICION DEL GAS NATURAL EN EL PERU
Así, el primer proceso al que se lleva a cabo con el gas natural posteriormente a su extracción es la eliminación de condensados y restos del petróleo mediante sistemas LTX (“Low Temperature Separator”) o mediante una separación sencilla por despresurización. Posteriormente se elimina el azufre y el CO2 mediante tratamiento con aminas, y después se elimina el agua mediante deshidratación con glicoles o por deshidratación con sólidos desecantes. Finalmente se eliminan los líquidos del gas natural por absorción o absorción criogénica. Ya listo el gas natural para su transporte o distribución, se presuriza y se le adiciona mercaptanos. Los mercaptanos son compuestos de azufre con un olor característico que se le añaden al gas natural debido a que este carece de olor. Así, en caso de fugas o escapes, es fácilmente detectable dicha avería, evitando así males mayores. Dichos mercaptanos se eliminan antes de entrar en la planta. Entre las industrias que usan gas natural para la obtención de diferentes sustancias se pueden nombrar la fabricación de acetileno, etileno, hidrogeno, metanol, acido acético, formaldehido, urea, dimetileter, amoniaco, etc. El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, el comercio, la generación eléctrica, el sector residencial y de transporte, presenta grandes ventajas en procesos industriales que exigen ambientes limpios, procesos controlados y combustibles de alta confiabilidad y eficiencia. 5
CUADRO II: APLICACIONES DEL FORMALDEHIDO
Fuente: (Guerrero, 2008)
III.2.
Petroquímica a partir del metano
El metano es un hidrocarburo parafínico de un solo carbono que no es reactivo bajo condiciones normales. Muy pocos productos químicos pueden producirse directamente a partir del metano bajo condiciones muy severas.
Clorinación del metano: a partir de iniciación térmica o fotoquímica.
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Oxidación: con una limitada cantidad de oxígeno o vapor para formar una mezcla conocida como “gas de síntesis”.
El gas de síntesis es un precursor de dos productos químicos muy importantes: metanol y amoniaco. Ambos productos son los precursores de una variedad de productos petroquímicos. III.3.
Productos Químicos a partir del metano
Metano
Gas de Síntesis (CO/H2)
Ácido cianhídrico
Disulfuro de carbono
Clorometanos
Gas de síntesis
H2 → Amoniaco
CO/H2 → Metanol
Destilados medios (GTL)
Glicoles de etileno
Aldehídos / Alcoholes Oxo
III.4.
Características del Metanol y sus aplicaciones
El Metanol es un líquido incoloro, volátil e inflamable con un ligero olor alcohólico en estado puro. Es un líquido altamente venenoso y nocivo para la salud. Es miscible en agua, alcoholes, esteres, cetonas y muchos otros
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solventes; además, forma muchas mezclas azeotrópicas binarias. Es poco soluble en grasas y aceites. El Metanol está disponible comercialmente en varios grados de pureza:
Grado C es el alcohol de madera usado.
Grado A es el metanol usado como solvente.
Grado AA es el más puro usado en aplicaciones químicas.
Las principales impurezas que se pueden encontrar en el Metanol corresponden a sustancias como acetona, acetaldehído, ácido acético y agua. El Metanol tiene una gran variedad de aplicaciones industriales. Su uso más frecuente es como materia prima para la producción de metil t-butil éter (MTBE), que es un aditivo para gasolina. También se usa en la producción de formaldehído, ácido acético, cloro metanos, metacrilato de metilo, metilaminas, dimetil tereftalato y como solvente o anticongelante en pinturas en aerosol, pinturas de pared, limpiadores para carburadores, y compuestos para limpiar parabrisas de automóviles. El Metanol es un sustituto potencial del petróleo. Se puede usar directamente como combustible reemplazando la gasolina en las mezclas gasolina-diesel. El Metanol tiene mayor potencial de uso respecto a otros combustibles convencionales debido a que con esta sustancia se forma menor cantidad de ozono, menores emisiones de contaminantes, particularmente benceno e hidrocarburos aromáticos policíclicos y compuestos sulfurados; además presenta bajas emisiones de vapor. Asimismo, se puede utilizar en la producción de biodiesel. El Metanol se usa en sistemas de refrigeración, por ejemplo en plantas de etileno, y como anticongelante en circuitos de calentamiento y enfriamiento. Sin embargo, su uso como anticongelante en motores ha disminuido drásticamente gracias al uso de productos derivados del glicol. El Metanol se adiciona al gas natural en las estaciones de bombeo de las tuberías para prevenir la formación de hidratos de gas a bajas temperaturas y se puede reciclar después de que se remueve del agua. El Metanol también se usa como un agente de absorción en depuradores de gas para remover, por ejemplo, dióxido de carbono y sulfuro de hidrogeno. Una gran cantidad de Metanol se usa como solvente. El Metanol puro no se usa comúnmente como solvente, pero se incluye en mezclas solventes. El Metanol también se usa en la denitrificación de aguas de desecho, en la aplicación de tratamientos para aguas residuales, como sustrato en la producción de fermentación de proteína animal, como hidrato inhibidor en el 8
gas natural, y en la Metanólisis de tereftalato de polietileno de desechos plásticos reciclados. A continuación se detallan algunos usos como químico intermedio, en orden de importancia:
Formaldehído Es el producto de mayor consumo de Metanol del mundo, el 33% de la producción mundial se destina a la producción de formaldehído. En este campo, las aplicaciones principales son las resinas de urea-formaldehído y fenol-formaldehído que se utilizan especialmente en la industria maderera .
Combustibles Es el segundo uso en importancia detrás del formaldehído. El 26% del consumo mundial de Metanol se destina a éter metil tert-butílico (MTBE). Las principales aplicaciones en este campo son la síntesis de MTBE, mejoradores octánicos para naftas y combustibles ecológicos a base de metanol (DM85). Existe un potencial utilización en fuel cells como fuente de hidrógeno (en desarrollo).
Ácido acético Representa el 7% del consumo mundial de Metanol. Se utiliza principalmente para la producción de vinilacetato, materia prima para resinas, anhídrido acético y ésteres acéticos que se usan para la fabricación de celulosa acética y pinturas. Es producido a partir del Metanol y monóxido de carbono.
Metil Metacrilato Representa el 3% del consumo mundial de Metanol. Se utiliza principalmente para la producción de resinas acrílicas y latex acrílicos para la industria automotriz y de la construcción. Es producido a partir de Metanol, metacrilamida sulfónica y bisulfato de amonio. Adicionalmente en los últimos años se ha utilizado el metanol para la producción de Olefinas y propileno.
MTO – Methanol to Olefines Las compañías UOP e HYDRO de Noruega han utilizado al metanol en estos últimos años, desde 1997, como materia prima para la producción de olefinas 9
tales como el etileno y el propileno, a través de su proceso MTO (Methanol to Olefins – Metanol a Olefinas). Este proceso tiene en si ventajas tales como:
-
Valor excepcional para la conversión directa del metanol a polímeros de alto grado de etileno y propileno.
-
El uso directo del etileno y propileno en la industria debido a su gran pureza (98%), el cual no requiere separadores de etano / etileno o butano / butileno.
-
Producción limitada de coproductos, comparada con el steam cracking, el cual da como resultado una sección de recuperación sencilla.
-
Una fácil integración si existe un craqueador de nafta, debido a la baja producción de parafinas.
-
Flexibilidad de cambiar la razón etileno / propileno de 1.5 a 0.75
MTP – Methanol to Propylene Hasta la fecha Lurgi es la única empresa que ha desarrollado la producción de propileno a partir de metanol. Hasta un 60% del consumo de propileno en todo el mundo es necesario para producir polipropileno, el cual tiene una tasa de crecimiento anual de 5 a 6 %. Los principales derivados del propileno son: polipropileno, acrilonitrilo, oxa-alcoholes, oxido de propileno, cumeno y acido acrílico.
III.5.
Aplicaciones del formaldehido
El formaldehido en sí mismo no tiene aplicaciones, excepto la de conservante de tejidos (en medicina se usa ampliamente, aunque solo se usa un 1% del 10
formaldehido producido mundialmente para dicho propósito). En cambio, posee muchas aplicaciones en cuanto a elaboración de otros productos que si son útiles. Así, el formaldehido que se obtiene en la planta puede ser usado en multitud de aplicaciones, como son la obtención de resinas, adhesivos, desinfectantes, fertilizantes, jabones y detergentes, vacunas, medicinas, etc. y por industrias, en la industria textil y del cuero, farmacéutica, cosmética, maderera, papelera, del corcho, de fertilizantes, eléctrica y electrónica, etc. La principal aplicación del formaldehido es la obtención de resinas que se usan ampliamente en la industria papelera, del corcho, maderera y de adhesivos. Dichas resinas tiene como uso principal el ser aglutinantes de partículas o porciones de material (es decir, actúan como adhesivos). Así aglutinan las cadenas de celulosa para la formación de papel, las partículas de madera para formar conglomerados, las laminas de madera para formar laminados y trozos de corcho para obtener corchos de diferentes formas y volúmenes. Las resinas son polímeros termoestables (son duros y rígidos, pero no se pueden volver a moldear usando un aumento de la temperatura) que se producen por la reacción directa del formaldehido con otra sustancia. Las resinas se nombran a partir de las sustancias de las que parten; asi los tres tipos básicos de resinas son las resinas urea-formol, las resinas fenol-formol y las resinas melanina-formol.
Resinas urea-formol: estas resinas se suelen usar como elementos de moldeo, siendo la aplicación principal la destinada a la industria maderera (para la obtención de madera terciada). Además se usa en la industria eléctrica y electrónica. Resinas fenol-formol: estas resinas también se suelen usar como elementos de moldeo, siendo la aplicación principal la destinada a la industria maderera (para la obtención de madera laminada). También se suele usar en la industria papelera y del corcho. Resinas melanina-formol: estas resinas se suelen usar también como elementos de moldeo, pero su distribución es menor que las dos anteriores. El empleo de dichas resinas presenta numerosas ventajas: - Se usa unos componentes que antes se desechaban (virutas de madera), aumentando así la rentabilidad de las empresas madereras. - Además, al aprovechar dichos componentes, se reducen los efectos ambientales (no se llevan a vertedero, sino que se reutilizan, que es uno de las principales medidas de conservación del Medio Ambiente).
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- Se reduce el precio de la madera y derivados (mobiliario, accesorios del hogar, parque y similares, etc.) para la gente de a pie, provocando un aumento de las ventas y del comercio. - La calidad de la madera se unifica y se refuerza (maderas blandas como el abedul, el chopo, etc. se pueden usar ahora perfectamente debido a que las resinas, además de actuar como aglutinantes, aumentan la resistencia mecánica). - Al aprovechar las virutas, la cantidad de arboles a talar se reduce para obtener la misma cantidad de objetos de madera (las maderas macizas se suelen comercializar más caras que las maderas laminadas o conglomeradas. Existen muchos muebles que usan solo un tipo de madera, pero gran parte del mobiliario combina ambas maderas. Asi la parte a la vista suele ser de madera maciza, y la parte oculta (mecanismos de abertura de mesas plegables, armazón de camas, etc.) es de conglomerado y laminado al poseer prácticamente las mismas propiedades y ser más barato). Además de la obtención de resinas, otra aplicación importante del formaldehido es como desinfectante, bactericida y fungicida. Debido a esta característica se usa ampliamente como desinfectante en diferentes campos, como son en la sanidad (mascarillas, guantes, etc.), en actividades agrícolas y ganaderas, en la industria textil (en la fabricación de ropa interior), etc. Para esta finalidad se puede usar puro (aunque no es lo más habitual) o mediante sustancias derivadas de este. Además de estas aplicaciones se usa en vacunas (de la difteria, de la poliomielitis y de la gripe), en la industria textil para la obtención de ropa que no se arruga, en la obtención de placas de rayos X, en la obtención de papel fotográfico, en la fabricación de fertilizantes, como conservante de la madera y el cuero, en la obtención de plásticos para la industria electrónica y para la industria automovilística, en la industria de moneda y timbre para la obtención de billetes, etc.
IV.
DESCRIPCION DEL PROCESO IV.1.
Obtención de metanol a partir de gas natural 12
El proceso se inicia con el suministro de gas natural que es mezclado con vapor de agua, y dicha mezcla se comprime y se calienta hasta unas condiciones adecuadas para que dichas sustancias reaccionen formando gas de síntesis (CO y H2). Para dicha reacción, al ser endotérmica, se necesita un aporte de calor continuo, por lo que existe un generador de gases calientes (alimentado con gas natural) que envía dichos gases a la carcasa del reactor para su calefacción. Dichos gases se producen al llevarse a cabo la combustión del gas natural con el aire atmosférico. En dicho reactor circula por la carcasa los gases calientes, y por los tubos reacciona la mezcla de agua y gas natural. Los gases producidos en la combustión, después de ser acondicionados, se emiten a la atmosfera. Posteriormente al paso de la mezcla por el reactor, se produce una recirculación parcial de dicha corriente, y la mayor parte de ella se enfría y acondiciona para llegar a un absorbedor. La reacción del agua y el gas natural, además de no ser completa, posee una reacción paralela no deseada, siendo el producto de esta reacción el CO 2 y el hidrogeno. Debido a que el CO 2 es perjudicial para procesos posteriores, se debe eliminar. Para ello se usa una columna de absorción donde la corriente de salida del reactor se pondrá en contracorriente con una corriente de agua con sosa. Dicha corriente liquida será la responsable de la captación del CO 2. Posteriormente, la corriente gaseosa para por una membrana donde se dividirá el CO y el H2. Ambas corrientes se enviarán a depósitos esféricos donde se almacenaran, comercializándose parte del hidrogeno almacenado debido a que se encuentra en exceso con respecto al CO para la consecución de la siguiente reacción. Las corrientes de CO e H 2 se mezclan en una determinada proporción y se acondicionan para entrar en un reactor donde se producirá la conversión de ambos en metanol. Dicha corriente de metanol se enfriara y se pasara por un condensador donde el metanol condensara saliendo como liquido del proceso, y la parte gaseosa de la corriente será recirculada otra vez al reactor. El metanol se almacenará en depósitos, y parte se comercializara, pero otra parte será enviada al segundo proceso, donde se obtendrá el formaldehido.
FIGURA I: PROCESO DE OBTENCION DE METANOL A PARTIR DE GAS NATURAL
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IV.2.
Obtención de formaldehido a partir de metanol
El metanol que se destina a la producción de formaldehido se mezcla con el aire atmosférico y se calentara para alimentar un reactor donde el metanol y el 14
oxigeno del aire reaccionaran obteniéndose formaldehido. Dicha corriente de salida del reactor se enfriara y se mandara a un absorbedor. El formaldehido es un gas a temperatura ambiente, pero en contacto con el agua reacciona formando metilenglicol, que es un compuesto muy soluble en agua. Por ello se usa la columna de absorción, donde la corriente gaseosa de salida del reactor se pone en contacto en contracorriente con una corriente liquida formada por agua y formaldehido disuelto. Dicha corriente liquida será la responsable de captar el formaldehido gaseoso. La corriente gaseosa de salida del absorbedor será enviada a antorcha. Después de haber sido captado el formaldehido por la corriente liquida, dicha corriente se enfría (la reacción entre agua y formaldehido es exotérmica) y se recircula parcialmente al absorbedor. Esa corriente que se va a recircular, se mezcla con agua fresca previamente a su entrada al absorbedor. La parte de la corriente no recirculada se enviara a un mezclador con agitación, donde se le adicionará agua a la disolución para alcanzar la concentración deseada de formaldehido en agua. Finalmente, la mezcla de agua y formaldehido se envía a unos depósitos de almacenamiento para su posterior distribución y venta. FIGURA II: PROCESO DE OBTENCION DE FORMALDEHIDO A PARTIR DE METANOL
El diagrama de flujo simplificado de la planta que se va a diseñar se puede observar en la siguiente figura. Se puede ver que el proceso consta de 4 intercambiadores de calor, un reactor, una columna de absorción y un
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mezclador como equipos más importantes, existiendo otros equipos auxiliares como bombas, depósitos, etc. FIGURA III: DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL DEL PROCESO
IV.2.1.
Recepción y almacenamiento de materias primas
El metanol de alimentación estará suministrado por el proceso anterior y la impulsión de este metanol se realizara mediante la bomba B-04,la cual le dará la presión necesaria. El aire de alimentación será recogido directamente de la atmósfera, aunque existirá un filtro que elimine las partículas para evitar impurezas e incrustaciones en los equipos. El equipo que se encargará de su impulsión es el soplante V-03. IV.2.2.
Acondicionamiento de las materias primas
Las corrientes de aire atmosférico y metanol de alimentación se mezclaran (la proporción entre ambas corrientes es 3:1 de oxigeno frente a metanol, por lo que se deberá introducir mucho aire al poseer el aire una proporción en oxigeno del 21%) y aumentaran su temperatura en el intercambiador de calor IC-01. Allí se evaporara todo el metanol y la mezcla resultante pasara de 298 K a conseguir una temperatura de 544,07 K gracias al calor cedido por una corriente caliente, que es la corriente de salida del reactor R-01. Posteriormente, la mezcla de aire y metanol pasara por otro intercambiador de calor, el IC-02, para ajustar la temperatura hasta los 570 K. Para que dicha corriente alcance esta temperatura se usara como fluido calefactor un vapor proveniente del proceso anterior cuya temperatura de entrada son 610 K.
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Después de salir la corriente del intercambiador IC-02, será impulsada por el ventilador V-01 hacia la entrada del reactor R-01. IV.2.3.
Reacción
La corriente de mezcla de metanol y aire a 570 K entra al reactor por la parte superior, y la corriente de salida de este se evacuara por la parte inferior. La conversión del metanol en el reactor es del 98%, operando el reactor en condiciones isotérmicas. Debido a que la reacción es bastante exotérmica, se refrigerará el reactor multitubular mediante agua de la misma planta, con diversos tratamientos para evitar incrustaciones, para que la operación del reactor sea lo más cercana a una operación isotérmica. Esta agua entra a 298 K y abandona la carcasa del reactor a 393 K en estado vapor y una presión de 1,95 atm. La presión de trabajo del reactor es de 1,25 atm, por lo que se usara solo una válvula de alivio debido a las condiciones de presión bastante suaves. IV.2.4.
Enfriamiento
La corriente de salida del reactor será impulsada por el ventilador V-02 al intercambiador IC-01 donde se enfriará gracias a transferir calor al fluido frio compuesto por aire y metanol (el que se comento anteriormente). Allí el agua que posee a corriente de salida del reactor se condensará, y la temperatura de dicha corriente será de 350 K. Posteriormente, la corriente de salida del reactor pasara al intercambiador de calor IC-03 donde se volverá a enfriar otra vez hasta una temperatura de 310 K. Al alcanzar esta temperatura el metanol que contiene dicha corriente condensa. Para que esta corriente alcance dicha temperatura se usará agua de la planta, que previamente se le habrá realizado diversos tratamientos para evitar incrustaciones, la cual entrara en la carcasa a 298 K. Después de salir la corriente del intercambiador IC-03 será enviada a la entrada del absorbedor A-01. IV.2.5.
Acondicionamiento del producto
La corriente gaseosa (aunque hayan condensado parte de la corriente, como el agua y el metanol, sigue siendo en su mayor parte gas) entra al absorbedor A01 por su parte inferior, donde se pone en contacto con una corriente liquida formada fundamentalmente por agua y formaldehido. Este contacto hace que el formaldehido pase a esta corriente liquida, al igual que todo el metanol y el agua. Los gases resultantes, en su mayoría nitrógeno y oxigeno, saldrán por la parte superior de la columna, e irán a una antorcha donde se procederá a su combustión. 17
La corriente liquida de alimentación entrara por la parte superior de esta columna e ira descendiendo por gravedad absorbiendo el metanol, el agua y el formaldehido. La efectividad de esta columna (es decir, cuanto del formaldehido de entrada recoge) se ha fijado en un 99,95%. La columna es una columna de relleno de anillos Raschig de una pulgada, y estará fabricada de acero Carpenter 20 Mo-6. El líquido que va cayendo por la columna será recogido en la parte inferior de esta, y será transportado al intercambiador de calor IC-04. Este intercambiador existe debido a que la absorción química del formaldehido en el agua es una reacción exotérmica, por lo que se necesitara disminuir la temperatura de esta corriente de los 350,38 K hasta los 310 K. Dicho intercambiador poseerá como liquido refrigerante agua de la misma planta, con diversos tratamientos para evitar incrustaciones, la cual entrara a la carcasa del intercambiador a 298 K. Después de haberse enfriado, la corriente liquida con formaldehido, agua y metanol será bifurcada en dos al 50%; la primera de ellas será impulsada por la bomba B-01 a la parte alta de la columna de absorción donde será mezclada con una corriente de agua, y posteriormente será introducida al absorbedor A01 como la corriente liquida de entrada a este (es decir, se ha producido una recirculación parcial de la corriente liquida de absorbedor A-01). La segunda corriente será impulsada por la bomba B-02 al mezclador M-01. En este mezclador, la segunda corriente bifurcada se mezclara con agua en la proporción necesaria para alcanzar la concentración requerida del producto (37% en peso de formaldehido en agua). IV.2.6.
Almacenamiento del producto
La corriente de salida del mezclador M-01 será impulsada mediante la bomba B-03 a un depósito “Rundown”, del cual será enviado mediante otra serie de bombas a depósitos de almacenamiento. El propósito del depósito “Rundown” es la realización de pruebas de calidad del producto antes de acumularlo en los depósitos de almacenamiento final.
V.
SOFTWARE DE SIMULACIÓN: HYSYS V.1. Descripción
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El Hysys es una herramienta informática que nos va a permitir diseñar o modelar procesos químicos mediante la ayuda de un software. En la actualidad todos los ingenieros deben estar capacitados para poder producir y diseñar un sistema y que mejor manera que con la ayuda de un software para poder encontrar valores que posiblemente nos servirán en un futuro cálculo para el aporte de un proyecto de trabajo. HYSYS es un software, utilizado para simular procesos en estado estacionario y dinámico, por ejemplo, procesos químicos, farmacéuticos, alimenticios, entre otros. Posee herramientas que nos permite estimar propiedades físicas, balance de materia y energía, equilibrios líquido-vapor y la simulación de muchos equipos de Ingeniería Química. Este simulador en los últimos años ha sido utilizado, permite usar o crear al operador modelos. Los parámetros de diseño como número de tubos de un intercambiador de calor, diámetro de la carcasa y número de platos de una columna de destilación no puede ser calculado por HYSYS, es una herramienta que proporciona una simulación de un sistema que se describe con anterioridad. Hysys puede emplearse como herramienta de diseño, probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo. V.2. Relación con la simulación de procesos Para poder utilizar el Hysys se necesita aplicar una ingeniería básica del proceso para lo cual se necesita: Documentos que describan la secuencia de las operaciones que conforman el proceso. Un diagrama entrada – salida, lo cual incluye como está conformado estequeométricamente la reacción, el número de moles. Un diagrama básico del bloques del proceso, lo cual incluye las condiciones principales de operación, información de rendimientos, conversiones, balances de materia y energía preliminares. Este software posee una base de datos con información de utilidad para muchos cálculos que este programa realiza de forma rápida, el programa corrige cierta los cálculos de forma automática. Para que el programa realice los cálculos hay que proporcionarle la información mínima necesaria que generalmente es los datos de operación como flujos, temperaturas y presiones. V.3. Herramientas de trabajo Base de Datos 19
HYSYS en su amplia base de datos contiene lo siguiente:
Más de 1500 componentes sólidos, líquidos y gaseosos. Las propiedades fisicoquímicas de las sustancias puras Parámetros de Interacción binaria para el cálculo del coeficiente de actividad. Electrolitos
Base de Crudo:
Contiene propiedades experimentales.
de
muchos
crudos
a
partir
de
datos
Caracterización de Fracciones del Petróleo
Correlaciones específicas para fracciones livianas y pesadas. Modelos de interconversión de curvas de destilación.
Operaciones Unitarias HYSYS posee una integración gráfica que permite modelar más de 40 diferentes operaciones unitarias:
Acumuladores Flash Columnas de Destilación, azeotrópica Columnas de Extracción Reactores Continuos y Batch Compresores Turbinas Bombas Intercambiadores de Calor Separador Mezcladores Controladores Tuberías Válvulas de Bloqueo y Control
Hysys es una herramienta que proporciona una simulación de un sistema que se describe con anterioridad conociendo previamente todos los parámetros de diseño, ya que estos no son calculados por el simulador. Hysys puede emplearse como herramienta de diseño, probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo, teniendo en cuenta que los resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar críticamente. Igualmente hay que tener en cuenta que los 20
resultados dependen de la calidad de datos de entrada y la fuente de la misma. V.4. Ventajas del software Entre las principales ventajas que nos brinda el programa, se puede encontrar:
Nos ayuda a examinar varias configuraciones de una planta. Disminuye el tiempo de diseño de una planta Nos permite mejorar el diseño de un planta Determina las condiciones óptimas del proceso
Sin embargo no toda la información que nos da este programa es fiable, ya que dependen de la calidad de los datos que ingresemos al programa. Una de las condiciones también que hay que tomar en cuenta es la selección del paquete fluido con que estamos trabajando, ya que no todos los paquetes pueden ser utilizados con los diferentes tipos de fluidos, los paquetes son específicos para algunos tipos de fluidos. V.5. Utilidades El programa nos permite:
Utilizar Modelos Termodinámicos, Componentes y Propiedades Paquete Fluido Corrientes y Mezclas Propiedades de Mezclas Simular Unidades de Proceso Corrientes: División, Mezcla y Fraccionamiento, Ciclo de Refrigeración, Separación de Fases, Separador de Tres Fases. Simular Procesos con Corrientes de Recirculación, Procesos con Reciclo, Compresión en tres etapas, Ajuste de Variables. Simular Reactores, utilizar reactores de Conversión, Relación no lineal entre variables Reactor de Mezcla Completa Reactor Flujo Pistón Reactor Catalítico Heterogéneo. Establecer balances de Materia y Calor Simular Columnas de Destilación y Absorción, Columna de Destilación Simplificada, Columna Despojadora
V.6. Simulación del proceso
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V.7. Balances por equipo
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VI.
CONCLUSION Los equipos usados en este proceso son: el reactor de conversión y una serie de reactores en equilibrio para tener una mayor conversión del gas a metano, posteriormente pasa a un compresor, mezclador y para convertir de metano a metanol usamos un reactor. Además usamos un intercambiador de calor para condensar la mezcla y una columna de destilación flash, una columna de absorción donde obtenemos un metanol impuro, reactor para obtener el formaldehido, un absorbedor y un purificador. La conversión obtenida en este proceso es de 29.4% lo cual es óptimo ya que el formaldehido comercial es de 30%, lo cual nos indica que nuestra simulación se realizó de manera adecuada.
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BIBLIOGRAFÍA
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