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Ao de la Diversificacin Productiva y el Fortalecimiento de la Educacin
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL
CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA QUMICA
E.A.P. ING. QUMICA DEL GAS NATURAL Y ENERGA
Alumna: Cabezas Snchez, Salustria
Ctedra: Ingeniera del Gas Natural I
Docente: Dr. Sc. Abraham Palacios Velsquez
Fecha de entrega de informe: 01 de Setiembre del 2015
Huancayo - Per
METANO-AMONIACO
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INDICE
I. RESUMEN
II. OBJETIVOS
III. MARCO TERICO
Petroqumica bsica.4
Metano.5
Qumicos basados en el metano
Amonaco (NH3)7
Materia Prima para la produccin de amoniaco
Usos de amoniaco8
Mtodos de Obtencin de amoniaco.9
a) Proceso de Haber Bosch
b) Mtodo de reformado con vapor
Desulfuracin
Reformado
Mutacin (Conversin de CO)
Purificacin (Remocin del CO2)
Metanacin
Sntesis de Amoniaco
Produccin del amoniaco22
IV. Bibliografa
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I. RESUMEN
El presente informe denominado Metano-Amoniaco, tiene la finalidad
de dar a conocer el proceso de obtencin del amoniaco, a partir del
metano, siendo este una materia prima de la petroqumica bsica para lo
cual es necesario entender el proceso de obtencin del metano a partir
del gas natural y describir los diferentes procesos de produccin del
amoniaco.
Son aquellas industrias que realizan la primera transformacin del Gas
Natural, Condensados u otros hidrocarburos lquidos, para la obtencin
de insumos para la Industria Petroqumica Intermedia. Por ello se
estudiar al metano como materia prima para la obtencin del amoniaco.
El desarrollo de este informe trata los siguientes temas: El metano, sus
caractersticas; el amoniaco, sus caractersticas y sus mtodos de
obtencin.
En conclusin espero que la informacin recopilada sea de gran uso para
el lector.
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II. OBJETIVOS
Objetivo General
Conocer el proceso de obtencin del amoniaco, a partir del metano, siendo
este una materia prima de la petroqumica bsica
Objetivo Especfico
Entender el proceso de obtencin del metano a partir del gas natural
Describir los diferentes procesos de produccin del amoniaco.
III. MARCO TERICO
PETROQUMICA BSICA
Son aquellas industrias que realizan la primera transformacin del Gas Natural,
Condensados u otros hidrocarburos lquidos, para la obtencin de insumos para la
Industria Petroqumica Intermedia pudiendo en algunos casos ser productos finales.
Uno de los productos obtenidos mediante un proceso de separacin a partir del gas
natural, es el metano, el cual es un compuesto bsico o materia prima para la
produccin de amoniaco (compuesto de la petroqumica bsica).
Figura N1 Divisin de la petroqumica (Gmez, 2003)
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El 90% de los productos petroqumicos se derivan de 7 bsicos, los cuales son los
siguientes. (Ver figura N)
Figura N2 Siete bsico derivados del gas natural (Gmez, 2003)
Para el desarrollo de este informe, se hizo bsqueda de informacin sobre el
metano, el cual es materia prima principal para la obtencin de amoniaco.
A. Metano
Es el primer miembro de las series alcanos. Principal componente del gas
natural. Es un producto derivado de los flujos de gas de los procesos del
petrleo crudo. Es incoloro, sin olor
Como componente qumico, el metano no es muy reactivo. No reacciona con
cidos o bases bajo condiciones normales, pero reacciona con un nmero
limitado de re-agentes como por ejemplo oxgeno y clorina bajo condiciones
especficas. Por ejemplo esto es parcialmente oxidado con una cantidad
limitada de oxgeno a monxido hidrogeno de carbn mezclado a altas
temperaturas en presencia de un catalizador.
La mezcla (sntesis de gas) es un bloque importante para muchos qumicos.
El metano es principalmente usado como combustible de gas limpio.
Aproximadamente un milln de BTU son obtenidos por quemado de 1000 ft3
de gas natural seco. Esto es tambin un importante recurso para el carbn
negro.
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El metano puede ser licuado bajo presiones muy altas y bajas temperaturas.
La licuefaccin del gas natural permite su transporte a largas distancias a
travs de tanques criognicos.
Tabla N1 Propiedades fsica de los parafinos
Qumicos basados en el metano
El metano es un hidrocarburo parafinico que no es muy reactivo bajo
condiciones normales. Solo pocos qumicos pueden ser producidos
directamente del metano bajo relativa condiciones.
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Figura N3 Importante qumicos basados en metano, sntesis de gas y amoniaco (Matar & Lewis, 2000)
B. Amonaco (NH3)
El amoniaco es uno de los productos qumicos inorgnicos ms importantes,
rebasadas solamente por cido sulfrico y cal. Este gas incoloro tiene un olor
irritante, y es muy soluble en agua, formando una solucin dbilmente bsica.
El amonaco puede ser fcilmente licuado a presin (amonaco lquido), y es
un refrigerante importante. El amonaco anhidro es un fertilizante por
aplicacin directa al suelo. El amonaco se obtiene por la reaccin de
hidrgeno y nitrgeno atmosfrico, el gas de sntesis para el amonaco. La
produccin de 1994 de Estados Unidos amoniaco era aproximadamente 40
millones de libras (sexto ms alto qumica volumen). Generalmente se vende
en forma lquida.
El amoniaco es fcilmente biodegradable. Las plantas lo absorben con gran
facilidad eliminndolo del medio, de hecho es un nutriente muy importante
para su desarrollo.
Materia Prima para la produccin de amoniaco
El 77% de la produccin mundial de amoniaco emplea Gas natural como
materia prima.
El 85% de la produccin mundial de amoniaco emplea procesos de
reformado con vapor.
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Figura N4 Procesos empleados para la obtencin del amoniaco a partir de
Hidrocarburos
Usos de amoniaco
El uso final importante de amonaco es el fertilizante para la produccin del
campo de urea, nitrato de amonio y fosfato de amonio y sulfato.
El amonaco anhidro Podra ser aplicado directamente al suelo como un
fertilizante.
La urea est ganando una amplia aceptacin como un fertilizante de accin
lenta.
El amonaco es el precursor de muchos otros productos qumicos, tales como
ntrico cido, hidrazina, acrilonitrilo, y hexametilendiamina. El amonaco, que
tiene tres tomos de hidrgeno por molcula, puede ser visto 'la una energa
fuente. Se ha propuesto Que amonaco lquido anhidro puede utilizarse como
combustible limpio para la industria automotriz. En comparacin con
hidrgeno, amoniaco anhidro es ms manejable. Se almacena en recipientes
de acero o hierro
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Podra ser transportados comercialmente y por tubera, ferrocarril vagones
cisterna y cisterna carretera trucks. La reaccin de oxidacin podra ser
Representada en:
Slo el nitrgeno y el agua se producen. Sin embargo, muchos factores
deben estar considerado como la coproduccin de xidos de nitrgeno, la
economa relacionados con la adaptacin de los motores de automviles, etc.
Lo siguiente describe las sustancias qumicas importantes basadas en
amonaco.
Mtodos de Obtencin de amoniaco
Existen 2 procesos principales para producir el gas de sntesis para el
amonaco:
Reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos ligeros.
Oxidacin parcial de fuel oil pesado.
Figura N5 Reacciones de conversin en procesos de preparacin del gas
de sntesis para el amoniaco
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Figura N6 Diagrama de flujo para la obtencin de amoniaco por el proceso
de reformado de vapor
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Figura N7 Diagrama de flujo para la obtencin de amoniaco por el proceso
de oxidacin parcial
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c) Proceso de Haber Bosch
La produccin de amonaco es de inters histrico porque representa la
primera aplicacin importante de la termodinmica a un proceso industrial.
Teniendo en cuenta la reaccin de sntesis de amonaco a partir de sus
elementos, el calor de reaccin calculada (H) y el cambio de energa libre
(G) a temperatura ambiente son aproximadamente -46 y -16.5 kJ / mol,
respectivamente. Aunque el equilibrio calculado constante Kc = 3,6 x 108 a
temperatura ambiente es alta Sustancialmente, la reaccin se produce en
estas condiciones, y la tasa es prcticamente cero. La reaccin de sntesis
de amonaco podra representarse de la siguiente manera:
El aumento de la temperatura aumenta la velocidad de reaccin, pero
disminuye el equilibrio (Kc @ 500 C = 0:08). De acuerdo con el principio de
Le Chatelier, el equilibrio se ve favorecida a altas presiones y a temperaturas
ms bajas. Gran parte de la investigacin de Haber era encontrar una cola
catalizador favoreci la formacin de amonaco a un precio razonable, a
temperaturas ms bajas. El xido de hierro promovido con otros xidos tales
como xidos de potasio y aluminio se utiliza actualmente para producir
amonaco en buen rendimiento relativamente bajas temperaturas.
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En el proceso comercial, la
mezcla de hidrgeno y
nitrgeno (gas de salida de la
metanador) en una proporcin
de 3: 1 se comprime a la presin
deseada (150 a 1.000
atmsferas). La mezcla
comprimida se precalienta por
intercambio de calor Luego, con
la corriente de producto antes
de entrar en el reactor de
amonaco. La reaccin se
produce en el lecho de
catalizador a aproximadamente
450 C. El gas de salida que
contiene amoniaco pasa a
travs de una cmara de
enfriamiento, donde el
amoniaco se condensa a un
lquido, mientras que el
hidrgeno sin reaccionar y el
nitrgeno son reciclados (vase la
figura 5-2). Por lo general, la
conversin de aproximadamente
15% por pasada se obtiene en
estas condiciones.
Figura N8 Esquema de sntesis de
amonaco usando el mtodo de
Haber-Bosch La mezcla de
Nitrgeno e Hidrgeno entra por el
punto 13 y fluye por los lechos de
catalizador (1-6), el amonaco sale
por el punto 16. La circulacin
indicada por las flechas a travs de
las tuberas (7-12, 14, 15 y 17) es
realizada para eliminar el calor que
se produce en la reaccin
exotrmica.
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d) Mtodo de reformado con vapor
A continuacin se explica el proceso de obtencin de amonaco teniendo
como referencia el diagrama de flujo de bloques del mtodo de reformado
con vapor. Este mtodo es el ms empleado a nivel mundial para la
produccin de amoniaco.
Se parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo
el 90% metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la sntesis de NH3.
Figura N9 Proceso de produccin del amoniaco por reformado con vapor (Jacobo, 2010)
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Etapas
Desulfuracin
Antes del reformado tenemos que eliminar el S
que contiene el gas natural, dado que la empresa
distribuidora le aade compuestos orgnicos de
S para olorizarlo.
Consiste en la eliminacin de los compuestos de
azufre contenidos en el gas natural, por medio de
adsorcin en carbn activado a temperatura
ambiente, y posteriormente a alta temperatura
reaccionando con un catalizador de cobalto-
molibdeno. (Pemex)
R-SH + H2 RH + H2S hidrogenacin
H2S + ZnO H2O + ZnS adsorcin
Reformado
Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado cataltico con
vapor de agua (craqueo- rupturas de las molculas de CH4). El gas natural
se mezcla con vapor en la proporcin (1: 3,3)-(gas: vapor) y se conduce al
proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas.
Reformador primario
Es el primer paso en la disociacin del metano para obtener el
hidrgeno deseado para la generacin de gas de sntesis. El gas
natural desulfurizado se mezcla con vapor de agua y esta corriente
Figura N10 Desulfurador
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pasa al reformador primario (horno de fuego directo con tubos
empacados de catalizador de nquel), donde sobre un catalizador
de nquel, se lleva a cabo la siguiente reaccin:
CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3H2 (g)
Debido a que la reaccin de reformacin primaria es altamente
endotrmica, es necesario suministrar la energa absorbida por la
reaccin, esto se logra mediante el gas combustible que se quema
en la seccin de radiacin del reformador primario a travs de 260
quemadores de techo y doce quemadores de tnel.
El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos
del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes:
CH4 + H2O CO + 3H2 H = 206 kj/mol
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 H = 166 kj/mol
Reacciones fuertemente endotrmicas, estas reacciones se llevan
a cabo a 800C y estn catalizadas por xido de niquel (NiO), as
se favorece la formacin de H2.
Figura N11 Reformador Primario
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Reformador secundario
En el reformador secundario,
se adiciona el aire a proceso y
con ste el nitrgeno requerido
para la reaccin de sntesis de
amoniaco.
El gas de salida del reformador
anterior se mezcla con una
corriente de aire en este 2
equipo, de esta manera
aportamos el N2 necesario
para el gas de sntesis estequiomtrico N2 + 3H2. Adems, tiene
lugar la combustin del metano alcanzndose temperaturas
superiores a 1000C.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O H
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CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) H = -41 kj/mol
Esta reaccin requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La
reaccin se lleva a cabo en dos pasos:
a) A aprox. 400C con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador 75% de la
conversin.
b) A aprox. 225C con un catalizador ms activo y ms resistente al
envenenamiento: Cu-ZnO prcticamente la conversin completa.
Purificacin (Remocin del CO2)
Seguidamente el CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante
absorcin con K2CO3 a contracorriente, formandose KHCO3 segn
K2CO3 + CO2 + H2O 2KHCO3
este se hace pasar por dos torres a baja presin para desorber el CO2, el
bicarbonato pasa a carbn liberando CO2. (subproducto- para fabricacin de
bebidas refrescantes).
Figura N13 Convertidor
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El bixido de carbono generado en la seccin de Mutacin se elimina de la
corriente de gas mediante un sistema de absorcin-desorcin con una
solucin a base de carbonato de potasio de donde es tomado para ventas
como subproducto.
Metanacin
ltima etapa para la purificacin del gas de sntesis, la corriente pasa al
metanador, donde las trazas de xido de carbono residuales son
transformadas en metano y agua en presencia de un catalizador de nquel.
Es la reaccin contraria a la reaccin de reformacin de vapor-hidrocarburo.
Las trazas de CO (0,2%) y CO2 (0,09%), que son peligrosas para el
catalizador del reactor de sntesis, se convierten en CH4:
CO + 3H2 CH4 + H2O
CO2 + H2 CH4 + 2H2O
Proceso sobre lecho cataltico de Ni (300C).
Sntesis de Amoniaco
As se obtiene un gas de sntesis con restos de CH4 y Ar que actan como
inertes.
A continuacin el gas se comprime a la presin de 200 atm.
Aproximadamente (compresor centrfugo con turbina de vapor) y se lleva al
reactor donde tiene lugar la produccin del amonaco, sobre un lecho
cataltico de Fe.
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
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En un solo paso por el reactor la reaccin es muy incompleta con un
rendimiento del 14-15%. Por tanto, el gas de sntesis que no ha reaccionado
se recircula al reactor pasando antes por dos operaciones:
a) Extraccin del amonaco mediante una condensacin.
b) Eliminacin de inertes mediante una purga, la acumulacin de inertes es
mala para el proceso. El gas de purga se conduce a la unidad de
recuperacin.
Ar para comercializarse
CH4 se utiliza como fuente de energa
N2 y H2 se introducen de nuevo en el bucle de sntesis
El gas de sntesis se enva al reactor principal del proceso, donde en
presencia de un catalizador de fierro promovido se obtiene el amonaco en
estado gaseoso, que posteriormente es condensado en el sistema de
refrigeracin.
La reaccin del H2 y N2 para la sntesis del amoniaco a es exotrmica.
Figure N14 Proceso de sntesis del amoniaco
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Figure N15 Diagrama de flujo de la obtencin de amoniaco
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Cadena de valor del amoniaco, obtenido a partir del metano
Produccin del amoniaco
Mercado mundial de amoniaco
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Bibliografa
Gmez, J. (12 de Junio de 203). Operacin de Plantas de Procesamiento de Gas
Natural. Lima, Per.
Jacobo, J. (05 de Mayo de 2010). PEMEX - Complejo Petroqumico
Cosoleacaque. Mxico, Mxico.
Matar, S., & Lewis, H. (2000). Chemistry of Petrochemical Processes. Texas: Gulf
Publishing.
Ray, U. (s.f.). Fundamentals of Petroleum and Petrochemical ENGINEERING.
E.E.U.U.: Taylor and Francis Group.
UCLM. (2012). Sintesis de amoniaco usando el proceso de Haber-Bosch.
Obtenido de
http://www.uclm.es/profesorado/afantinolo/docencia/inorganica/tema8/m%C
3%A9todo%20de%20Haber.pdf
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