amoníaco a partir del gas de síntesis
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Universidad Mayor de San AndrésFacultad de IngenieríaCarrera de Ingeniería Petrolera
La Paz, ABRIL 2015
Universidad Mayor de San AndrésFacultad de Ingeniería-Carrera de Ingeniería Petrolera
MSc. Ing. Daniel Álvarez GantierMSc. Ing. Daniel Álvarez Gantier
PET-219 Petroquímica BásicaCAPÍTULO 4
Foto: Planta en Egipto
El amoníaco es uno de los productos más importantes de la síntesis química.
Sus usos más importantes son en la industria de fertilizantes y explosivos.
En el pasado el amoniaco se destilaba del carbón como subproducto.
El descubrimiento del proceso Habber Bosch utilizando nitrógeno del aire significó un paso fundamental del Siglo XX.
2Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2014
El amoníaco, trihidruro de nitrógeno, hidruro de nitrógeno (III), azano, espíritu de Hartshorn, nitro-sil, vaporole, gas de amonio o AM-FOL es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de Nitrógeno (N) y tres átomos de Hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula NH3.
3Wikipedia la enciclopedia libre, Amoníaco, (2010)
4Department of Energy, Potential of NH3, 2012
5Wikipedia la enciclopedia libre, Amoníaco, (2010)
La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza.
El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales.
En la actualidad la producción mundial de amoníaco se acerca a las 160 MMTA.
6Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
7Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
Químico MMTon/a
Ácido Sulfúrico 167
Amoníaco 150
Urea 125
Etileno 110
Cloro 60
Soda Caústica 45
Metanol 38
2008
Doehler W., Amoníaco 2008
8Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
82%
18%
Usos NH3
Urea
Otros Usos
9Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
10Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
11Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
12Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
13Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
14Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2012
15Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010; M Mühler, Angew. Chem., (2001)
Para producir amoníaco se necesitan altas presiones y bajas temperaturas.
A temperaturas por debajo de los 670ºK la velocidad de reacción es muy baja.
Temperatura mínima requerida para llegar al equilibrio debe ser muy rápida.
Condiciones típicas de operación: Entrada 675ºK Salida 720 - 750ºK Presión: 100-250 bar
16Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2012
17Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2012
El catalizador de hierro consiste en Magnetita (Fe3O4), la misma que es enriquecida con óxidos de Al y K.
Los promotores se disuelven en la magnetita o forman ferritas metálicas.
Composición: 89-95% de ferrita; 2-4% de alúmina; 0,5 a 1% K2O; 2-4% CaO.
18Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
19Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2012
El amoníaco se obtiene a partir del gas de síntesis en presencia de Nitrógeno de acuerdo a la siguiente reacción:
El Nitrógeno se obtiene del aire, por lo que deberá constuirse una planta de separación adicional.
Las plantas antiguas, generalmente tienden a no se competitivas.
La tecnología antigua es menos eficiente, tiene costos de materia prima altos y capacidades pequeñas.
Si se adquieren inevitablemente se realizan revamping para que se puedan acomodar al mercado competitivo.
Muchos operadores recomiendan instalar plantas de escala (+4000 ton/d).
20Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
21Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
22Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
23Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
24Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
El hidrógeno del gas de síntesis normalmente contiene elevados niveles de CO.
Este gas se hace reaccionar con agua por lo que se denomina water gas reaction o shift reaction.
25Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
CO + H2O = CO2 + H2
En las condiciones de equilibrio la conversión de CO es incompleta por lo que se usan por lo general varios reactores adiabáticos en serie.
26Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
Las plantas antiguas, generalmente tienden a no se competitivas.
La tecnología antigua es menos eficiente, tiene costos de materia prima altos y capacidades pequeñas.
Si se adquieren inevitablemente se realizan revamping para que se puedan acomodar al mercado competitivo.
Muchos operadores recomiendan instalar plantas de escala (+4000 ton/d).
27Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2012
28Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2012
29Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
30Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
31Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011
32Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010
Diseño optimizado del Reformador – Utilización de mejores materiales en los tubos – Mayor flujo de calor ahorro en el numero de ⇒
tubos – Introducción del intercambiador de calor de
reformación (HTER) Reactores mas pequeños – Debido a las continuas mejoras en los
catalizadores – Desarrollo conjunto de tecnología y catalizadores
- “The Topsøe Approach”
33Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011Haldor Topsoe, 2011
34Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010Haldor Topsoe, 2011
El diseño actual para la producción de amoníaco por parte de Topsoe contiene los siguientes pasos tradicionales:
1.Desulfurización2.Reformado Primario y Secundario3.Conversión shift (2 etapas)4.Remoción de CO25.Metanación6.Compresión7.Síntesis de amoníaco8.Recuperación de producto
35Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011Haldor Topsoe, 2011
Las dos áreas más importantes para el rendimiento y costo del amoníaco son:
1.La sección de reformación2.La sección de síntesis del amoníaco.
En particular el diseño del reformador primario (Calentado por los lados) ha tenido un desarrollo importante gracias a los nuevos materiales de los tubos que le han dado mayor resistencia.
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Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2011Haldor Topsoe, 2011
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Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2011
En particular el diseño y rendimiento del reformador primario (calentado por los lados) se ha innovado sustancialmente a través del los sistemas compactos.
Esto ha sido posible por la incorporación de nuevos tubos con mejores materiales.
La utilización de nuevos tubos redunda en el grosor del tubo que a la vez le da una vida útil más larga.
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Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2011
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Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2011
Nuevo diseño del quemador en el Reformador Secundario
– Mantenimiento mínimo Stripper de condensado de procesos de MP – Mejor performance (“stripeo”) – Sin efluentes, ni emisiones Convertidor de Amoniaco S-300 – Volumen reducido de catalizador menor ⇒
tamaño menor costo⇒ – 20% de ahorro en el volumen del catalizador.
40Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2011
41Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2010Haldor Topsoe, 2011
42Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013
Durante más de 60 años, la tecnología del amoníaco se ha desarrollado tanto en calidad de catalizadores, cuanto en la tecnología del convertidor.
En la actualidad los convertidores de amoníaco están basados en convertidores de flujo radial donde el gas de síntesis y el nitrógeno se combinan para obtener amoníaco.
Este tipo de convertidor fue desarrollado inicialmente en la década de 1960.
43Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013
44Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013
45Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013
La reacción de síntesis de amoníaco es una reacción fuertemente exotérmica y qequiere un arreglo complicado del convertidor (radial).
N2 + 3H2 = 2NH3
Es por esta razón que es muy importante seleccionar el catalizador adecuado para que la reacción se lleve a cabo sin contratiempos y en el tiempo.
46Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013
Por ejemplo los catalizadores Katalco tiene una formulación de una magnetita multipropósito que tiene las siguientes características:
Composición (34-56-10) de Al2O3, K2O2, CaO. Pueden existir muchas más formulaciones.
47Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013
48Álvarez G.D.; Industrialización del gas, 2013Haldor Topsoe, 2013