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.

4

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)

5

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.

7

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.

8

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

9

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

10

Figura N6 Diagrama de flujo para la obtencin de amoniaco por el proceso

de reformado de vapor

11

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.

13

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.

14

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)

15

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

16

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

17

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

18

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

19

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)

20

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

21

Figure N15 Diagrama de flujo de la obtencin de amoniaco

22

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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