Trabajo Extraclase N°1 Proceso Obtencion Amoniaco PDF

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Descripción del proceso de producción de amoniaco ...

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Encabezado: Trabajo Extraclase N°1 PROCESO OBTENCION AMONIACO

PROCESOS INDUSTRIALES

Trabajo Extraclase N°1 PROCESO OBTENCION AMONIACO

NOMBRE DEL ESTUDIANTE

Nombre del Tutor TECN. EN INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

Fundación Educativa del Oriente - UNIORIENTE 2020

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Encabezado: Trabajo Extraclase N°1 PROCESO OBTENCION AMONIACO

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Tabla de contenido 1.

Descripción del proceso general de obtención de AMONIACO, conceptos generales ....3 1.1. ¿Qué es el amoniaco? .................................................................................................3 1.2. ¿Cómo se obtiene el amoniaco? .................................................................................3 1.3. Proceso Haber-Bosch para la obtención de amoniaco ...............................................3 1.4. Proceso de Producción ...............................................................................................4 Reformado con vapor .............................................................................................................. 4 Desulfuración...........................................................................................................................4 Reformado ...............................................................................................................................5 Reformador primario ............................................................................................................... 5 Purificación ..............................................................................................................................5 Etapa de conversión................................................................................................................. 5 Etapa de eliminación del 𝐶𝑂2 ................................................................................................. 6 Etapa de metanización. ............................................................................................................ 6 Síntesis de amoníaco ...............................................................................................................6 2. Materiales que intervienen en el proceso. .........................................................................7 3. Diagrama de proceso con descripción de equipos e instrumentación que se utiliza. ........8 4. Aplicaciones en la industria ............................................................................................. 11 4.1. Productos de limpieza domésticos. ..........................................................................11 4.2. Amoniaco en calderas de vapor. ..............................................................................11 4.3. El amoniaco en fertilizantes. ....................................................................................11 4.4. Otros usos industriales. ............................................................................................11 5. Aspectos ambientales y de seguridad ..........................................................................12 5.1. Gases residuales .......................................................................................................12 5.2. Aguas residuales....................................................................................................... 12 5.3. Sustancias sólidas .....................................................................................................13 5.4. Efectos en la Salud ...................................................................................................13 5.5. Efectos en el Ambiente ............................................................................................13 Bibliografía Web ....................................................................................................................... 14

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1. Descripción del proceso general de obtención de AMONIACO, conceptos generales El amoniaco (NH3) se utiliza en muchos ámbitos industriales, pero también domésticos. Podemos encontrarlo en fertilizantes, medicamentos o productos de limpieza. 1.1. ¿Qué es el amoniaco? El amoniaco, también llamado gas de amonio o formulado como trihidruro de nitrógeno, es un compuesto químico; tiene un olor muy fuerte y desagradable y se encuentra habitualmente en forma de gas incoloro. Disolviéndolo en agua, a través de un procedimiento, se obtiene amoniaco en estado líquido. Es este el que podemos encontrarnos en diferentes formatos y de esta forma se comercializa para usos domésticos. 1.2. ¿Cómo se obtiene el amoniaco? El amoniaco se produce de forma natural mediante la descomposición de la materia orgánica, pero se produce a gran escala de forma industrial. El proceso que se utiliza para obtener amoniaco es el proceso de Haber-Bosch y su nombre viene de los primeros químicos que lo llevaron a cabo: Fritz Haber y Carl Bosch. Este proceso consiste en la reacción de nitrógeno e hidrógeno en forma gaseosa. El nitrógeno proviene de la atmósfera mientras que el hidrógeno viene del gas natural. La fórmula sería la siguiente:

𝑵𝟐 (𝒈) + 𝟑𝑯𝟐 (𝒈) → 𝟐𝑵𝑯𝟑 (𝒈) Consiste en una reacción que se lleva a cabo lentamente, ya que se necesita muchísima energía de activación para ello. Esto hace que el nitrógeno se mantenga estable. Para que la reacción sea más rápida se utiliza un catalizador y de esta forma se aumenta la presión y la temperatura hasta que se consigue. 1.3. Proceso Haber-Bosch para la obtención de amoniaco El proceso de Haber-Bosch obtiene el amoniaco de la combinación directa del nitrógeno del aire con el hidrógeno. En los textos de Química General e Inorgánica se hace referencia a un proceso de Haber-Bosch que, evolucionando a lo largo del siglo XX, ha llegado a unas condiciones y catalizadores óptimos. Así, por ejemplo, en el libro de J. A. Babor y J. Ibarz podemos leer sobre el “proceso Haber”: El amoniaco se prepara por unión directa de los elementos, según el proceso Haber:

𝑵𝟐 + 𝟑𝑯𝟐 ↔ 𝟐𝑵𝑯𝟑 + 𝟐𝟐´𝟎𝟖𝑲𝒄𝒂𝒍 Esta reacción es reversible. De la ecuación termoquímica se deduce que el rendimiento en amoniaco disminuye al aumentar la temperatura (ley de van’t Hoff), pero a bajas temperaturas la

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reacción es demasiado lenta para poder utilizarse prácticamente. En presencia de un catalizador, por ejemplo, una mezcla especial preparada con hierro, molibdeno y algo de Al2O3, la combinación se acelera muchísimo. Pero incluso con ayuda de un catalizador no podría aprovecharse industrialmente la reacción si no interviniera otro factor: la presión. En la ecuación química anterior se observa que la formación de amoniaco va acompañada de una disminución de volumen, esto es, que cuatro volúmenes de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se convierten en dos volúmenes de amoniaco. Por consiguiente, la reacción directa se favorece aumentando la presión (principio de Le Chatelier). Con el empleo de catalizadores, y regulando la temperatura y presión, es posible obtener rendimientos satisfactorios para la producción a gran escala. Así, se consigue un rendimiento del 15 % empleando una presión de 200 atm a 450-500 ºC. El hidrógeno y el nitrógeno que se usan en el proceso Haber deben ser muy puros, para evitar el envenenamiento del catalizador. Después de pasar por éste, los gases se enfrían, y el amoníaco se separa licuándolo a presión o por absorción en agua. Los gases residuales vuelven a la cámara catalítica para su ulterior tratamiento1.

1.4. Proceso de Producción Existen 2 procesos principales para producir el gas de síntesis para el amoníaco:  

Reformado con vapor de gas natural o hidrocarburos ligeros. Oxidación parcial de fuel oil pesado.

La síntesis del amoníaco es independiente del proceso empleado para el gas de síntesis, aunque la calidad de este afecta al diseño del bucle de síntesis y a las condiciones de operación. Reformado con vapor A continuación se explica el proceso de obtención de amoníaco; e parte del gas natural constituido por una mezcla de hidrocarburos siendo el 90% metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3. Desulfuración Antes del reformado tenemos que eliminar el S que contiene el gas natural, dado que la empresa distribuidora le añade compuestos orgánicos de S para olorizarlo.

𝑹 − 𝑺𝑯 + 𝑯𝟐 → 𝑹𝑯 + 𝑯𝟐 𝑺

Hidrogenación

𝑯𝟐 𝑺 + 𝒁𝒏𝑶 → 𝑯𝟐 𝑶 + 𝒁𝒏𝑺 Adsorción

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Babor, J. A. y Ibarz, J. (1983), p. 614.

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Reformado Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua (craqueorupturas de las moléculas de (𝐶𝐻4 ). El gas natural se mezcla con vapor en la proporción (1:3,3)(gas: vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas Reformador primario El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes:

𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐 𝑶 ↔ 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐 ∆𝑯 = 𝟐𝟎𝟔𝒌𝒋/𝒎𝒐𝒍 𝑪𝑯𝟒 + 𝟐𝑯𝟐 𝑶 ↔ 𝑪𝑶 + 𝟒𝑯𝟐 ∆𝑯 = 𝟏𝟔𝟔𝒌𝒋/𝒎𝒐𝒍 reacciones fuertemente endotérmicas Estas reacciones se llevan a cabo a 800ºC y están catalizadas por óxido de níquel (NiO), así se favorece la formación de 𝐻2 . Reformador secundario: El gas de salida del reformador anterior se mezcla con una corriente de aire en este 2º equipo, de esta manera aportamos el 𝑁2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico 𝑁2 + 3𝐻2 . Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC.

𝑪𝑯𝟒 + 𝟐𝑶𝟐 → 𝑪𝑶𝟐 + 𝟐𝑯𝟐 𝑶 ∆𝑯 ≪ 𝟎 En resumen, después de estas etapas la composición del gas resultante es aprox. 𝑁2 (12,7%), 𝐻2 (31,5%), CO (6,5%), 𝐶𝑂2 (8,5%), 𝐶𝐻4 (0,2%), 𝐻2 𝑂 (40,5%), Ar (0,1%). → conversión 99% de hidrocarburo. Purificación El proceso de obtención de 𝑁𝐻3 requiere un gas de síntesis de gran pureza, por ello se debe eliminar los gases 𝐶𝑂 y 𝐶𝑂2 . Etapa de conversión. Tras enfriar la mezcla se conduce a un convertidor donde el CO se transforma en 𝐶𝑂2 por reacción con vapor de agua,

𝑪𝑶 + 𝑯𝟐 𝑶 ↔ 𝑪𝑶𝟐 + 𝑯𝟐 ∆𝑯 = −𝟒, 𝟏 𝒌𝒋/𝒎𝒐𝒍 Esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reacción se lleva a cabo en dos pasos:

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a) A aprox. 400ºC con 𝐹𝑒3 𝑂4 . 𝐶𝑟2 𝑂3 como catalizador → 75% de la conversión. b) A aprox. 225ºC con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO → prácticamente la conversión completa. Etapa de eliminación del 𝑪𝑶𝟐 Seguidamente el 𝐶𝑂2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con 𝐾2 𝐶𝑂3 a contracorriente, formandose 𝐾𝐻𝐶𝑂3 según

𝑲𝟐 𝑪𝑶𝟑 + 𝑪𝑶𝟐 + 𝑯𝟐 𝑶 → 𝟐𝑲𝑯𝑪𝑶𝟑 Este se hace pasar por dos torres a baja presión para desorber el 𝐶𝑂2 , el bicarbonato pasa a carbón liberando 𝐶𝑂2 . (subproducto- para fabricación de bebidas refrescantes). Etapa de metanización. Las trazas de CO (0,2%) y 𝐶𝑂2 (0,09%), que son peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en 𝐶𝐻4 :

𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐 ↔ 𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐 𝑶 𝑪𝑶𝟐 + 𝑯𝟐 ↔ 𝑪𝑯𝟒 + 𝟐𝑯𝟐 𝑶 Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC). Síntesis de amoníaco Así se obtiene un gas de síntesis con restos de 𝐶𝐻4 y Ar que actúan como inertes. A continuación el gas se comprime a la presión de 200 atm. Aproximadamente (compresor centrífugo con turbina de vapor) y se lleva al reactor donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico de Fe.

𝑵𝟐 (𝒈) + 𝟑𝑯𝟐 (𝒈) ↔ 𝟐𝑵𝑯𝟑 (𝒈) En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 14-15%. Por tanto, el gas de síntesis que no ha reaccionado se recircula al reactor pasando antes por dos operaciones, a) extracción del amoníaco mediante una condensación. b) eliminación de inertes mediante una purga, la acumulación de inertes es mala para el proceso. El gas de purga se conduce a la unidad de recuperación Ar para comercializarse 𝐶𝐻4 se utiliza como fuente de energía 𝑁2 y 𝑁2 se introducen de nuevo en el bucle de síntesis

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El amoníaco se almacena en un tanque criogénico a -33ºC, el amoníaco que se evapora (necesario para mantener la temperatura) se vuelve a introducir en el tanque. 2. Materiales que intervienen en el proceso. La demanda mundial de abonos nitrogenados sintéticos asciende en la actualidad a aproximadamente 80 millones de toneladas al año. Prácticamente la única fuente de nitrógeno para todos los abonos nitrogenados sintéticos es el amoníaco - fórmula química 𝑁𝐻3 −, conocido por su olor penetrante, en estado gaseoso en condiciones ambientales y líquido a -33°C bajo presión atmosférica. Para la producción del gas de síntesis del amoníaco se utilizan las siguientes materias primas:        

Hulla Lignito Turba Residuos de hidrocarburos con elevado punto de ebullición Nafta ligera Agua Gas natural y otros gases. Aire atmosférico para el Nitrógeno (también puede obtenerse de la reacción entre el hidrógeno y otros gases combustibles que se queman con el Oxígeno, y para el Hidrogeno, principalmente se obtiene de la reacción del gas natural (metano) con vapor de agua.

La producción de hidrógeno para la síntesis amoniacal mediante disociación electrolítica del agua sólo ha alcanzado una importancia secundaria por razones económicas. El gas de síntesis producido es transformado siempre directamente en amoníaco

Encabezado: Trabajo Extraclase N°1 PROCESO OBTENCION AMONIACO 3. Diagrama de proceso con descripción de equipos e instrumentación que se utiliza.

Producción de 𝑵𝑯𝟑 mediante reformado convencional con vapor

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Diagrama detallado del proceso de fabricación de amoniaco a partir de gas natural. Equipamiento Reformador Primario: El reformador primario está formado por un gran número de tubos llenos de catalizador. En algunas plantas nuevas o modernizadas, la mezcla de vapor precalentado y gas atraviesa un pre-reformador adiabático y, a continuación, se vuelve a calentar en la sección de convección.

Ejemplo de una sección radiante de un reformador y un reformador secundario. (1) Colector de entrada, (2) Quemadores, (3) Tuberías del reformador, (4) Colector de salida, (5) entrada de aire de proceso, (6) Lecho catalizador, (7) Salida de gas.

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Reformado secundario: El objetivo principal del reformado secundario es añadir el nitrógeno necesario para la síntesis y para completar la conversión de la alimentación de hidrocarburo. Para ello, se efectúa una combustión interna de parte del gas de reacción antes de que atraviese los catalizadores que contienen níquel y, de este modo, se obtiene el calor de reacción y la temperatura necesarios. Compresión: En las instalaciones modernas de producción de amoniaco se utilizan compresores centrífugos para presurizar el gas de síntesis hasta conseguir el nivel necesario (100 – 250 bar, 350 – 550 °C) para la síntesis del amoniaco. En algunos casos, se emplean tamices moleculares después de la etapa de compresión inicial para eliminar las últimas trazas de H2O, CO y CO2 del gas de síntesis. Los compresores suelen funcionar con turbinas de vapor que aprovechan el vapor obtenido del exceso de calor de proceso. Reactores: Dado que la reacción es exotérmica el reactor debe ser diseñado para prevenir que la temperatura se incremente por encima del nivel donde el catalizador no pueda resistir. Dos tipos de reactores son normalmente disponibles, reactores tubulares y rectores de lechos múltiples, tres generaciones pueden distinguirse cronológicamente: 

Reactores de 1ra Generación: Tubo y carcaza: reactores verticales, capacidades < 600t/día, presión de operación >30-35MPa abs, y con flujo axial; Múltiples lechos: con enfriamiento intermedio como es el caso del BASF, el cual trabaja por inyección de gas de enfriamiento y el Montecatini el cual trabaja con agua.



Reactores de 2da Generación: Reactores verticales con múltiples lechos catalíticos, para capacidades de 1500t/día, operando con flujo axial y con una presión de 20-25 MPa abs. Sistema de enfriamiento por inyección de gas como el reactor Kellogg, Topsoe (flujo radial), Ammonia Casale e ICI; o por inyección agua como el UHDE y C.F. Braun



Reactores de 3ra Generación: Kellogg, sistema horizontal, flujo axial, lecho catalítico, enfriamiento con inyección de gas y baja caída de presión. Topsoe (serie 200): Vertical, flujo radial, lecho catalítico, con intercambiador de calor que opera con gas de enfriamiento

Otros Equipos: Para la producción de Amoniaco, durante su proceso se hace necesario el estudio y formulación de los equipos de acuerdo a múltiples factores como lo son la capacidad de producción, entre otros; de allí que sea necesario un trabajo de ingeniería donde se calculen las necesidades y se establezcan los diseños de la planta y sus equipos.       

Convertidores de Monóxido de Carbono Metanizador Sistema de Absorción de 𝐶𝑂2 Desidratador Intercambiadores de Calor Condensadores Vaporizadores

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4. Aplicaciones en la industria Pese a que se utiliza muchísimo en diferentes campos, el amoniaco es cáustico y bastante peligroso. Una vez obtenido, se vende en formato líquido y es muy recurrido en diferentes industrias. Desde la preparación de fertilizantes hasta fármacos. 4.1. Productos de limpieza domésticos. Podemos encontrar el amoniaco por sí solo, para usar en la limpieza del hogar. Es eficaz para limpiar superficies lisas, como azulejos, suelos, bañeras o encimeras. El amoniaco es un producto de limpieza muy potente. Tiene propiedades desengrasantes y quitamanchas, lo que lo convierte en un producto perfecto para limpiar la superficie de la cocina. Otro uso importante del amoniaco es para la limpieza de textiles, como alfombras o incluso ropa. Además, se evapora muy de prisa. Otro uso del amoniaco en casa es el decapado de los muebles, que consiste en eliminar el barniz de la madera. 4.2. Amoniaco en calderas de vapor. El amoniaco se emplea en calderas para elevar el pH y de esta manera minimizar la corrosión. El pH objetivo es entre 9 y 9,4. El amoniaco se dosifica en el circuito agua – vapor para elevar el pH del agua de aporte al sistema que suele estar en valores entre pH 7 y pH 7,6. 4.3. El amoniaco en fertilizantes. El amoniaco se ha utilizado en el campo de la agricultura desde el siglo XX. En las últimas décadas se sabe que casi el 90% del amoniaco producido en el mundo se usa para la elaboración de fertilizantes alrededor de todo el planeta, tales como:   

Nitrato de Amoniaco: 𝑁𝐻4 𝑁𝑂3 Sales Amónicas: (𝑁𝐻4 )2 𝑆𝑂4 , (𝑁𝐻4 )2 𝑃𝑂4 Urea: (𝑁𝐻2 )2 𝐶 = 𝑂

4.4. Otros usos industriales. Podemos encontrarlo en forma de gas, usado como gas refrigerante en aparatos de aire acondicionado entre otros. Esto se debe a que tiene la propiedad de absorber el calor. Se usa también en conjunción con otros compuestos para purificar agua, o en productos como pesticidas, pinturas o plásticos. Lo encontramos también en sistemas de tratamiento de aguas residuales y de residuos, así como en la industria dedicada a la celulosa y el papel.

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5. Aspectos ambientales y de seguridad La fabricación de amoníaco de amoníaco es un proceso muy limpio y generalmente no existen vertidos líquidos. Es un proceso que consume mucha energía, por lo que, es necesario máxima recuperación y el eficiente empleo del calor liberado. 5.1. Gases residuales Anhídrido carbónico (𝑪𝑶𝟐 ): Se forma en una concentración aprox. de 98,5 vol % y se utiliza parcial o totalmente como materia prima para...