Amonaco

PETROQUMICA DEL GAS NATURAL________________________________________________________________________________________________

CAPTULO 4

PROCESOS PETROQUMICOS PARA TRANSFORMAR METANO A UREA Y FERTILIZANTES 4.1 Produccin de Amonaco

4.1.1 IntroduccinEl amonaco es un compuesto qumico cuya molcula est compuesta por un tomo de nitrgeno (N) y tres tomos de hidrgeno (H) y cuya frmula qumica es NH3.El nombre de amonaco deriva del nombre dado a una divinidad egipcia: Amn. Los egipcios preparaban un compuesto, cloruro amnico, a partir de la orina de los animales en un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevo a Europa mantuvo ese nombre en recuerdo de la sal de Amn.Propiedades fsico qumicas del amonaco: Gas incoloro en condiciones normales

Temperatura de solidificacin 77,7 C

Temperatura normal de ebullicin 33,4 C

Calor latente de vaporizacin a 0C 302 kcal/kg

Presin de vapor a 0 C 4,1 atm.

Temperatura crtica 132,4 C

Presin crtica 113atm.

Densidad del gas (0 C y 1 atm.) 0,7714 g/l Efectos txicos:Es txico por inhalacin (edema pulmonar) y los vapores producen irritacin de ojos. Las salpicaduras de amonaco lquido producen quemaduras y un dao irreparable en los ojos.Almacenamiento:El amonaco se puede almacenar en almacenamientos refrigerados a presin atmosfrica y aproximadamente 33C con capacidades de 10000 a 30000 tn (hasta 50000)Tambin puede almacenarse en esferas o tanques a presin a temperatura ambiente y su presin de vapor con capacidades de hasta 1700 tn.

Por ultimo se utilizan esferas semirefrigeradas a presiones intermedias (4atm) y 0C estas esferas tambin tienen capacidades intermedias entre los almacenamientos a temperatura ambiente y los refrigerados.

4.1.2 Sntesis industrial

El NH3 se obtiene exclusivamente por el mtodo denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh recibieron el Premio Nobel de qumica en los aos 1918 y 1931). El proceso consiste en la reaccin directa entre el nitrgeno y el hidrgeno gaseososN2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) H = -46,2 kj/molS < 0

es una reaccin exotrmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formacin de amonaco

Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reaccin muy lenta, puesto que tiene una elevada energa de activacin, consecuencia de la estabilidad del N2. La solucin de Haber al problema fue utilizar un catalizador (xido de hierro que se reduce a hierro en la atmsfera de H2) y aumentar la presin, ya que esto favorece la formacin del producto. Convertir el mtodo de Haber en un proceso de fabricacin fue trabajo realizado por Carl Bosh, ingeniero qumico de la BASF, quien de este modo consigui su nobel.

En la prctica las plantas operan a una presin de 100-1000 atm. y a una temperatura de 400 - 600 C En el reactor de sntesis se utiliza -Fe como catalizador (Fe2O3 sobre AlO3 catlisis heterognea). A pesar de todo, la formacin de NH3 es baja con un rendimiento alrededor del 15%. Los gases de salida del reactor pasan por un condensador donde se puede licuar el NH3 separandolo as de los reactivos, los cuales pueden ser nuevamente utilizados.Los estudios sobre el mecanismo de la reaccin indican que la etapa determinante de la velocidad de la reaccin es la ruptura de la molcula de N2 y la coordinacin a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa ms fcilmente. Se producen una serie de reacciones de insercin entre las especies adsorbidas para producir el NH3.

El catalizador funciona adsorbiendo las molculas de N2 en la superficie del catalizador debilitando el enlace interatmico N-N; de esta forma se origina N atmico el cual reacciona con tomos de hidrogeno que provienen de la disociacin de H2 que tambin tiene lugar en la superficie metlica.

Horno de sntesisEl comportamiento del acero frente al hidrgeno a altas presin y temperatura es un factor determinante para la construccin de un horno de sntesis.El hierro a elevadas temperatura y presin es permeable al hidrgeno, que en estas condiciones es capaz de eliminar al carbono con formacin de hidrocarburos. Con esto el acero pierde resistencia y despus de un cierto tiempo de funcionamiento el horno puede rajarse y explotar. Para impedirlo se construye el horno con hierro dulce pobre en carbono. Este apenas tiene resistencia a la presin y tampoco puede evitar que el H2 se difunda a travs, pero estas dificultades pueden salvarse si se reviste este tubo con un segundo de acero al cromo-nquel, resistente a la presin y se procura simultneamente que el hidrgeno que se difunda a travs del primero se pueda eliminar del espacio entre ambos con facilidad y a baja presin.Existen numerosos mtodos en la sntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber - Bosch original. Las modificaciones ms importantes estn relacionadas con la fuente del gas de sntesis, la diferencia en los procesos de preparacin del gas de sntesis y las condiciones de obtencin del amoniaco. La produccin de una planta de NH3 ronda las 1500 tn/da. La fabricacin de amonaco constituye uno de los ejemplos de la industria qumica pesada. En la Fig. 4-1, se muestra el diagrama de las materias primas a partir de los hidrocarburos.

FIGURA 4-1 Materias primas

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. Las previsiones son que el gas natural siga siendo la materia prima principal durante por lo menos los prximos 50 aos.

4.1.3 Proceso de produccin de amonacoMtodo 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 (Fig. 4-2). 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 4-2 Proceso de Produccin de Amoniaco

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.

R-SH + H2 RH + H2S hidrogenacin

H2S + ZnO H2O + ZnS adsorcinReformado.-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.-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.Reformador secundario.-

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