PROYECTO DEL PRIMER PARCIAL: LÍNEA DE PROCESO INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE AMONIACO A PARTIR DEL GAS NATURAL

 UNIVERSIDAD LAICA ‘‘ELOY ALFARO’’ DE MANABÍ

                                                          

9 no ‘‘B’’

GRUPO # 10

INTEGRANTES:

• CEDEÑO BARCIA MELANI ANALIA 
• CARREÑO CEDEÑO CÈSAR SAMUEL
• TUMBACO CEDEÑO ADRIANA CAROLINA
• ROBLES DELGADO JACINTO RODRIGO 

LÍNEA DE PROCESO INDUSTRIAL PARA LA ELABORACIÓN DE AMONIACO A PARTIR DEL GAS NATURAL

1. INTRODUCCIÓN

El amoniaco es uno de los productos petroquímicos de mayor importancia a nivel mundial entre los que se produce comercialmente por el hombre. El amoniaco a temperatura ambiente es un gas incoloro con un olor muy penetrante e irritante. Se emplea en solución acuosa. Es fácilmente soluble en agua y se evapora rápidamente.

La obtención del amoniaco se lleva a cabo principalmente a partir de la reacción de Nitrógeno (N₂) e Hidrógeno (H₂), mediante procesos industriales. Pequeñas cantidades de amoniaco se producen industrialmente como subproducto de la coquización del carbón. La mayor proporción de producción industrial de amoniaco ocurre en áreas donde el gas natural es barato y abundante ya que el amoniaco se sintetiza usando este como materia prima.

Actualmente más del 90% del amoníaco consumido industrialmente se manufactura a partir de sus elementos nitrógeno e hidrógeno, mediante el proceso catalítico desarrollado originalmente por Haber y Bosch entre los años 1907 y 1912. Desde entonces, no se han detectado cambios fundamentales en el proceso de síntesis de amoníaco. Aún hoy en día, la sección de síntesis de amoníaco conserva la misma configuración básica que la de las primeras plantas.

2. JUSTIFICACIÓN

 

El amoniaco (NH₃) es el cimiento de la industria de fertilizantes nitrogenados. A nivel mundial cercad el 89% de la producción de amoniaco es utilizada en fertilizantes, tanto para aplicación directa o convertida en una variedad de fertilizantes nitrogenados sólidos y líquidos. Sin embargo, hay muchas aplicaciones industriales importantes para el NH₃: los limpiadores para el hogar están hechos de una solución de NH₃ al 5 -10% en agua (para formar hidróxido de amonio), por su gran poder de vaporización es utilizado como refrigerante, inhibidor de corrosión, en purificación de fuentes de agua, en la industria de pulpa de papel, en la metalurgia, industria del caucho, en comidas, en bebidas, en textiles, en productos farmacéuticos y en la industria el cuero (IPNI, 2014).

Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original del año 1913. Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco. La fabricación de amoníaco constituye uno de los ejemplos de la industria química pesada. El 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de reformado con vapor (COLCIENCIAS, 2013).

El siguiente trabajo distinguirá reflejado la descripción que las diferentes etapas involucradas en el proceso industrial.

La utilidad de este trabajo se refleja en el manejo y dominio de las diferentes destrezas adquiridas durante el parcial. Es de suma importancia demostrar los diferentes procesos físicos y químicos que transcurren dentro de las etapas de la línea de proceso industrial para la obtención de amoniaco.

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

 

3.1 Amoniaco

El amoníaco es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. 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. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. La mayor parte del amoníaco producido en plantas químicas es usada para fabricar abonos. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas (ATSDR, 2002).

Según la teoría de repulsión entre pares de electrones de la capa de valencia, los pares electrónicos de valencia del nitrógeno en la molécula se orientan hacia los vértices de un tetraedro, distribución característica cuando existe hibridación sp³. Existe un par solitario, por lo que la geometría de la molécula es piramidal trigonal (grupo puntual de simetría C3v). En disolución acuosa se puede comportar como una base y formarse el ion amonio, NH4+, con un átomo de hidrógeno en cada vértice de un tetraedro.

La molécula de amoniaco presenta átomos de hidrógeno unidos a un átomo de nitrógeno, que es muy pequeño y electronegativo, lo que facilita la formación de enlaces intermoleculares de hidrógeno.

Según la teoría de Brönsted-Lowry base es toda sustancia capaz de captar la especie H⁺, por ello el amoniaco se va a comportar como una base, captando protones y dando lugar a la formación del ion amonio

NH₃ + H⁺ →NH4⁺

Al igual que cualquier base reacciona con los ácidos para formar sales (reacción de neutralización)

NH₃ + HCl → NH₄Cl

Este carácter básico puede explicarse también mediante la teoría de Lewis, ya que el átomo de nitrógeno tiene un par de electrones sin compartir que pueden ser cedidos a otros compuestos, explicándose también de esta manera la formación del ion amonio. En disolución acuosa, el amoniaco, libera iones OH^-

NH₃ + H₂O → NH₄⁺ + OH^-

El valor de la constante de equilibrio nos indica que se trata de una base débil. Industrialmente se vende como gas comprimido con una pureza de 99,5%.

3.2 Propiedades físicas

En condiciones de temperatura y presión ambiente el Amoniaco Anhidro es un gas incoloro, sofocante, de olor irritante y altamente irritante; su olor es familiar al público en general debido a que se emplea en productos de limpieza en forma de soluciones acuosas. Es más liviano que el aire y posee características de inflamabilidad. Es fácilmente comprimido hasta condensar como líquido transparente a condiciones de 10 atmósferas y 25ºC. El Amoniaco Anhidro en cualquiera de sus presentaciones es higroscópico.

·         Estado físico:  Gas, puro Líquido, solución

·         Peso molecular (g/mol): 17,03

·         Punto de ebullición (ºC, 760 mm Hg): -33,35

·         Punto de fusión (ºC): -77,7

·         Presión de vapor (mm Hg): 6 080 (20ºC anhidro) 447 (20ºC aq al 28%)

·         Gravedad especifica (Agua = 1): 0,6818 (líquido a -33,35ºC)

·         Densidad del vapor (Aire = 1): 0,59

·         Velocidad de evaporación (acetato de butilo = 1): No disponible

·         Constante de Ley de Henry (atm*m3 /mol): 1,6 x 10-5; 25ºC

·         Solubilidad en Agua (g/ml)

0ºC = 895 g/litro

20ºC = 529 g/litro

40ºC = 316 g/litro

60ºC = 168 g/litro

Límites de inflamabilidad (% vol): 16% - 25%

Punto de inflamación (ºC): No disponible

pH: 11,6; solución acuosa 1N

 

3.3 Aplicaciones y usos

Amoniaco en los fertilizantes

Alrededor del 90 por ciento del amoníaco producido se utiliza en fertilizantes para mantener la producción de alimentos para miles de millones de personas en todo el mundo. La producción de cultivos para alimentos consume los suministros de nutrientes del suelo. Con el fin de mantener los cultivos sanos, los agricultores dependen de los fertilizantes para mantener sus terrenos productivos. Los fertilizantes también pueden aumentar los niveles de nutrientes esenciales como el zinc, el selenio y el boro en los cultivos de alimentos.

Amoniaco en los productos de limpieza para el hogar

Por sí solo o como ingrediente en muchos productos de limpieza para el hogar, el amoníaco puede utilizarse para limpiar una variedad de superficies como bañeras, lavabos y retretes, para encimeras y azulejos de baño y cocina. El amoníaco también es eficaz en la eliminación de la suciedad de la casa y de las manchas de grasas animales o aceites vegetales, como la grasa que se genera al cocinar y las manchas de vino. Debido a que el amoníaco se evapora rápidamente, se suele utilizar en soluciones de limpieza para vidrios para evitar la aparición de rayas.

Amoniaco en usos industriales y en fabricación  

Cuando se lo usa como un gas refrigerante y en equipos de aire acondicionado, el amoníaco puede absorber cantidades significativas del calor de sus alrededores.

El amoníaco puede usarse para purificar los suministros de agua y como un elemento fundamental en la fabricación de muchos productos como plásticos, explosivos, telas, pesticidas y tinturas.

El amoníaco también se utiliza en el tratamiento de residuos y de aguas residuales, el almacenamiento en frío, caucho, en las industrias de celulosa y papel y de alimentos y bebidas como un estabilizador, neutralizador y una fuente de nitrógeno. También se lo utiliza en la elaboración de fármacos

3.4 Almacenamiento y transporte

De acuerdo al boletín de PEMEX, Petroquímica, “Uso seguro del amoniaco” recomienda:

·         Cilindros metálicos, auto tanques, carro tanques y tanques portátiles para gases licuados bajo presión

·         Material de acero. No se permiten aleaciones de cobre, plata o zinc.

·         No deberán presentarse señales de abuso físico, deformaciones, abolladuras, fracturas, laminaciones.

·         Los recipientes deben inspeccionarse y probarse periódicamente, registrando los resultados obtenidos.

·         Contarán con una placa que los identifique con los datos siguientes: especificación, presión de servicio, Nº de serie, fechas de construcción y de última prueba.

·         Las mangueras para carga y descarga de camiones deben sustituirse si cuentan con tres años de servicio, aunque aparenten estar en buen estado.

·        Debe contar con las siguientes señales de clasificación de riesgo.

3.5 Riesgos y consejos de prudencia en su manipulación

Frases de Riesgo

·         R10: Inflamable.

·         R23: Tóxico por la inhalación.

·         R34: Causa quemaduras.

·         R50: Muy tóxico para los organismos acuáticos.

Consejos de prudencia.

·         S1/2: Mantener fuera del alcance de niños.

·         S9: Mantener el envase en un lugar bien ventilado.

·         S16: Mantener la sustancia lejos de las fuentes de la ignición (No fumar).

·         S26: En caso del contacto con los ojos, aclarar inmediatamente con agua y buscar consejo médico.

·         S36/37/39: Llevar puesto ropa protectora, guantes y máscara de protección facial.

·         S45: En caso del accidente o que se encuentre indispuesto, busque consejo médico inmediatamente.

3.6 Origen y accesibilidad de la materia prima

La materia prima más utilizada para la obtención del amoniaco es el gas natural debido a razones económicas pero la producción es muy versátil en cuanto a la materia prima ya que se puede utilizar otro hidrocarburo o agua, pero se tiene el inconveniente que se debe cambiar el proceso.

El gas natural es un gas combustible que se encuentra en la naturaleza en reservas subterráneas en rocas porosas. Consiste en una mezcla de hidrocarburos simples compuesta principalmente de metano (CH₄) y otros hidrocarburos más pesados; además también puede contener trazas de nitrógeno, bióxido de carbono, ácido sulfhídrico y agua, dependiendo de su origen se clasifican en:

·         Gas asociado: es el que se extrae junto con el petróleo crudo y contiene grandes cantidades de hidrocarburos como etano, propano, butano y naftas.

·         Gas no asociado: es el que se encuentra en depósitos que no contiene petróleo crudo.

 Composición del gas natural 

El gas natural tiene que procesarse para poder cumplir con estándares de calidad. Los estándares son especificados por las compañías de transmisión y distribución, las cuales varían dependiendo del diseño del sistema de ductos y de las necesidades del mercado que se quiere atender.

3.7 Balance de materia

Un balance de materia para un proceso industrial es la contabilidad exacta de los materiales que intervienen en el mismo, constituyendo así la más amplia aplicación de la ley de conservación de la masa. Muchos autores reconocen al balance materia, como un método matemático utilizado principalmente en ingeniería química. Establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante.

Entradas = salidas + acumulación

Dentro de ello entonces, podemos encontrar los balances de masa. Donde se puede expresar su forma conceptual matemática mediante una ecuación, así:

Masa de entrada = masa de salida + masa acumulada

4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

4.1 Diagrama de flujo

Etapas del proceso:                                                                

Reacciones del proceso

           Desulfurado 1

            CH₄S+ H₂ ----- CH₄+ H₂S

           Desulfurado 2

            H₂S+ZnO ---- H₂O + ZnS

            Reformado 1

            CH₄+ H₂O ---- CO +3 H₂

            CH₄ + 2 H₂O ---- CO₂ + 4 H₂

            Reformado 2

            CH₄+2 O₂ ---- CO₂ + 2 H₂O

            Convertidor

            CO+H₂O ---- CO₂ + H₂

            Metanizador

            Co + 3 H₂ ----- CH₄ + H₂O

            CO₂ + 4H₂ ---- CH₄ + 2 H₂O

            Síntesis

            N₂ + 3H₂ ---- 2NH₃

 

 

4.2 Descripción de las etapas del proceso productivo

 

4.2.1 Desulfurado

Los subproductos que genera la destilación del petróleo contiene entre ellos el Metano llegan a tener una cantidad de Azufre. Para ello antes del reformar este gas se debe que eliminar el contenido de S dentro del gas natural.

En esta etapa del proceso se lleva a cabo el tratamiento preliminar del Gas Natural, eliminando de éste los componentes dañinos (compuestos de azufre) capaces de envenenar a los catalizadores en la etapa de Reformación. En este proceso de desulfurado se divide en dos etapas donde se generan la siguiente reacción

 

Desulfurado 1

CH₄S+H₂ ----- CH₄+ H₂S

En este proceso entre 1000 kg/hr de gas metano que contiene un 3,30% de Metanotiol (CH₄S), es reaccionado con un 1,375 kg/hr de H₂, obteniendo un producto de 1001,38 kg/hr con un 97,67% de Ch4 y un 2,33 % de H₂S.

 

Desulfurado 2

H₂S+ZnO ---- H₂O + ZnS

Los 1001,38 kg/hr de producto entra a la segunda desulfuración donde reacciona la cantidad existente de 23,375 kg/hr de H₂S con 55, 9625 kg/hr de ZnO para generar Sulfuro de Zinc y Agua.

 

4.2.2 Reformado

En esta etapa se produce hidrógeno para la síntesis de Amoníaco; definiendo así la utilidad de la misma. Se compone básicamente de Reformación Primaria (formación de H₂, CO y CO₂) y Reformación Secundaria (completar la conversión del metano a H₂, CO y CO₂; además se inyecta aire para aprovechar el nitrógeno de éste)

Reformado 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

CH₄ + 2H₂O ----- CO₂ +4 H₂

 

En este proceso los 978 kg/hr de Ch4 reaccionan con agua para generar Monóxido y Dióxido de carbono cono Dihidrógeno, reaccionando un 90% del metano. Para ello se hace una relación Agua metano de 3/1.

 

Reformado secundario

Pasa al segundo reformador para completar la conversión del metano (gas natural) y añadir el aire comprimido precalentado, qué suministra el nitrógeno necesario en la reacción.  

CH₄+2O₂ ---- CO₂ + 2H₂O

Se ingresa 775 kg/hr de Aire con una composición de 21% O₂ y 79% de N₂ donde reacciona el O₂ existente con 97.8 kg/hr de metano.

 

4.2.3Convertidor

La sección de Conversión es la encargada de hacer reaccionar el monóxido de carbono con vapor de agua para formar dióxido de carbono, que puede ser removido fácilmente en la siguiente sección.

CO+H₂O ---- CO₂ + H₂

Los 770,175 Kg/hr de Monóxido de carbono reaccionan un 90% con 1589,709 Kg/hr de Agua que contiene el proceso para convertirlo en 1089,2 Kg/hr de CO2 y 49.51 Kg/hr de H₂.

 

 

4.2.4 Eliminación de CO₂

Se realiza el proceso de absorción de CO₂, este suele ser usado para su comercialización.

Se elimina el 95% de CO₂ del proceso que es 2290.84 kg/hr.

 

4.2.5 Metanizador

Las pequeñas cantidades de CO y CO2 que quedan en el gas de proceso deben retirarse para evitar que puedan envenenar el catalizador de síntesis, normalmente se transforman en metano mediante hidrogenación. El agua que se genera en estas reacciones deber ser eliminada, para ello se enfría y se condensa a la salida del metanizador.

CO + 3H₂ ----- CH₄ + H₂O

CO₂ + 4H₂ ---- CH₄ + 2H₂O

Los 77.018 kg/hr de CO y 120.57 Kg/hr de CO₂ reaccionan con 434.5988 kg/hr de H₂ para generar 148.160 kg/hr de H₂O y 87.85 kg/hr de CH_4.

 

4.2.6 Compresor

Se elimina la cantidad de agua existente.

En este proceso es extraída 1292.27 kg/hr de Agua existente.

4.2.7 Síntesis del Amoniaco

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.

N₂ + 3H₂ ---- 2NH₃

Los 612.25 Kg/hr de N2 es con 396.1731 kg/hr de H₂ con una reacción del 15%, obtiene 111.52 kg/hr de NH₃ para su distribución.

 

 

4.2. Descripción General del Proceso

El proceso de obtención de Amoniaco, se genera mediante el proceso de desulfurado que está dividido en dos parte, el flujo de entrada es de 1000 kg/hr de gas natural que contiene un 96,70% de metano Ch4 y un 3,30% de metanotiol CH₄S, en el proceso de desulfurado se genera una reacción para eliminar el contenido de azufre existe para ello se usara 1,375 kg/hr de Dihidrogeno, esta reacción tiene una conversión del 100%, CH₄S + H₂ = CH₄+H₂S, obteniendo metano y Ácido Sulfhídrico, el cual en una segunda sulfuración con Óxido de Zinc se genera una reacción (H₂S + ZnO=H₂O+ZnS) obteniendo Agua y un desecho que será Sulfuro de Zinc. Luego pasa por un proceso de reformación primaria y secundaria, que se usara en la reformación primaria Agua que tendrá una reacción  completa e incompleta con el metano (CH₃ + H₂O = CO + 3H₂);( CH₃ + H₂O = CO₂+4H₂) con una reacción del 90%, es pasado a un segundo reformador, que es usado con aire (contiene 21% O₂ y 79% N₂)donde el metano es reacciona con el O₂ (CH₄ + 2O₂ = CO₂ + H₂O), generando Dióxido de carbono y Agua, Para transformar la mayor cantidad de Monóxido de Carbono dentro del proceso, este es pasado por un Convertidor donde reacciona ( CO + H₂O = CO₂ + H₂) el monóxido de carbono con el agua para generar más Dióxido de carbono y Dihidrógeno. Además, es eliminada la mayor cantidad de Co2 en este proceso para luego pasar por el proceso de Metanizado, Donde reacciona todo el Monóxido de carbono y Dióxido de carbono con Dihidrógeno para generar Metano y Agua (CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O); (CO₂ + 4 H₂O = CH₄ + 2 H₂O), luego pasa por un compresor que su función es eliminar la cantidad de agua existen, para así llevar a la síntesis del proceso que se da una reacción del 20% de N₂ + 3 H₂ generando Amoniaco NH₃ y otros productos.

 

 5. BALANCE DE MATERIA

 

 

6. CONCLUSIONES

·         El amoníaco, un gas incoloro con un olor característico, es un elemento químico fundamental y un componente clave en la fabricación de muchos productos de uso diario. Se produce de manera natural en el ambiente, en el aire, el suelo y el agua, en plantas y animales, incluidos los seres humanos.

·         Mediante este trabajo logramos conocer más a fondo como es la producción de amoniaco, desde la primera etapa hasta la última etapa del proceso además de saber los seguimientos que se debe pasar hasta poder obtener el producto.

 

7. RECOMENDACIONES

·         Se debe contar con toda la información necesarias y precisa para el estudio de la línea de producción, ya que, una información errada podría ocasionar problemas al momento de realizar los cálculos pertinentes.

·         Se podría recomendar analizar muy bien este campo ya que engloba bastante información de producción de amoniaco.

 8. ANEXOS

 

DIRRECION DE ARCHIVOS 

https://drive.google.com/drive/folders/1k-eUVP6fQKkkwcd-TgvROMbi9MfLYTNX?usp=sharing

VIDEO EXPLICATIVO DE NUESTRA PROCESO 

9. BIBLIOGRAFÍA

 

·         Amoniaco. (2015). Recuperado de: https://prtr-es.es/NH3-amoniaco,15593,11,2007.html

·         Amoniaco: usos, características, seguridad y manejo. (2018). Recuperado de: https://www.amoquimicos.com/usos-del-amoniaco-liquido

·         Cañete, B. (2014). Aprovechamiento del gas natural con alto contenido de CO₂. Argentina

·         Chemycal Safety. (2019). Amoniaco. Recuperado de: https://www.chemicalsafetyfacts.org/es/amoniaco/

·         Chuquimbalqui, O y Ramos, D. (2019). Proyecto de prefactibilidad de instalación de una planta de amoniaco a partir de gas natural. Lambayeque. Perú.

·         Jurado, M. (2015). El amoniaco y sus derivados, productos fundamentales en el desarrollo de la industria petroquímica nacional. México

·         Piña, J. (2003). Simulación y Optimización de reactores de reformado de metano con vapor. Argentina.

·         Velázquez A. (2011). Cronología y diferencias de la tecnología del proceso industrial del metanol. México D.F.

·         Zambrano, J. (2012). Alternativas para disminuir la emisión de amoniaco en granjas avícolas en el Cantón Balsas. Guayaquil. Ecuador