PROGRAMA DE FORMACION REGULAR DEPARTAMENTO QUIMICA Y METALURGIA
Curso : Procesos Quimicos Profesor Profesor : Ing° Juan Corcuera Corcuera U.
TECNOLOGIA DEL AMONIACO - NH3
La Industria del Amoniaco El amoniaco, es uno de los productos intermedios más importantes de la industria química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como: Nitrato amónico: NH 4NO3 Sales amónicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O •
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La Industria del Amoniaco Otros usos del amoníaco incluyen: Fabricación de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales. •
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Características generales •
Es un gas incoloro de característico olor sofocante.
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Puede licuarse a temperaturas ordinarias
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Es muy soluble en agua y el volumen del líquido incrementa notablemente; . Tiene carácter básico: NH3 + H2O NH4+ +OH A partir de los 500 ºC ºC empieza a descomponerse en N2 y H2. –
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Síntesis catalítica ( Proceso Haber ) N2 + 3 H2 2NH3 ; H = 92,4 kJ El rendimiento del amoníaco amoníaco disminuye al aumentar la temperatura, pero la reacción es muy lenta puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2, por eso se necesita un catalizador (hierro, molibdeno y Al2O3). La temperatura de reacción es de 450 ºC. –
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Para que se aproveche industrialmente la reacción ha de realizarse a altas presiones (200 a 1000 atm). El hidrógeno y el nitrógeno que se usan deben ser puros, para evitar el envenenamiento del catalizador.
Fuentes de Gas de Síntesis N2 + 3H2
Fuentes de Gas de Síntesis
Las previsiones son que el gas natural siga siendo la materia prima principal durante por lo menos los próximos 50 años.
Producción Hay esencialmente dos procedimientos para la obtención del gas de síntesis:
1. Refo Reform rmad adoo por por vapo vaporr, siendo la materia prima utilizada gas natural, naftas ligeras o pesadas, que contengan hasta hasta 1.000 1.000 p.p.m. p.p.m. de azufre azufre..
2. Oxid Oxidac ació iónn parc parcia iall, tratamiento más enérgico que el anterior. Se puede emplear como materia prima fracciones pesadas del petróleo o carbón. Es necesaria una planta de fraccionamiento de aire.
Producción 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. La síntesis del amoníaco es independiente del proceso empleado para el gas de síntesis, aunque la calidad de este afecta al diseñoo del porceso diseñ porceso de síntesis síntesis y a las las condiciones condiciones de operación. operación.
Proceso de fabricación de NH3 por reformado con vapor (convencional)
Planta de Amoniaco
Proceso de fabricación por reformado con vapor (convencional)
Proceso reformado con vapor La conversión teórica basada en una alimentación de metano es: 0.88CH4
+ 1.26Aire + 1.24H2O -- > 0.88CO2 + N2 + 3H2 N2 + 3H2 ------- > 2NH3 Producción de gas de síntesis: 25-35bar Síntesis del amoníaco: 100-250bar
Desulfuración El gas natural pasa primero a través de un lecho absorbente, para remover las últimas trazas trazas de azufre que actúan reduciendo la vida del catalizador. ( la empresa distribuidora le añade compuestos orgánicos de S para olorizarlo ).
Desulfuración
Desulfuración Unidad de des des ulfura ulfuraci ción ón CH4
Eliminación de compuestos de azufre, que envenenan el catalizador H
R S Ni
No es un reactor catalítico. Se produce produce una reacción estequiométrica:
CH4 (R-SH)
ZnO + R-SH
ZnS + R-H
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 : I .- Reforma Reformador dor primari primarioo II.- Reforma Reformador dor secunda secundario rio
Reformado
I .- Refor Reforma mado dorr pr prim imar ario io El gas junto con el vapor se hace pasar por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes
T° : 800°C Catalizador : NiO
I .- Refor Reforma mado dorr pr prim imar ario io
II ..- Refo Reform rmad ador or sec secun unda dari rioo El gas de salida del Reformador I se mezcla con una corriente de aire, de esta manera se aporta el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC.
El gas resultante en las 2 etapas es aprox.: N2 (12,7%), CO2 (8,5%), Ar (0,1%).
→
H2 (31,5%), CO (6,5%), CH4 (0,2%), H2O (40,5%), conversión 99% de hidrocarburo.
II ..- Refo Reform rmad ador or secu secund ndar ario io
Reformador
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 (por otro lado son un veneno para el catalizador) : 1 .- Eta Etapa de conv conver ersi sión ón 2 .- Etapa Etapa de elimina eliminació ciónn del CO2 3 .- Etapa Etapa de metani metanizac zación ión
Purificación 1 .- Etapa de conversión
se puede operar entre 140 y 200 kg/cm 2
Purificación 2.- Etapa Etapa de Elimi Eliminac nación ión del CO2. CO2. El CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con carbonato potásico (K 2CO3) a contracorriente, formándose KHCO3 según:
Este se hace pasar por dos torres a baja presión para para deso desorbe rberr el CO CO2, el bicarbonato pasa a carbón liberando CO2 (Subproducto para fabricación de bebidas refrescantes).
Purificación 3.- Etapa Etapa de de Metani Metanizaci zación. ón. También hay que eliminar el monóxido de carbono residual que es peligroso para el catalizador del reactor de síntesis.
Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC).
Purificación
SÍNTESIS DEL AMONIACO El gas se comprime a la presión de 200 atm aproximadamente y se lleva al reactor donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico. En un solo paso por el reactor la reacción es muy incompleta con un rendimiento del 14-15%. Hay tres variables que optimizar para obtener un rendimiento idóneo y son: presión, temperatura y actividad del catalizador. Estas influyen en la cinética y en el equilibrio de la reacción
La síntesis de amoniaco procede según la siguiente reacción: 1/2N2 (g)+3/2H2 (g)------NH3(g) la reacción se lleva a cabo en un reactor adiabático compuesto por cuatro lechos de catalizador catalizador.. El reactor opera a 200 atm, y el gas de síntesis, previa calefacción, a la entrada del primer lecho tiene una temperatura de 620ºK y su composición, expresada en fracciones molares, es la siguiente:NH3 s iguiente:NH3 =0,02;N2=0,23; H2 =0,69; Inertes=0,06. A la salida del primer lecho, la temperatura de los gases gases de reacción es de 800K. Conociendo que AHr(580-800ºK)=-14 AHr(580-800ºK)=-14 kcal/mol de NH3, que la capacidad termica termica media del gas saliendo del primer primer lecho (580-800K) (580-800K) es de Cp=8,43 cal/molK y que un 10% del calor de reacción es disipado al exterior del lecho catalítico, calcular la concentración de amoniaco a la salida de este primer lecho, así como la conversión de N2.
De la revisión de la ecuación anterior, podemos observar tres maneras de maximizar el rendimiento de la producción de amoniaco: •
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Disminuir la concentración de NH 3. Ya que el amoniaco es el producto, eliminarlo conforme se va formando hará que el sistema produzca más, en un intento continuo de mantener el equilibrio. Disminuir el volumen (aumento de la presión). Ya que 4 moles de gas reaccionan para producir 2 moles de gas, disminuir el volumen desplazará la posición del equilibro hacia donde hay menor número de moles de gas, esto es, hacia la formación del amoniaco. Disminuir la temperatura. Ya Ya que la formación de amoniaco es exotérmica, la disminución de la temperatura (eliminar calor) desplazará la posición de equilibrio hacia el producto, aumentando Kc.
