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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E  INDUSTRIAS EXTRACTIVAS   

“EL AMONIACO Y SUS DERIVADOS, PRODUCTOS  FUNDAMENTALES EN EL DESARROLLO DE LA INDUSTRIA  PETROQUIMICA NACIONAL” 

TESIS  QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:   INGENIERO QUÍMICO PETROLERO    PRESENTA:  JURADO JUÁREZ MARÍA LAURA  ASESOR:  DR. MARIO RODRÍGUEZ DE SANTIAGO    MÉXICO, D.F. JUNIO 2015 

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE EVALUACIÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA

T-054-15

México, D. F., 22 de mayo del 2015. A la C. Pasante: MARÍA LAURA JURADO JUÁREZ

Boleta: 2010320125

Carrera: IQP

Generación: 2009-2014

Mediante el presente se hace de su conocimiento que este Departamento acepta que el C. Dr. Mario Rodríguez de Santiago, sea orientador en el tema que propone usted desarrollar como prueba escrita en la opción Tesis Individual, con el título y contenido siguiente:

"El amoniaco y sus derivados, productos fundamentales en el desarrollo de la Industria Petroquímica Nacional".

Resumen. Introducción. 1.- Información general. 11.- Procesos para la obtención del amoniaco. 111.- Subproductos del amoniaco. Conclusiones. Bibliografía. Se concede un plazo el Jurado asignado.

áximo de un año, a partir de esta fecha, para presentarlo a revisión por

Presidente de la cademia de Aplicaciones de la Ingeniería.

Dr. Mario Rodrí ez de Santia o Direct r de Tesis Ced. Prof. 2805538

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Lic. Guillermo Al

Jefe del Deparlame Seguimiento Aca

c. c. p.- Control Escolar. GATA/rcr

lng. Víctor Manuel Feregrino Hernández Subdirector Académico Interino

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE EVALUACIÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA

T-054-15

México, D. F., 08 de junio del 2015. A la C. Pasante: MARÍA LAURA JURADO JUÁREZ PRESENTE

Carrera: IQP

Boleta:

2010320125

Generación: 2009-2014

Los suscritos tenemos el agrado de informar a usted, que habiendo procedido a revisar el borrador de la modalidad de titulación correspondiente denominado:

"El amoniaco y sus derivados, productos fundamentales en el desarrollo de la Industria Petroquímica Nacional"

encontramos que el citado Trabajo de Tesis Individual, reúne los requisitos para autorizar el Examen Profesional y

PROCEDER A SU IMPRESIÓN según el caso, debiendo tomar en consideración las

indicaciones y correcciones que al respecto se le hicieron.

Atentamente JURADO

lng. Alfonso Ant io Alquicer Paz Sec etario

lng. RJ!.�Padrón Presidente

lng. Armando Tonatíuh Avalas Bravo 2° Vocal

c.c.p.- Expediente GATA/rcr

INDICE

EL AMONIACO Y SUS DERIVADOS, PRODUCTOS FUNDAMENTALES EN EL DESARROLLO DE LA INDUSTRIA PETROQUIMICA NACIONAL

OBJETIVO……………………………………………………………………………...1 RESUMEN……………………………………………………………………………...2 INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………3

CAPITULO 1. INFORMACIÓN GENERAL..........................................................4    

¿Qué es el amoniaco?................................................................................4 Producción nacional....................................................................................4 Origen y accesibilidad de la materia prima..................................................8 Seguridad industrial ....................................................................................10

CAPITULO 2. PROCESOS PARA LA OBTENCIÓN DEL AMONIACO..............16     

Obtención del Amoniaco mediante el proceso Haber-Bosh .......................21 Obtención de Amoniaco mediante el proceso Linde...................................33 Obtención de Amoniaco mediante el proceso Topsoe................................35 Obtención de Amoniaco mediante el proceso Casales...............................37 Obtención de Amoniaco mediante Biotecnologia........................................40

CAPITULO 3. SUBPRODUCTOS DEL AMONIACO............................................41    

Sulfato de amonio........................................................................................41 Acido nítrico.................................................................................................44 Nitrato de amonio........................................................................................48 Urea ............................................................................................................53

CONCLUSIONES..................................................................................................61 BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................................62

ÍNDICE DE TABLAS, FIGURAS Y TABLAS

CAPITULO 1. INFORMACIÓN GENERAL

Tabla 1.1 Elaboración de petroquímicos (miles de toneladas).................................4 Figura 1.1 Elaboracion de productos petroquimicos.................................................5 Tabla 1.2 Elaboración de productos petroquímicos por complejo............................5 Tabla 1.3 Valor de las ventas internas de productos petroquímicos........................6 Figura 1.2 Ventas internas de petroquímicos...........................................................6 Tabla 1.4 Precio promedio al público de productos petroquímicos..........................7 Gráfica 1.1 Precio promedio al público de productos petroquímicos........................7 Tabla 1.5 Materia prima para la obtención de amoniaco.........................................8 Tabla 1.6 Composición del gas natural.....................................................................9

CAPITULO 2. PROCESOS PARA LA OBTENCIÓN DEL AMONIACO

Tabla 2.1 Métodos de síntesis del amoniaco..........................................................18 Diagrama 2.1 Síntesis de amoniaco a partir de carbón o petróleo........................19 Diagrama 2.2 Síntesis de amoniaco a partir de gas natural con vapor..................19 Diagrama 2.3 Síntesis de amoniaco a partir de gas natural con oxígeno..............20 Diagrama 2.4 Reformación del gas de platforming para su utilización en la síntesis de amoniaco...........................................................................................................20  Diagrama 2.5 Proceso para la producción industrial de amoniaco.........................22 Figura 2.1 Reformador primario..............................................................................24 Figura 2.2 Reformador secundario.........................................................................24

Figura 2.3 Conversión de CO.................................................................................25 Figura 2.4 Eliminación de CO2.......................................................................................................................26 Figura 2.5 Metanizador...........................................................................................28 Figura 2.6 Generador de vapor...............................................................................31 Diagrama 2.6 Proceso del reformado con vapor para la obtención de amoniaco.32 Figura 2.7 Planta Lac (Linde Ammonia Concept)...................................................34 Diagrama 2.7 Proceso Topsoe para la obtención de amoniaco..........................36 2.8 Diagrama

Proceso Casale para la obtención de amoniaco..........................39

CAPITULO 3. SUBPRODUCTOS DEL AMONIACO

Diagrama 3.1 Proceso de obtención de sulfato de amonio...................................43 Diagrama 3.2 Proceso de producción del ácido nítrico..........................................47 Tabla 3.1 Propiedades físicas del Nitrato de Amonio.............................................48 Diagrama 3.3 Proceso STENGEL de obtención del nitrato de amonio.................52 Diagrama 3.4 Proceso de obtención de la Urea....................................................60                  

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a DIOS por permitirme llegar hasta este momento y por permitirme terminar este proyecto, gracias por darme la fuerza y el coraje para hacer de cada sueño una realidad, gracias por haberme iluminado y guiado cada día a lo largo de mi vida, gracias por permitirme tener a mi lado a unos padres maravillosos y por estar rodeada de tantas personas que me han querido y apoyado incondicionalmente.

Gracias a mis PADRES por estar conmigo en cada momento, en cada decisión y en cada proyecto de mi vida, por amarme aún en los momentos más difíciles, por ser su prioridad, por sacrificarse para que yo tenga siempre lo que necesito; por esto y más cada logro, cada éxito es para ustedes con mucho amor y agradecimiento por convertirme en quien soy y por la vida misma. Hoy concluye una gran etapa de la cual ustedes siempre fueron mi motor y motivación.

FAMILIA LARA GONZÁLEZ gracias por el apoyo incondicional a lo largo de los años, por las palabras de aliento recibidas en los momentos difíciles, por nunca dejarme caer y sobre todo por el cariño y por cada momento compartido; esto también es para ustedes.

FAMILIA MARTÍNEZ LORENZO gracias por todo el apoyo en cada aspecto de mi vida, por los consejos para pelear por cada sueño, cada anhelo, gracias por alentarme a ser la persona en la que me he convertido.

Gracias a todos mis AMIGOS que han recorrido el camino conmigo, por estar a mi lado no solo en los buenos momentos, sino en los momentos más difíciles, por todo el apoyo incondicional en cada paso dado, gracias por cada experiencia, por cada vivencia y por lo más valioso que me pudieron otorgar; su amistad.

Gracias ARIEL por todo el cariño, la paciencia, el amor y el apoyo incondicional que me has otorgado, gracias por permanecer a mi lado y compartir mis logros y mis sueños que poco a poco se van haciendo realidad, hoy concluye uno de ellos y en gran parte es por ti.

Profesor MARIO RODRÍGUEZ gracias por todo el apoyo, por la paciencia y por el tiempo dedicado a mí y a este proyecto, pero sobre todo gracias por demostrarme lo que puedo lograr.

Al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas gracias por la formación académica obtenida y por permitirme convertirme en un profesionista de esta gran institución.

“EL AMONIACO Y SUS DERIVADOS, PRODUCTOS FUNDAMENTALES EN EL DESARROLLO DE LA INDUSTRIA PETROQUIMICA NACIONAL”

OBJETIVO GENERAL

Realizar un estudio documental de las características y usos del amoniaco así como de sus subproductos, para sustentar las ventajas de reactivar las plantas de producción de amoniaco en México mediante la descripción de los procesos para la obtención del amoniaco y de sus subproductos a nivel industrial explicando las características de cada proceso; de los usos y aplicaciones del mismo y cada uno de sus subproductos.

 

1 

RESUMEN El amoniaco (NH3) es uno de los principales productos petroquímicos a nivel mundial. En condiciones de temperatura y presión ambiente el Amoniaco es un gas incoloro, de olor irritante y se evapora rápidamente. Industrialmente el Amoniaco está disponible como gas licuado en cilindros de acero, carro tanques presurizados y líneas de tuberías. Gracias a su solubilidad en agua, esta sustancia es ampliamente vendida y usada en forma de solución acuosa. El Amoniaco se disocia parcialmente en el agua formando soluciones básicas; la mitad del Amoniaco estará en estado anhídro (NH3) y la mitad estará en forma de Ión Amonio (NH4+). El Amoniaco gaseoso se adsorbe fácilmente en ciertos sólidos. Las características de adsorción del Amoniaco en ciertas superficies metálicas son importantes en su síntesis y en otras reacciones catalíticas. Los productos de combustión son principalmente Nitrógeno y agua, pero también se forman pequeñas trazas de nitrato de Amonio (NH4NO3) y Dióxido de Nitrógeno. Otra reacción importante que involucra la oxidación del Amoniaco es su oxidación catalítica a Oxido Nítrico (NO) y Oxido nitroso (N2O).

Los usos que se le dan al amoníaco son diversos; generalmente se le da uso industrial y, es esencial para muchos procesos biológicos. Se utiliza en la fabricación de explosivos, refrigerantes, fertilizantes, en la elaboración de fibras sintéticas, curtidos y en la industria farmacéutica. Se llevará a cabo un estudio documental de las características y usos del Amoniaco como petroquímico indispensable para producir materia prima que se utilice en diversas aplicaciones de la industria nacional así como de sus subproductos. Llevar a cabo un análisis técnico de la información obtenida, acerca de los principales procesos de obtención del Amoniaco, teniendo como resultados sus condiciones de operación, así como la materia prima a utilizar; para determinar las ventajas de reactivar la producción de este en la industria de nuestro país.  

 

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INTRODUCCIÓN Actualmente la producción de Amoniaco ha estado detenida por varios años; a pesar de que este petroquímico llego a ser el más importante desde el punto de vista de ingresos para el país. Al dejar de producir Amoniaco no solo se perdieron ingresos para el país y empleos sino también la oportunidad de abastecer un amplio mercado de productos derivados de este petroquímico. Con la reactivación de las plantas de producción; PEMEX podría sustituir importaciones de amoniaco, que representan ingresos millonarios; adicionalmente contaría con un excedente del mismo para exportación y volver a la situación que se tenia anteriormente. El principal consumidor de amoniaco anhidro es la industria de los fertilizantes; que en nuestro país está actualmente en una situación muy precaria, pues se importa aproximadamente el 70 por ciento de los fertilizantes que se consumen en México, y una hectárea que se fertiliza según datos estadísticos produce cuatro veces más que una que no se fertiliza. 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. Las propiedades más relevantes del amoniaco son:    

Punto de Ebullición: -33.35 °C Punto de Fusión: -77.7 °C Presión de Vapor (a 25°C): 6080 mm de Hg Límites de Inflamabilidad: 16% - 25% Vol.

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. Se llevará a cabo un estudio documental de las características y usos del Amoniaco como petroquímico, para producir este que servirá como materia prima utilizándose en diversas aplicaciones de la industria. Llevar a cabo un análisis técnico de la información obtenida, acerca de los principales procesos de obtención del Amoniaco, teniendo como resultados sus condiciones de operación, así como la materia prima a utilizar; para determinar las ventajas de reactivar la producción de Amoniaco en la industria del país.  

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CAPITULO 1 INFORMACIÓN GENERAL

Antecedentes sobre el Amoniaco.  ¿Qué es el Amoniaco? El amoniaco a temperatura ambiente, es un gas incoloro con un olor muy penetrante e irritante. Es más liviano que el aire y posee características de inflamabilidad. Se utiliza en solución acuosa. Se produce en forma natural por descomposición de la materia orgánica además se puede fabricar industrialmente mediante diversos procesos. Se diluye fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Por lo general se le encuentra en forma líquida y también así se le comercializa.

 Producción Nacional

Tabla 1.1 Elaboración de petroquímicos (miles de toneladas)

 

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Figura 1.1 Elaboracion de productos petroquimicos

Tabla 1.2 Elaboración de productos petroquímicos por complejo

 

5 

Tabla 1.3 Valor de las ventas internas de productos petroquímicos.

Figura 1.2 Ventas internas de petroquímicos.

 

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Tabla 1.4 Precio promedio al público de productos petroquímicos

Gráfica 1.1 Precio promedio al público de productos petroquímicos

 

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Con la reactivación de la planta de camargo, PEMEX podría sustituir importaciones de amoniaco por 300,000 toneladas anuales, que representan aproximadamente 190 millones de dólares a precios actuales. Adicionalmente contaría con un excedente de 150 mil toneladas para exportación. El titular de Pemex precisó que, como parte de este proyecto, se estableció una alianza con la empresa Soluciones Químicas para el Campo y la Industria, la cual absorberá 54,000 toneladas anuales de amoniaco; en tanto, el resto de la producción se destinará para usos agrícolas e industriales de la región.

 Origen y accesibilidad de la materia prima.

En la síntesis de amoniaco anhidro existen una gran variedad de insumos utilizados dentro del proceso, en los cuales podemos encontrar una variedad de catalizadores y servicios tanto de compresión como de calentamiento/reacción.

La materia prima más utilizada para la producción de 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, lo cual podemos observar en la siguiente tabla:

Materia prima

Proceso

Gas natural

Reformación por vapor

Nafta, LPG, Gas de refinería

Reformación con vapor

Hidrocarburos pesados

Oxidación parcial

Carbón

Oxidación parcial

Tabla 1.5 Materia prima para la obtención de amoniaco.

 

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Además se tiene el inconveniente que aumentarían los consumos de energía pero cabe mencionar que la calidad del producto sigue siendo la misma solo con el inconveniente que el costo aumenta. 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 clasifica 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 contienen petróleo crudo.

Composición del gas natural.

Tabla 1.6 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.

 

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Los estándares especifican:   

El poder calorífico del gas (en México, debe ser entre 34 y 40 MJ/m3) La ausencia de partículas sólidas y agua líquida, para prevenir erosión y corrosión de los gasoductos) Los porcentajes de componentes como el H2S, N, mercaptanos y vapor de agua

Hay dos formas principales de transportar gas seco (gas natural comercial) de los centros productores al mercado de consumo, por gasoductos o en forma de Gas Natural Licuado (GNL). Pemex realiza la extracción de gas natural que se encuentra en yacimientos, posteriormente se transporta a través de redes de distribución para que llegue a las ciudades y sea utilizado por clientes residenciales, comerciales e industriales. A lo largo de este recorrido, el gas natural conserva sus propiedades originales, ya que no sufre transformación alguna. Pemex Gas y Petroquímica Básica (PGPB) cuenta con 10 complejos procesadores de gas, de ellos, en dichos complejos existe un total de 68 plantas de distintos tipos.

Cactus, Ciudad Pemex y Nuevo Pemex son los complejos más grandes de PGPB, en ellos se lleva a cabo la mayoría (91.7%) del endulzamiento de gas amargo; 69.4% del procesamiento del gas dulce (recuperación de líquidos) y casi toda la recuperación de azufre ( 95.1%).

 Seguridad industrial. Nombre del producto: Amoniaco Formula molecular: NH3 Punto de ebullición: -33.35 °C Punto de congelación: -77.7 °C Densidad (líquido): 0.6818 (-33.35 °C y 1 atm) Densidad de vapor (aire= 1): 0.6 Presión de vapor (a 25.7 °C): 760 mm de Hg Límites de explosividad: 16-25 %

 

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Usos: El uso que, se le da al amoníaco es diverso generalmente industrial y, es esencial para muchos procesos biológicos:

Fertilizantes     

Industrial

80%

Se le aplica directamente como abono. Urea Ácido Nítrico Complejos NPK (Nitrógeno, Fosforo y Potasio) Sulfato de amonio

20%

 Se le usa en la fabricación de: textiles, plásticos, explosivos, de pulpa y papel.  En la elaboración de alimentos y bebidas.  Productos de limpieza domésticos,  Refrigerantes.  Sales aromáticas.

IDENTIFICACIÓN DE PELIGROS Resumen de emergencia El Amoniaco es una sustancia altamente irritante para las mucosas. En forma líquida causa quemaduras en la piel y los ojos al contacto. Es también una sustancia venenosa y puede ser fatal por inhalación en grandes cantidades. Todos los síntomas pueden tener efecto retardado. Efectos potenciales para la salud. Respirar Amoniaco en concentraciones altas pero no letales puede causar laringitis, dificultad para respirar, sensación de ahogo y dolor en el pecho. También a partir de la inhalación puede generarse edema pulmonar y neumonía.

 

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El contacto con los ojos produce irritación, dolor, conjuntivitis. También es posible la pérdida de la visión en situaciones extremas de concentración o en salpicaduras de soluciones acuosas concentradas o gas licuado

MEDIDAS DE PRIMEROS AUXILIOS Inhalación: Mover a la víctima a una zona bien ventilada. Si no respira, proporcionar respiración de boca a boca. Mantenerla bien abrigada y en reposo. Puede ocurrir una congestión pulmonar, por lo que, si está consciente, sentarla. Exposición en Ojos: Los ojos se deben lavar inmediatamente con abundante agua durante por lo menos 15 minutos levantando ocasionalmente los párpados superior e inferior. La víctima siempre debe recibir atención médica. Piel: Lavar cuidadosamente con agua la zona contaminada y, si el producto ha mojado la ropa, quitarla inmediatamente. Si la piel ha sido congelada, lavar con agua a temperatura ambiente.

MEDIDAS CONTRA INCENDIO Para combatir incendios en los que el producto gaseoso esté involucrado, debe utilizarse equipo de respiración autónoma y traje protector de todo el cuerpo. Aislar el área hasta que el fuego esté controlado y los gases se hayan dispersado. Medios de extinción. En caso de fuegos pequeños pueden utilizarse extinguidores de dióxido de carbono o polvo químico. Si el incendio es de mayor magnitud debe utilizarse agua en forma de rocío, neblina o espuma, aplicándola a la superficie de los contenedores, no aplicarla dentro de ellos.

FUGAS Y DERRAMES Utilizar el equipo de seguridad mínimo como son lentes de seguridad, guantes y bata, equipo de respiración especial y botas. Mantener el material derramado alejado de fuentes de agua y drenajes. Si el derrame es en el agua, neutralizar con ácido diluido. Los vapores generados deben diluirse con agua en forma de rocío y almacenar estos residuos corrosivos y tóxicos, al igual que los sólidos contaminados, en áreas seguras para su posterior neutralización.

 

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MANEJO Y ALMACENAMIENTO. Debe hacerse en lugares frescos y secos, preferentemente alejado de fuentes de ignición y del almacén principal, pues debe estar totalmente aislado de productos químicos como oxígeno, halógenos y ácidos y no debe darle la luz directa del sol. Los cilindros donde se almacena el gas deben encontrarse sujetos a la pared, con el capuchón protector de la válvula, se deben rotular adecuadamente y no debe someterse a temperaturas mayores de 52 °C. Cerrar la válvula cuando no se use o cuando el tanque esté vacío. Utilizar las conexiones y equipo del material recomendado por el fabricante, pues existen algunos metales y aleaciones que son atacadas por el amoníaco. La zona de almacenamiento debe estar alejada del área de trabajo para minimizar posibles accidentes que se puedan presentar

CONTROLES DE EXPOSICIÓN/ PROTECCIÓN PERSONAL Controles de ingeniería. PROTECCIÓN RESPIRATORIA Durante exposiciones hasta 100 ppm utilice respirador equipado con filtro para amoniaco, máscara facial o en caso necesario utilice equipo autónomo de respiración. VENTILACIÓN Utilice una campana con ventilación forzada y/o extracción local. GUANTES DE PROTECCIÓN De plástico, hule y/o neopreno. PROTECCIÓN OCULAR Goggles o lentes de seguridad, protector facial. OTRO EQUIPO DE PROTECCIÓN Zapatos de seguridad, regadera de seguridad, fuente para lava ojos, ropa de protección resistente a productos químicos.

 

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REACTIVIDAD Y ESTABILIDAD Puede reaccionar violentamente con materias oxidantes. Puede reaccionar violentamente con ácidos. Reacciona con agua para formar álcalis corrosivos. Puede formar mezclas explosivas con el aire. El Amoniaco es estable. Condiciones a evitar No deben utilizarse manómetros con mercurio al trabajar con amoniaco, pues existe el riesgo de explosión al despresurizar el sistema.

INFORMACIÓN TOXICOLOGICA El amoniaco al combinarse con el agua de las mucosas, forma Hidroxido de amonio (NH4OH), que daña fundamentalmente el tracto respiratorio superior. En intoxicaciones leves o moderadas se produce un síndrome irritativo, conjuntivitis y lagrimeo. En intoxicaciones graves, intoxicaciones de 2° y 3er grado, produce edema pulmonar, pudiendo la persona fallecer por asfixia.

INFORMACIÓN ECOLOGICA En el caso de la atmósfera, el amoniaco persiste en ella por un lapso de 5 y 10 días, dependiendo de la presencia de otros contaminantes atmosféricos así como de la incidencia de lluvia. En el caso del agua, cuando el amoniaco se derrama en esta; tiende a ebullir violentamente y se vaporiza parcialmente, al mismo tiempo el resto del amoniaco se dispersa por la superficie del agua, disolviéndose en ella para convertirse en nitrato por nitrificación incrementando su peligrosidad para la vida acuática.

 

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Código NFPA Salud: 3 “Riesgo extremo” Inflamabilidad:1”Ligeramente flamable” Reactividad:0 “Estable”

RECOMENDACIONES DE MATERIAL. Los contenedores de amoniaco, no deberán ser manejados o almacenados cerca de instalaciones o equipos eléctricos vivos, tales como subestaciones, motores etc. El amoniaco se puede juntar con materiales tóxicos o con otros productos inflamables; sin incremento del riesgo intrínseco de cada uno de ellos.

 

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CAPITULO 2 PROCESOS PARA LA OBTENCIÓN DEL AMONIACO

En los años setenta se presentó una revolución en la producción del amoniaco, cuando las compresoras alternativas, comunes en ese tiempo, fueron reemplazadas por las unidades centrífugas. En esa época, el proceso del amoniaco se consideraba muy eficiente, como un proceso maduro, pero un examen cuidadoso del proceso, paso por paso, así como la gran presión económica, llevaron a mejoras importantes y a reducciones en los costos de producción, cercanas al 50%.

Algunos de los cambios importantes que se hicieron se resumen a continuación:

1. Cuando se estudiaron con cuidado los procedimientos de operación, se hizo posible ésta sin duplicar el equipo (en un solo tren) y eliminar el almacenamiento intermedio. 2. Los catalizadores de buena calidad hicieron posible la operación económica a las presiones más bajas, fueron más económicas; las compresoras centrífugas. Se empleaban presiones más elevadas cuando sólo estaban disponibles las unidades alternativas. 3. Compresores de gran capacidad, mejores catalizadores y mejores convertidores hicieron atractivas las unidades más grandes y permitieron muchas economías que fueron resultado del aumento en el tamaño. 4. Al elevar la temperatura a la salida del reformador primario y al precalentar el aire que va al reformador secundario endotérmico, los fabricantes redujeron el costo global de reformación. Los reformadores primarios operan a temperaturas muy altas, por lo que son mucho más caros que los secundarios. Los reactores de cambio son ahora, comúnmente, de dos etapas. 5. El control de las variables de proceso por medio de computadoras digitales ha disminuido el intervalo de variación y, en consecuencia, ha dado lugar a una mejor operación en condiciones más cercanas al máximo.

 

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6. La mayor parte del dióxido de carbono es eliminado por absorción en agua, pero la separación final requiere el uso de un reactivo alcalino. Hay tres procesos que compiten:  absorbentes inorgánicos (usualmente K2CO3)  absorbentes orgánicos (sobre todo aminas)  absorbentes "físicos" (propilén carbonato de flúor). La selección se hace basándose en el nivel de CO2 residual, en el efecto de las impurezas y en problemas de regeneración.

7. El gas de sangrado del circuito de síntesis, que antes se quemaba, ahora se recupera con una reducción importante (cercana al 15%) en la energía necesaria por unidad de producto. En la separación criogénica se recupera hidrógeno y algo de nitrógeno. En la difusión gaseosa a través de fibras huecas se recupera sólo hidrógeno. Con este proceso, las dos corrientes separadas son; la primera compuesta de 89% de hidrógeno, 6% de nitrógeno y 5% de gases inertes, la segunda corriente: 20% de hidrógeno, 42% de nitrógeno y 38% de gases inertes. También es posible separar gases inertes, por lo general mediante lavado con nitrógeno, antes de que el gas entre al circuito de síntesis; esto hace posible que la purga sea mucho más pequeña. En un enfoque completamente distinto, se emplea un sistema de malla molecular de oscilación de presión después de la reacción de cambio a alta temperatura, para producir una alimentación de hidrógeno de gran pureza. Con esto se elimina el reformador secundario y no se añade aire al sistema, de modo que el nitrógeno debe obtenerse por destilación del aire o por algún proceso similar. 8. Los convertidores de síntesis están ahora sumamente desarrollados y muy mejorados respecto a los diseños previos. Tanto los de tipo horizontal como los verticales se utilizan con enfriamiento por agua, una práctica común, pero también se obtiene algo de enfriamiento con inserciones tubulares. Por conveniencia, los gases de entrada pasan a lo largo de la coraza, precalentándose y reduciendo la temperatura máxima de la coraza. Es deseable una baja caída de presión para reducir los costos de operación; el tamaño fino del catalizador reduce el volumen de catalizador requerido. La mayor conversión ocurre en el primer lecho, porque ahí es mayor la fuerza motora hacia el equilibrio. Existen diseños de convertidores de flujo axial y flujo radial de 500 a 1600 t/día. En los diseños modernos se utilizan presiones de 15 a 30 MPa a alrededor de 500°C. Las concentraciones del amoniaco a la salida son de entre 16 y 25%.

 

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9. La recuperación del amoniaco a bajo costo, a partir de los gases de salida del convertidor, tiene varias opciones. Por lo general se utiliza refrigeración de múltiples etapas, combinada con cierta reducción en la presión. Si el agua de enfriamiento está muy fría, es posible que haya cierta condensación de agua. Cuando los mercados están cerca, puede resultar deseable hacer un lavado con agua para producir solución de amoniaco. El exceso de vapor se puede emplear para hacer funcionar un sistema de refrigeración por absorción, para condensar el amoniaco. El problema está en el costo. El método de producción del hidrógeno y de la alimentación seleccionada son los puntos principales que tienen influencia en el costo final del amoniaco producido. Los métodos de síntesis de amoniaco se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 2.1 Métodos de síntesis del amoniaco Exceptuando el método Mont Cenis todos los demás utilizan un catalizador de hierro con un activador. Las presiones empleadas oscilan entre 200 y 900 atm y las temperaturas entre 400 y 650ºC. En general, se realiza la recirculación del gas para conseguir una mejor utilización del hidrógeno y del nitrógeno puesto que al pasar sobre el catalizador tan sólo se transforma de un 9 a un 30% de la mezcla. La procedencia del gas de síntesis depende de la instalación. En algunos casos, se utiliza hidrógeno electrolítico; en otros, este gas procede de la industria del petróleo o del gas natural.

 

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En las siguientes figuras, se muestran métodos para la síntesis del amoniaco a partir de diversas materias primas:

Diagrama 2.1 Síntesis de amoniaco a partir de carbón o petróleo

Diagrama 2.2 Síntesis de amoniaco a partir de gas natural con vapor.

 

19 

Diagrama 2.3 Síntesis de amoniaco a partir de gas natural con oxígeno.

Diagrama 2.4 Reformación del gas de platforming para su utilización en la síntesis de amoniaco  

 

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 OBTENCIÓN DEL AMONIACO MEDIANTE EL PROCESO HABER-BOSH

El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos. 3H2(g) + N2 (g)

2NH3 (g) + Calor

Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco 25 ºC K = 6,8x105 atm. 450 ºC K = 7,8x10-2 atm.

Sin embargo, la velocidad a la que se forma el NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador y aumentar la presión, ya que esto favorece la formación del producto. Convertir el método de Haber en un proceso de fabricación fue trabajo realizado por Carl Bosh. Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante  de la velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinación a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. Se producen una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3. Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. 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. 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.

 

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AIRE

 GAS  NATURAL 

HIDRODESULFURADORA  HDS 

REFORMACIÓN  PRIMARIA

  REFORMACIÓN  SECUNDARIA

   

RSH + H2 → RH + H2S  H2S + ZnO → ZnS + H2O 

CH4 + H2O → 3H2 + CO  CO + H2O→ H2 + CO2 

CH4 + H2O → 3H2 + CO  2H2 [O2 + N2] → 2H2O + N2 

CONVERSIÓN DE CO  ALTA TEMPERATURA  (HTS)  CO + H2O → CO2 + H2 

  AMONIACO   

SÍNTESIS DE  AMONIACO 

METANIZADOR 

ELIMINACIÓN DE  CO2 

CONVERSIÓN DE CO  BAJA TEMPERATURA 

  N2 + 3H2 → 2NH3 

CO + 3H2 → CH4 + H2O  CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O 

CO + H2O → CO2 + H2

Diagrama 2.5 Proceso para la producción industrial de amoniaco.

HIDRODESULFURACIÓN El gas natural pasa primero a través de un lecho absorbente, para remover las últimas trazas de azufre que actúan reduciendo la vida del catalizador. Condiciones de operación: 320 °C La mayoría de los catalizadores usados en el proceso de reformado con vapor son sensibles a ser contaminados por azufre derivados. Por lo tanto, es necesario removerlo de la corriente de alimentación a una concentración por debajo de 0.1 ppm en peso, para evitar el envenenamiento de los catalizadores. El gas natural que llega a la planta es mezclado con hidrógeno y calentado entre 350 a 400°C generalmente en la sección de convección del reformador primario. Posteriormente es alimentado al “Hidrogenador” (con catalizador de cobaltomolibdeno) donde los sulfuros, usualmente metilmercaptanos, se hidrogenan a sulfuro de hidrógeno. Para retirar el sulfuro de hidrógeno se pasa la corriente por un absolvedor cargado con óxido de zinc.

↔ 2

↔2 ↔

 

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REFORMACIÓN (PRIMARIA Y SECUNDARIA)

Condiciones de operación: Reformador primario: 700 – 800°C y 15 – 40 bar. Reformador primario: 1000°C y 15 – 40 bar. La reformación con vapor se refiere a la conversión catalítica de hidrocarburos ligeros en presencia de vapor. La reacción tiene lugar en un catalizador de óxido de níquel empacado en tubos dentro de un horno tubular (Reformador Primario). Alineado a éste se encuentra un reactor de cámara llamado Reformador Secundario, en donde es alimentado aire frío para introducir el nitrógeno al proceso.

↔ ↔ ↔ ↔

Sin embargo, debido a los materiales de construcción, temperaturas mayores a 830ºC no pueden ser alcanzadas externamente en los tubos del reformador. Por esta razón, el gas producto del reformador primario es alimentado a un reformador secundario que consiste en un reactor recubierto en su interior con material refractario y relleno con un catalizador de óxido de níquel resistente a altas temperaturas. Una parte del gas es quemado en el tope del reformador secundario con adición de aire u oxígeno alcanzando temperaturas por arriba de los 1200°C. A esta temperatura, el metano no convertido, reacciona con el vapor llegando hasta cantidades no convertidas de 0.2 a 0.3% en volumen. Por lo tanto, la concentración de salida de metano depende de la presión, temperatura, y la cantidad de nitrógeno y vapor que están presentes. El calor sensible resultado de la síntesis del gas es utilizado para la generación de vapor. En general, las reacciones son exotérmicas y generan mucho calor que tiene que ser retirado del sistema.

 

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Figura 2.1 REFORMADOR PRIMARIO

Figura 2.2 REFORMADOR SECUNDARIO

 

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Figura 2.3 CONVERSIÓN DE CO

Condiciones de operación HTS: 400°C y 25 – 28 bar LTS: 200 a 220°C y 25 – 28 bar La conversión de monóxido de carbono es uno de los pasos tradicionales de purificación que todavía es utilizado en muchas plantas de amoniaco. El CO debe ser retirado porque actúa como veneno para el catalizador que es utilizado para la síntesis de amoniaco. Esta etapa elimina la mayor parte del monóxido de carbono (CO) desde el gas de síntesis, y como lo muestra la reacción también produce más hidrógeno.

↔

La conversión de monóxido de carbono a dióxido de carbono ocurre generalmente en dos etapas: Conversión a alta temperatura Conversión a baja temperatura La reacción es exotérmica, por lo tanto altas temperaturas son desfavorables para la conversión completa. En la conversión de alta temperatura; HTS (Sistema de alta temperatura) el gas de síntesis es pasado a través de un lecho catalizado de

 

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óxido de hierro/óxido de cromo a alrededor de 400ºC y 25 a 28 bar. El contenido de CO del gas es reducido cerca de un 3%, que es limitado por el equilibrio a la temperatura de operación. Idealmente, el catalizador lleva la reacción al equilibrio a una temperatura lo más baja posible porque favorece la producción de hidrógeno. El gas desde el HTS es enfriado para incrementar la conversión, y luego es pasado a través del convertidor LTS (Sistema de baja temperatura). El LTS posee un catalizador que contiene óxido de cobre, óxido de zinc y óxido de aluminio. Este opera a alrededor de 200 a 220ºC. El contenido de CO residual del gas convertido es de 0.2 a 0.4%. Nuevamente, el catalizador lleva la reacción al equilibrio a la temperatura más baja posible porque favorece la producción de hidrógeno.

Condiciones de operación < 100 bar

F Figura 2.4 ELIMINACIÓN DE CO2

El CO2 es un constituyente indeseable en el gas de síntesis debido a que es un veneno para el catalizador. El contenido de CO2 en el gas de síntesis debe ser reducido a un rango de 50 a 1000 ppm. El proceso es llevado a cabo normalmente después del paso de conversión de monóxido de carbono. El gas de proceso desde el convertidor LTS contiene principalmente hidrógeno, nitrógeno,

 

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CO2 y el excedente de vapor de proceso. El gas es enfriado y la mayor parte del vapor es condensado antes de entrar a la etapa de eliminación de CO2. El proceso de remoción de CO2 está basado en la absorción física o química del CO2 en un solvente. Existen diferentes tipos de procesos disponibles para remover el CO2. Basado en el proceso usado, la absorción del gas puede ser clasificada como un proceso de absorción química o física. Todos los procesos operan esencialmente de la misma forma. Ellos lavan el gas de alimentación en torres de absorción para colectar el CO2 y luego regeneran el solvente en un desorbedor y liberan el CO2. En los procesos de absorción química, el CO2 reacciona con el solvente químico para formar un compuesto intermedio débilmente enlazado que se rompe con la aplicación de calor. El calor regenera el solvente original y produce una corriente de CO2. Los solventes más comunes están basados en aminas o carbonatos. Los procesos de carbonato de potasio caliente disponibles comercialmente son el proceso Benfield, Glycine Vetrocoke y Cataract. En los procesos de alcanolaminas la solución contiene un componente amino. Los solventes más utilizados son la monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA), etc. Actualmente el solvente preferido en los procesos de alcanolamina es la Metildietanolamina activada (aMDEA). Estos procesos pueden ser usados a baja presión parcial de CO2, pero el gas de alimentación debe estar libre de SO2, O2, hidrocarburos y partículas. Los hidrocarburos y partículas causan problemas de operación en el absorbedor.

Los procesos de absorción física utilizan solventes orgánicos para absorber físicamente componentes del gas ácido en vez de reaccionar químicamente. La captura de CO2 por absorción física está basada en la solubilidad de CO2 en los solventes. La solubilidad de CO2 depende de la presión parcial y de la temperatura del gas de alimentación. Una alta presión parcial de CO2 y bajas temperaturas favorecen la solubilidad de CO2 en el solvente. La regeneración del solvente puede ser conseguida por flashing a menor presión o por stripping con vapor o gas inerte. Los solventes típicos son Selexol (dimetileter de polietilen glicol) y Rectisol (metanol frío) los cuales son aplicados a alta presión. La selección de la solución de MEA es debido a que opera en forma óptima cuando se trata de condiciones de baja presión parcial de CO2 (< 100 psia) y se requiere una alta captura de CO2. Otra de sus ventajas es su alta alcalinidad y su facilidad de descarga, lo que hace que pueda ser regenerado fácilmente.

 

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Condiciones de operación: 250 a 300°C

F Figura 2.5 METANIZADOR

En el proceso de reformación con vapor que incluye la conversión de CO y la eliminación deCO2, el gas de síntesis contiene 0.1 a 0.2% en mol de CO y 100 a 1000 ppm de CO2. El método más simple para eliminar estas pequeñas concentraciones de compuestos de oxígeno se muestra en las siguientes reacciones. El metano que se forma no causa ningún problema corriente abajo en el proceso de síntesis de amoniaco. El metano actúa como un gas inerte.

↔ ↔

Ambas reacciones son fuertemente exotérmicas. La temperatura normal de operación de la metanización es de 250 a 300ºC, en presencia de un gran exceso de hidrógeno. El equilibrio se desplaza fuertemente hacia el lado derecho de la reacción por lo que el CO y CO2 pueden ser reducidos a alrededor de 5 ppm. Las ventajas de la metanización (simplicidad y bajo costo) superan las desventajas. El catalizador esta formulado en una base de óxido de calcio/aluminato de calcio con níquel activo incorporado en una solución sólida de NiO/MgO.

 

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COMPRESIÓN Condiciones de operación 80 – 450 bar La síntesis de amoniaco es llevada a cabo a presiones mayores que las de la preparación del gas de síntesis. Por lo tanto el gas de síntesis purificado debe ser comprimido a mayor presión. La presión del circuito de síntesis emplea industrialmente rangos entre 8 a 45 Mpa (80 a 450 bar). Sin embargo la mayoría de las plantas de amoniaco tiene un circuito de síntesis que opera en el rango de 15 a 25 Mpa (150 a 250 bar).Debido a los grandes desarrollos de tecnología en los procesos de amoniaco que empezaron a finales de los años sesenta, plantas de amoniaco con capacidades de 1000 a 1500 Ton/día se han convertido en la industria estándar para las nuevas construcciones de plantas. El gran factor ha sido el cambio desde compresores alternativos accionados eléctricamente, al uso de compresores centrífugos accionados con vapor, calentado por gas natural. Algunos compresores son accionados por turbinas de vapor usando vapor de alta presión generado en calderas que utilizan el calor residual del proceso.

SÍNTESIS DE AMONIACO Condiciones de operación 150 – 250 bar 350 – 550 °C

↔

En la mayoría de los procesos la reacción toma lugar en un catalizador de hierro. La presión de la reacción esta generalmente en el rango de 150 a 250 bar, y la temperatura en el rango de 350 a 550 °C. En condiciones normales de operación de un convertidor convencional, la conversión conseguida por paso es de 20 a 30%. En muchas plantas de amoniaco comerciales, todavía es usado el proceso “Haber Recycle Loop” para obtener sustancialmente la conversión completa del gas de síntesis. En el proceso “Haber” el amoniaco es separado desde el gas reciclado por enfriamiento y condensación.

 

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Luego el gas de síntesis no convertido es mezclado con alimentación fresca y retornado como alimentación al convertidor de síntesis de amoniaco. La disposición del circuito de síntesis difiere con respecto a:

1. Los puntos en el circuito al cual es ingresada la alimentación fresca. 2. Donde es retirado el amoniaco 3. Donde es retirado el gas de purga. Después que el gas deja el convertidor de síntesis, el amoniaco es condensado por enfriamiento y el gas reciclado es retornado al compresor de reciclo. Esta disposición es la más favorable desde el punto de vista de mínima energía. El resultado es el menor contenido de amoniaco a la entrada del convertidor y la mayor concentración de amoniaco en la condensación. Cuando la alimentación fresca contiene agua o CO2 las desventajas de esta disposición son: 1. La concentración de amoniaco a condensar es reducida debido a la dilución con la alimentación fresca 2. Una concentración más alta de amoniaco existe en la entrada del convertidor. 3. El amoniaco producido debe ser comprimido junto con el gas reciclado en el compresor de reciclo. La reformación convencional con metanización como paso final de purificación produce un gas de síntesis que contiene inertes (CH4 y Ar) en cantidades que no son eliminadas en el amoniaco condensado. Gran cantidad de los inertes son retirados del circuito de síntesis en una corriente de purga. El tamaño de esta corriente controla los niveles de inertes en el circuito en 10 a 15%. El gas de purga es lavado con agua para retirar el amoniaco y luego ser usado como combustible o enviado a recuperar el hidrógeno.

 

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GENERADOR DE VAPOR

Condiciones de operación: 120 atm 320 °C El generador de vapor que se encuentra instalado dentro de la planta es utilizado con el fin de generar vapor el cual es adicionado al reformador de la planta prestando el hidrógeno necesario para la síntesis del NH3.

Figura 2.6 Generador de vapor.

 

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Diagrama 2.6 Proceso de reformado con vapor para la obtención de amoniaco.

 

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 OBTENCIÓN DE AMONIACO MEDIANTE EL PROCESO LINDE.

Es un proceso de última generación empleado en la producción de amoníaco a partir del gas natural o los hidrocarburos ligeros. Se basa en la combinación de etapas demostradas del proceso. La planta de LAC (Linde Ammonia Concept) principalmente contiene una planta de hidrógeno moderna, una planta de nitrógeno estándar y una síntesis de amoníaco de alta eficiencia. En la planta de hidrógeno, el gas de síntesis se purifica mediante el proceso de adsorción por cambio de presión. El nitrógeno puro enviado desde la planta primero se mezcla con el gas de síntesis antes de ingresar al compresor. El proceso LAC comprende una simplificación con respecto a la ruta del proceso clásico y se traduce en ahorros de inversión y costos operativos, así como también simplificación de puesta en marcha y funcionamiento de la planta. Asimismo, se obtienen ahorros adicionales de costos de inversión cuando el nitrógeno se suministra mediante el sistema de entrega en el sitio. Los costos operativos específicos se pueden reducir aún más mediante la venta de productos secundarios valiosos. El hidrógeno y el nitrógeno están inmediatamente disponibles, por ejemplo, como productos intermedios de la planta de LAC. Si la planta está correctamente alineada, se pueden producir productos secundarios tales como el oxígeno, el argón y el dióxido de carbono. DESCRIPOCIÓN DEL PROCESO. La alimentación de hidrocarburos se precalienta y desulfura. El proceso de vapor, generado a partir de condensado del proceso en el reactor de desplazamiento isotérmico se añade para dar una relación de vapor de aproximadamente 2.7. La alimentación del reformado se precalienta, el reformador opera con una temperatura de salida de 850°C. El gas reformado se enfría a la temperatura de entrada de cambio de 250°C, mediante la generación de vapor. La reacción de desplazamiento de CO se lleva a cabo en una sola etapa en el reactor de desplazamiento isotérmico, el enfriado internamente por un haz de tubos en espiral para generar vapor en el reactor, desaireado y el condensado se recicla al proceso de recalentado. Después de la recuperación de calor, pasa a enfriamiento final y la separación de condensado, el gas se envía a la adsorción por oscilación de presión (PSA) . Los adsorbentes cargados se regeneran isotérmicamente usando una secuencia de pasos controlada de despresurización y purga. El nitrógeno se produce por la separación de aire a baja temperatura en una caja fría, el aire se filtra, se comprime y se purifica antes de ser suministrado a la caja

 

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fría. El producto de nitrógeno puro es más comprimido y mezclado con el hidrógeno para dar un gas de síntesis de amoniaco puro. El gas de síntesis comprimido a la presión de amoniaco por el compresor de gas de síntesis, que también recicla gas sin convertir a través del circuito de amoniaco. El gas de síntesis puro elimina la purga del circuito y del sistema de tratamiento de gas puro asociado. El circuito de amoniaco se basa en el convertidor de tres camas de amoniaco Casale axial-radial con intercambiadores de calor internos, dando una alta conversión. El calor de reacción de síntesis de amoniaco se utiliza para generar vapor, el gas de alimentación de precalentamiento y el gas es luego enfriado y refrigerado para separar el producto de amoniaco. El gas no convertido se recicla al compresor de gas de síntesis y el producto de amoniaco es enfriado a -33°C para almacenamiento. Las unidades de servicios públicos en la planta ALC son el sistema de generación de energía, que proporciona la energía para la planta de vapor sobrecalentado, la unidad de purificación y la unidad de refrigeración. Hasta ahora, se han construido cuatro plantas basadas en el concepto relativamente nuevo de Linde Ammonia Concept. En general, estas etapas del proceso aplicadas han demostrado ser confiables en operación a gran escala y, además, se pueden instalar parcialmente en forma modular para ahorrar costos. La primera planta LAC se construyó para GSFC en Baroda, India y comenzó a funcionar en 1998. La urea es el producto final de esta planta. Se construyeron otras plantas mediante LAC en Australia y China. El fosfato de amonio, el nitrato de amonio y la metalamina se encuentran dentro de los productos finales que se produjeron en las plantas posteriores.

Figura 2.7 Planta Lac (Linde Ammonia Concept)  

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 OBTENCIÓN DE AMONIACO MEDIANTE EL PROCESO TOPSOE. APLICACIÓN: Para producir amoniaco a partir de una variedad de materias primas alimenticias de hidrocarburos que van desde el gas natural hasta nafta pesada utilizando la tecnología de amoniaco de baja energía de Topsoe. DESCRIPCION DEL PROCESO El gas natural u otra materia prima de hidrocarburo se comprime (si es necesario), es desulfurado, mezclado con vapor y luego se convierten en gas de síntesis. La sección de reformado comprende un pre reformado (es opcional, pero de beneficios particulares con la materia prima son hidrocarburos superiores o nafta), un reformador tubular encendidos y un reformador secundario, donde se añade aire de proceso. La cantidad de aire se ajusta para obtener la relación de H2 / N2 de 3.0 como es requerido por la reacción de síntesis de amoniaco. El reformador de vapor tubular es el diseño de la pared lateral como combustible patentado Topsoe´s. Después de la sección de reformado, el gas de síntesis se somete a conversión de cambio de alta y baja temperatura, eliminación de dióxidos de carbono y metanización. El gas de síntesis se comprime a la presión de síntesis, que típicamente varia de 140 a 220 kg/cm2 y se convierte en amoniaco en un circuito síntesis utilizando convertidores de síntesis de flujo radial, ya sea el concepto S-350 de tres camas usando una S-300 y un convertidor seguido por una caldera de vapor o recalentador, y una cama de S-50 con un convertidor. El amoniaco producto se condensa y se separa por refrigeración. Este proceso de diseño es flexible, y cada planta de amoniaco es optimizada para las condiciones locales para el ajuste de diversos parámetros del proceso. Topsoe suministra todos los catalizadores utilizando en las etapas de procesos catalíticos para la producción de amoniaco. Características tales como la inclusión de un pre reformado, la instalación de un quemador de tipo anillo con boquillas para el reformador secundario y la actualización a un convertidor de amoniaco S- 300, son todas las características que se pueden aplicar para las plantas de amoniaco existentes. Estas características facilitarán el mantenimiento y mejoran la eficiencia de la planta. PLANTAS COMERCIALES: Más de 60 plantas utilizan el concepto del proceso Topsoe. Desde 1990, el 50% de la nueva capacidad de producción de amoniaco se ha basado en la tecnología Topsoe. Capacidades de las plantas construidas dentro de la última década de 650 toneladas métricas por día hasta más de 2000 toneladas métricas por día. Diseño de nuevas plantas con mayores capacidades disponibles.

 

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Diagrama 2.7 Proceso Topsoe para la obtención de amoniaco.

 

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 OBTENCIÓN DE AMONIACO MEDIANTE EL PROCESO CASALES.

APLICACIÓN: Para producir amoniaco anhidro a partir del gas natural. El proceso se basa en aplicar Casale que es un equipo altamente eficiente, incluyendo:     

Casale es un diseño de alta eficiencia para el reformador secundario La tecnología axial-radial Casale para conversión catalítica Inyector de sistema de lavado de amoniaco CASALE La tecnología radial Casale axial-para el convertidor de amoniaco Casale tiene un avanzado diseño de caldera de recuperación en el circuito de síntesis.

DESCRIPCION DEL PROCESO. El gas natural (1) se desulfura primero (2) antes de entrar en un reformador de vapor (3) donde el metano y otros hidrocarburos se hacen reaccionar con vapor de agua que se convierte parcialmente en gas de síntesis, es decir, el hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2). El gas parcialmente reformado entra en el reformador secundario (4) donde (5) se inyecta aire y el metano se convierte finalmente en gas de síntesis. En esta unidad, Casale suministra su proceso de quemador de alta eficiencia, caracterizado por una baja ∆P y flama corta. El gas reformado se enfría mediante la corriente de generación de alta presión, y luego entra en la sección de desplazamiento (6), donde el CO reacciona con vapor para formar hidrógeno y CO2. Hay dos convertidores de cambio, el cambio de alta temperatura y el desplazamiento a baja temperatura; ambos están diseñados de acuerdo con el diseño Casale axial-radial único para lechos de catalizador, lo que garantiza una baja ∆P y un volumen de catalizador inferior, ya la vida del catalizador y recipientes a presión son menos caros. El gas desplazado se enfría adicionalmente y luego entra en la sección de eliminación de CO2 (7), donde este se elimina por lavado (8). El gas lavado, después del precalentamiento, entra en el reactor metanador (9), donde las trazas restantes de óxidos de carbono se convierten en metano. El gas de síntesis limpio puede entrar en el compresor de gas de síntesis (10), donde se comprime a la presión de la síntesis. Dentro del compresor de gas de síntesis, el gas se saca por el eyector accionado de lavado tipo Casale con amoniaco líquido (11), para eliminar el agua de saturación y los posibles restos de CO2.

 

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Esta tecnología patentada aumenta aún más la eficiencia de la síntesis, mediante la reducción de los requisitos de potencia del compresor de gas de síntesis. El gas de síntesis comprimido alcanza el circuito de síntesis (12), donde se convierte en amoniaco en el convertidor axial-radial Casale (13), caracterizado por la más alta conversión por paso y robustez mecánica. El gas se enfría en la caldera de calor de agua residual (14), que ofrece el diseño de tubos de agua Casale, donde se genera vapor. El gas se enfría adicionalmente (15 Y 16) para condensar el amoniaco producto (17) que se separa a continuación, mientras que el gas sin reacción (18) se hace circular (19) de vuelta al convertidor. Los inertes (20), presentes en el gas de síntesis, se purgan del circuito a través de la unidad de recuperación de purga Casale (21), asegurando una recuperación casi completa del hidrógeno purgado (22) de nuevo al circuito de síntesis (12), mientras los inertes se reciclan como combustible (23) de nuevo al reformador primario (3).

 

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Diagrama 2.8 Proceso Casale para la obtención de amoniaco

 

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 OBTENCIÓN DE AMONIACO MEDIANTE BIOTECNOLOGIA.

El amoníaco, es la materia prima para la fabricación de muchos productos químicos, y es en sí mismo un producto final altamente demandado. El químico alemán Fritz Haber ideó un proceso mediante el cual se hace reaccionar nitrógeno con hidrógeno en fase gaseosa, en presencia de catalizadores, a elevadas presiones y temperaturas (y por tanto, gran consumo de energía), que revolucionó en su día la industria química. La cantidad de amoníaco generado en forma natural es casi similar a la producida industrialmente cada año. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, plantas y animales en descomposición y por desechos animales. Casi el 85% del amoníaco procedente de las plantas químicas es usado para fabricar abonos. Existen unas bacterias, las bacterias fijadoras de nitrógeno, que resuelven este mismo problema a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente: contienen enzimas, que son catalizadores extraordinariamente eficientes. Si se consiguiera utilizar estas enzimas de la fijación de nitrógeno en un sentido biotecnológico, podríamos tener un considerable ahorro energético. Esta tecnología está aún en fase de desarrollo, por lo que aún no es de directa aplicación a las industrias del sector, pero el potencial de ahorro energético rondaría las 31.000 (toneladas equivalentes de petróleo) tep. En este ahorro se tiene en cuenta la energía que no habría que consumir para la activación de los reactivos, más el gas natural que dejaría de consumirse en la elaboración del amoníaco, por ser el propio gas natural un reactivo en su fabricación. Es por este motivo que el potencial de ahorro es tan elevado. Si únicamente se contabilizara el ahorro debido a un menor consumo energético, y no al ahorro por menor consumo de gas natural, entonces el ahorro potencial disminuiría hasta las 1.400 tep. El ahorro de energía eléctrica es pequeño en comparación con el ahorro en combustibles.

 

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CAPITULO 3 SUBPRODUCTOS DEL AMONIACO

 SULFATO DE AMONIO El sulfato de amonio fue el primer fertilizante sintético que se produjo en el mundo, su empleo se remonta a finales del siglo XIX. Por supuesto, los países productores eran en aquel entonces los que estaban en vías de desarrollo (actualmente los más desarrollados). En México, el sulfato de amonio lo empezó a producir GUANOMEX en Cuautitlán, Estado de México, actualmente esta planta ya no funciona. El uso del sulfato de amonio se usa casi exclusivamente como fertilizante; es el que contiene menor cantidad de nitrógeno, aunque también se puede utilizar en el tratamiento del agua, en la industria del curtido de pieles y en la elaboración de pilas secas. El sulfato de amonio es un compuesto químico cuya fórmula es (NH4)2SO4. Es una sal compuesta por el anión sulfato y el catión amonio. Su composición o presentación física es de cristales sólidos finos blancos, beige o grisáceos, dada su presentación en forma granular fina, hace que tenga tendencia a compactarse una vez que se ha ensacado, si está almacenado durante mucho tiempo. Cada partícula tiene un tamaño que mide 0,50 a 0,85 mm. La solubilidad que tiene en el agua es 76 gr./100 ml. de agua a 25º C.

USOS DEL SULFATO DE AMONIO Agrícola El Sulfato de amonio es un fertilizante inorgánico de nitrógeno más típico. El Sulfato de amonio es de mejor liberación, rápida actuación fertilizante, que se pueden usar directamente para una variedad de suelos y cultivos. También se puede utilizar como tipos de fertilizantes de semillas, fertilizantes y abonos de base adicional. Es especialmente adecuado para suelos que carecen de los cultivos de azufre y bajas tolerancias de cloro.

 

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Industrial 

Se utiliza como un agente de soldadura.



En la industria textil, como retardante de llama.



En la industria de galvanoplastia, como un aditivo de baño de chapado.



En la industria de teñido, como auxiliares de tintura de colorantes ácidos.



En la industria del cuero, como agente de descalcificación.



En la industria alimentaria, como un agente acondicionador de masa (medio de fermentación), y un catalizador de alimentos salsa.



En la industria farmacéutica, como agente de salificación puede purificar proteínas mediante precipitación



En la industria de pesticidas, como agente adyuvante.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO En el proceso seleccionado se emplean como materias primas el ácido sulfúrico y el amoníaco anhidro. El amoníaco gaseoso es introducido en un recipiente cilíndrico vertical, cuya sección inferior tiene forma de cono invertido (utilizado como catalizador), que contiene ácido sulfúrico entre 30 y 50% la reacción que se verifica es la siguiente: 2NH3(g) + H2SO4(ac)

(NH4)2SO4 (ac)

La cristalización es la operación primordial en el proceso. Se forman núcleos cristalinos en una solución sobresaturada de sulfato de amonio y se dejan crecer los cristales hasta el tamaño requerido, la proporción de los cristales puede graduarse por medio de burbujeo de aire a través de la solución. Los cristales del sulfato de amonio se separan por medio de una centrifugación continua, de donde pasan al secador rotatorio, se tamizan y se envasan en sacos; se puede vender así o a granel. El proceso es continuo y combina las operaciones de evaporación, cristalización y secado. Se le proporciona al cristalizador un flujo de aire comprimido que permite una temperatura de 65 a 68 °C.

 

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Un método alternativo para obtener sulfato de amonio, consiste en hacer reaccionar amoníaco con agua y bióxido de carbono, producto secundario de reformación del gas natural, para producir en un primer paso carbonato de amonio, como se observa en la siguiente ecuación: 2NH3(ac) + CO2(ac) + H2O(l)

(NH4)2CO3(ac)

El carbonato de amonio, se hace reaccionar con agua y yeso CaSO4 * 2 H2O producto secundario de la fabricación de ácido fosfórico, reacción que podemos representar mediante la siguiente ecuación. (NH4)2CO3(ac) + CaSO4(ac) + H2O

(NH4)2SO4(ac) + CaCO3(s)

Que genera como subproducto carbonato de calcio, el cual es la materia prima para la producción de cal viva, material de construcción, de acuerdo con la siguiente ecuación. CaCO3(s)

CaO(s) + CO2(g)

Diagrama 3.1 Proceso de obtención de sulfato de amonio

 

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 ÁCIDO NÍTRICO

El ácido nítrico puro es un líquido viscoso, incoloro e inodoro, se descompone lentamente por la acción de la luz, adoptando una coloración amarilla por el NO2 que se produce en la reacción. En el aire húmedo despide humos blancos. Su punto de fusión es de -43°C y su punto de ebullición es de 83°C pero a esa temperatura se acentúa su descomposición. Es soluble en agua a cualquier proporción y cantidad, su densidad es de 1.5 g/ml. A menudo distintas impurezas lo colorean de amarillo-marrón. A temperatura ambiente libera humos rojos o amarillos.   El ácido nítrico también se le puede conocer con los siguientes nombres: • Nitrato de Hidrógeno • Ácido Trioxonítrico • Trioxonitrato de Hidrógeno • Agua Fuerte • Espíritu de Sal

USOS DEL ÁCIDO NÍTRICO

 



Como parte integral de la fabricación de explosivos. El ácido nítrico se puede utilizar para la fabricación de componentes de trinitrotolueno (TNT), nitroglicerina y algodón pólvora (nitrocelulosa).



Como fertilizante agrícola. La fabricación de nitratos, los cuales se emplean como abonos fertilizantes en los campos; promueven el crecimiento vigoroso de las plantas. Los abonos nitrogenados más importantes son el nitrato sódico (NaNO3) y el nitrato potásico KN03.



Se puede utilizar como un agente oxidante en la producción algunos combustibles sólidos para la propulsión de cohetes.



Como un agente de envejecimiento en carpintería, donde se puede utilizar en formas muy diluidas (típicamente por debajo del 10%) para cambiar el aspecto de algunas maderas y para producir un color similar al de las superficies aceitadas o envejecidas.

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de



En el comercio de la joyería se puede utilizar ácido nítrico para identificar aleaciones de bajo grado y evaluar la pureza del contenido de oro.



Se puede utilizar en una solución con alcohol y agua para grabar los metales mediante la eliminación del calcio y el magnesio depositado durante los procesos de fabricación o de conversión que puedan derivarse de la exposición continua al agua dura.



Otros usos industriales del HN03 comprenden la fabricación de nitrocompuestos, que se utilizan en la fabricación de muchos colorantes artificiales y nitrato de plata (AgNO3), requerido este en grandes cantidades por la industria fotográfica

El ácido nítrico no es sólo uno de los compuestos derivados del amoniaco más importantes, sino también un útil agente oxidante. Mientras que la mayoría de los ácidos, al ponerlos en contacto con los metales más reactivos, liberan hidrógeno el ácido nítrico tiene una gran tendencia (a menos que este muy diluido) a oxidar el hidrógeno formando agua. Simultáneamente se liberan uno o más de los óxidos de nitrógeno y se forma el nitrato del metal correspondiente. Por ejemplo:

4 Zn + 10 HNO3

4 Zn (NO3)2 + N2O + 5H2O

Como el ácido nítrico es un líquido de punto de ebullición relativamente bajo (86°C), se le puede extraer de sus sales por reacción con ácidos que no se evaporen con facilidad. Antiguamente el ácido nítrico se obtenía en escala industrial por una reacción entre nitrato de sodio y ácido sulfúrico concentrado.

Método Industrial de Obtención del Ácido Nítrico El método consiste en sintetizarlo a partir de amoniaco y oxígeno. La formación de ácido nítrico por oxidación del amoniaco tiene lugar en varias etapas sucesivas pero el efecto global puede ser representado mediante la siguiente reacción:

NH3 + 2 O2

 

HNO3 + H2O

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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO: a) Oxidación del amoníaco: A través del reactor empacado con catalizador de Rh y Pd se hace pasar la mezcla de un volumen de amoníaco y nueve de aire, a una presión de alrededor de 8 atmósferas. La reacción genera calor y el catalizador se mantiene a una temperatura de alrededor de 940 °C. Parte del calor se emplea produciendo vapor en un conjunto de calderas para precalentar el aire comprimido antes de que entre al mezclador y para otros usos de la planta industrial. En el reactor se forman óxidos de nitrógeno por oxidación del amoníaco. Además, en los gases calientes que salen del reactor hay vapor de agua, nitrógeno y algo de oxígeno. Estos gases son enfriados por etapas hasta una temperatura de aire alrededor de 50°C el calor que se extrae no se desperdicia sino que se utiliza para producir vapor sobrecalentado el cual se emplea para fines diversos en la misma planta. Las reacciones que se llevan a cabo son:

4NH3(g) + 5O2(g)

4NO(g) + 6H2O(g)

2NO(g) + O2(g)

2NO2(g)

El rendimiento de la oxidación del amoníaco es cercano al 90 % respecto del máximo teórico. b) Hidratación del NO2: Los gases enfriados se introducen por la parte inferior del reactor de hidratación en el cual cae agua que entra por la parte superior. A medida que los óxidos de nitrógeno suben, se mezclan en sucesivos platos perforados con el agua que baja. El bióxido de nitrógeno reacciona con el agua y se forma ácido nítrico mientras que el NO producto de la reacción de hidratación se recircula al reactor de oxidación. La reacción que se produce es la siguiente:

3NO2(g) + H2O(l)

2HNO3(ac) + NO(g)

c) Concentración del HNO3: El ácido nítrico formado en el reactor de hidratación se encuentra muy diluido en agua, por lo que se introduce a una torre de destilación donde se separan el agua y el ácido nítrico por sus diferentes puntos de ebullición.

 

46 

Alrededor del 60% de la producción mundial de ácido nítrico se emplea para la fabricación de nitrato de amonio, usado bien como fertilizante o como materia prima para la obtención de explosivos mineros. Un 21% de la producción mundial de ácido nítrico se dedica a fabricación de fibras sintéticas, el 1.5% a la fabricación de isocianatos (poliuretanos) y el 12.3% para fabricar ésteres del ácido nítrico (explosivos para uso militar) y nitroderivados tales como: nitrocelulosa, nitroglicerina, pólvora, pinturas acrílicas, nitrobenceno, nitrotolueno, acrilonitrilos, etc.

Diagrama 3.2 Proceso de producción del ácido nítrico.

 

47 

 NITRATO DE AMONIO

El nitrato de amonio es una sal blanca cristalina, en estado puro, sumamente soluble en agua; además presenta elevada solubilidad en amoniaco anhídrido y, en menor grado, el alcohol etílico y metílico en caliente. Presenta una gran tendencia a absorber humedad del medio ambiente, es decir, es muy giroscópico. Asimismo, absorbe amoniaco gaseoso formando soluciones nitrato-amoniacales llamadas “líquido de Divers” con elevado contenido de amoniaco (25% aproximadamente). En estado sólido presenta cinco formas cristalinas, dependiendo de la temperatura a la que se encuentre. Al pasar de una forma cristalina a otra, se producen calor y cambios de volumen, hecho que debe considerarse en las operaciones de manejo y envasado. A temperatura ambiente, el nitrato de amonio actúa como material oxidante de muchos metales, tanto en estado sólido como solución acuosa, atacando con especial rapidez el cobre y sus aleaciones resistentes a la corrosión. El almacenamiento de esta sustancia requiere de medidas precautorias ya que existe el riesgo de explosión. Otro uso del nitrato de amonio es como materia prima en la fabricación de explosivos. Industrialmente, el nitrato de amonio se fabrica a partir de amoníaco.

Propiedades físicas. Peso molecular

80 g/mol

Punto de fusión

442 K (169 °C)

Punto de ebullición

se descompone a 483 K (210 °C)

Densidad

1720 kg/m³

Solubilidad

208 g en 100g de agua

Tabla 3.1 Propiedades físicas del Nitrato de Amonio

 

48 

USOS DEL NITRATO DE AMONIO



El nitrato de amonio que se utiliza sobre todo como fertilizante es debido a su buen contenido de nitrógeno. El nitrato es aprovechado directamente por las plantas mientras que el amonio es oxidado por los microorganismos presentes en el suelo a nitrito o nitrato y sirve de abono de más larga duración.



Las mezclas del nitrato amónico con petróleo se utilizan como explosivos. Este compuesto también es responsable de la mayor parte de los accidentes graves con los fertilizantes.



Al 62% se emplea como fertilizante en suelos pobres en nitrógeno y para cultivos frutales y de hortalizas. Al 90% se utiliza para fabricar emulsiones explosivas.



Explosivos para minería: Se utiliza como insumo en la producción de explosivos, que es un agente explosivo de bajo costo, especialmente recomendado para minería subterránea y explosiones de superficie de pequeño diámetro

El nitrato de amonio se suele fabricar en forma de pequeños gránulos que son fáciles de almacenar y de aplicar en los terrenos de cultivo. La reacción entre el amoníaco y el ácido nítrico es irreversible, instantánea y exotérmica El calor desprendido por la reacción depende de la concentración de ácido nítrico usado y de la solución producida de nitrato de amonio. Dicho calor de reacción se puede utilizar para producir la evaporación del agua de la solución de nitrato de amonio y además para producir vapor de agua.

La siguiente etapa en la fabricación del nitrato de amonio consiste en evaporar el agua con objeto de que la sal de amonio cristalice y pueda se empacada en costales para su venta y aplicación.

 

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DESCRIPCION DE LOS PROCESOS.



PROCESO DE CAVIM

Materia prima: Amoniaco gaseoso y ácido nítrico a 61% Principio: La materia prima es suministrada a un reactor, cuando este alcanza una presión interna de 0.5 kg/cm2 se comienza a desalojar el ANSOL (nitrato de amonio en solución) a un reactor secundario y cuando este alcanza un 80% de su nivel se enciende la bomba para trasladar el producto hacia el tanque de almacenamiento y se detendrá el llenado cuando el nivel del reactor secundario sea de un 40%. El vapor de agua generado durante la reacción, una pequeña parte se pasa al reactor de burbujeo y una gran cantidad se envía a la atmósfera a través de una columna. Producto: Se obtiene una solución de nitrato de amonio al 90%.



PROCESO UDHE

Materia prima: Amoniaco y ácido nítrico. Principio: En el reactor se produce nitrato de amonio a presiones normales y a temperaturas de reacción bajas, en dicho reactor circula una solución de nitrato de amonio recirculado, de tal manera que el calor de reacción se almacena en la solución y puede ser utilizado posteriormente. Este método implica gastos de inversión limitados, pues solamente el reactor es ligeramente presurizado para evitar que la solución de nitrato de amonio llegue a su punto de ebullición, dicha medida evita las pérdidas de amoniaco. A la salida del reactor la solución se alimenta a un evaporador flash donde una parte del agua se evapora al vacío, con los vapores del mismo se precalienta el ácido nítrico que si posee concentraciones alrededor de 58% podría generar concentraciones de nitrato de amonio hasta un 95%. Usualmente se recircula un 30% de la solución que sale del reactor. Producto: Para facilitar el control y garantizar condiciones de seguridad se limita la concentración del nitrato de amonio a un 92%.

 

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

PROCESO STAMICARBON

Materia prima: Amoniaco, ácido nítrico 60% y pequeñas cantidades de ácido sulfúrico. Principio: Se trata de un proceso bajo presión, el neutralizador es un reactor tubular en bucles que descarga a un separador, gracias al calor de reacción la solución circula sin necesidad de bombas. El ácido nítrico, el amoniaco y una pequeña cantidad de ácido sulfúrico se introducen en la parte baja del reactor que opera a 4bar y 178ºC. La solución de nitrato de amonio formada tiene una concentración de 78%. El vapor eliminado por la parte alta del separador se pasa a través de un ciclón eliminador de nieblas y se usa principalmente para concentrar la disolución de nitrato de amonio. El exceso de vapor se condensa y el amoniaco recuperado del condensado se recicla al reactor. Luego pasa por un segundo evaporador, este concentra aún más la solución usando vapor fresco. Producto: La solución de nitrato de amonio se encuentra entre un 98% y 99.8% de concentración.



PROCESO NSM / NOSK HIDRO PRESSURE PROCESS

Materia prima: Amoniaco y ácido nítrico Principio: Tanto el amoniaco como el ácido son precalentados, las condiciones del reactor son de 4.5 bar y entre 170 y 180ºC de temperatura, con ellas se pueden obtener disoluciones de nitrato de amonio de 70 a 80% en peso. La circulación forzada y el efecto del gradiente de temperaturas en las diferencias de densidad del agua hacen circular la solución a través del reactor. Parte del calor de reacción es usado para generar vapor puro en un hervidor exterior, parte evapora agua del reactor produciendo vapor de proceso, el cual se usa para concentrar la solución a un 95%. Las pérdidas de amoniaco son pequeñas, gracias al lavado de los vapores del proceso con ácido nítrico y su posterior adición a la solución producto circulante. Luego se pasa por un evaporador al vacío que hace que la solución sea más pura. Producto: se obtiene una solución de nitrato de amonio con una concentración 99.5% en peso. Servicios industriales: Se consume un alto porcentaje de electricidad y vapor

 

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

PROCESO STENGEL

Materia prima: Amoniaco y ácido nítrico. Principio: Es un método que es ampliamente utilizado ya que se obtienen concentraciones mayores a un 90%. Dicho método dispone de varias ventajas como: economizar mediante el precalentamiento del amoniaco y el ácido nítrico y el uso de menos equipamiento así como su mayor desventaja es su falta de seguridad. El amoniaco y el ácido nítrico con una concentración del 58% son precalentados con vapor y alimentados continuamente a un reactor tubular vertical que trabaja a 3.5 bar y a una temperatura de reacción que de entre 200 y 240 ºC. Esta mezcla de nitrato de amonio y vapor se expande en un separador centrífugo a vacío obteniendo finalmente concentraciones altas de nitrato de amonio fundido, el cual se descarga a una cinta de bandas refrigeradas para su solidificación y posterior granulación. Producto: El nitrato de amonio concentración de 99.8%

que se obtiene por este proceso es de una

Diagrama 3.3 Proceso STENGEL de obtención del nitrato de amonio.

 

52 

 UREA Urea, también conocida como carbamida, carbonildiamida o ácido arbamídico, es el nombre del ácido carbónico de la diamida. Cuya fórmula química es (NH2)2CO. Es una sustancia nitrogenada producida por algunos seres vivos como medio de eliminación del amoníaco, el cual es altamente tóxico para ellos. En los animales se halla en la sangre, orina, bilis y sudor, así como en el ser humano se contiene en la orina.

La urea se presenta como un sólido cristalino y blanco de forma esférica o granular. Es una sustancia higroscópica, es decir, que tiene la capacidad de absorber agua de la atmósfera y presenta un ligero olor a amoníaco. Propiedades Peso molecular: 60.06 g/mol Densidad: 768 Kg/m3 Punto de fusión: 132.7 °C Corrosividad: Altamente corrosivo al acero al carbono. Poco al aluminio, zinc y cobre. No lo es al vidrio y aceros especiales La urea es una sustancia no peligrosa, no tóxica, no cancerígena y tampoco es inflamable aunque si es levemente irritante en contacto en los ojos y piel. Es explosivo si se mezcla con agentes reductores fuertes, como hipoclorito y por termo descomposición, produce gases inflamables y tóxicos (NH3 y CO2) Es muy soluble en agua, alcohol y amoníaco. Poco soluble en éter y otros a temperatura ambiente. Por termo descomposición, a temperaturas cercanas a los 150 – 160 ºC, produce gases inflamables y tóxicos y otros compuestos. Por ejemplo amoníaco, dióxido de carbono, cianato de amonio (NH4OCN) y biurea HN(CONH2)2. Si se continúa calentando, se obtienen compuestos cíclicos del ácido cinabrio. Urea en la naturaleza es producida por los mamíferos como producto de la eliminación del amoníaco, el cual es altamente tóxico para los mismos. El llamado ciclo de la urea, es el proceso que consiste en la formación de urea a partir de amoníaco. Es un proceso que consume energía, pero es indispensable para el quimismo vital. En los humanos al igual que en el resto de los mamíferos, la urea es un producto de desecho, producido cuando el cuerpo ha digerido las proteínas. Por otra parte, se encuentran en el suelo numerosas bacterias que liberan una enzima llamada ureasa

 

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USOS DE LA UREA

Los principales usos de la urea son: 

El 90% de la urea producida se emplea como fertilizante. Se aplica al suelo y provee de nitrógeno a las plantas. También se utiliza la urea de bajo contenido de biuret (menor al 0.03%) como fertilizante de uso foliar. Se disuelve en agua y se aplica a las hojas de las plantas, sobre todo frutales y cítricos.



La urea como fertilizante presenta la ventaja de proporcionar un alto contenido de nitrógeno, el cual es esencial en el metabolismo de la planta ya que se relaciona directamente con la cantidad de tallos y hojas, las cuáles absorben la luz para la fotosíntesis. Además el nitrógeno está presente en las vitaminas y proteínas, y se relaciona con el contenido proteico de los cereales.



Industria química y plástica: Se encuentra presente en adhesivos, plásticos, resinas, tintas, productos farmacéuticos y acabados para productos textiles, papel y metales.



Como suplemento alimentario para ganado: Se mezcla en el alimento del ganado y aporta nitrógeno, el cual es vital en la formación de las proteínas.



Producción de resinas: Como por ejemplo la resina urea-formaldehído. Estas resinas tienen varias aplicaciones en la industria, como por ejemplo la producción de madera aglomerada. También se usa en la producción de cosméticos y pinturas



La urea también se usa ampliamente en la industria agrícola como un aditivo para la alimentación animal.



La Urea en una forma de liberación lenta es popular para su uso en campos de golf, parques, y otras situaciones especiales como el césped.

         

 

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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. El proceso de producción de la urea comprenden las siguientes etapas. 1. 2. 3. 4.

5. Síntesis de urea 6. Deshidratación, concentración y granulación.

Obtención de CO2 Obtención de amoníaco Formación de carbamato Degradación del carbamato y reciclado

Obtención de CO2 El CO2 se obtiene a partir de gas natural, mediante la reacción conocida como reforming. Antes del reforming, deben separarse las impurezas del gas, tales como gotas de aceite, partículas de polvo, y sobre todo desulfurar el gas, ya que el azufre interfiere con la acción de los catalizadores. Luego de purificar el gas, se procede a la obtención de CO2 mediante dos etapas de reforming catalítico con vapor de agua. El calor necesario para la reacción, la cuál es endotérmica, proviene de la combustión del gas natural y de los gases parcialmente reformados. Se deja entrar aire al reactor para obtener la relación necesaria de H2/N2para la posterior obtención del amoníaco. La reacción es la siguiente 2 CH4 + 3 H2O

CO + CO2 + 7 H2

Las dos etapas de reforming se verifican según la reacción expuesta, y a la salida de la segunda etapa, se obtiene un gas con las siguientes proporciones: 56% H2, 12% CO, 8% CO2, 23% N2 y menos de 0,5% CH4. Para eliminar el CO y convertirlo en CO2, se realiza la conversión de CO haciendo que reaccione catalíticamente con vapor de agua para formar CO2 y H2 usando hierro y cobre como catalizadores. Del gas resultante se separa el CO2 mediante una solución de mono etanol amina (MEA), mediante la siguiente reacción: MEA (CO2)

 

MEA + CO2

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Compresión del anhídrido carbónico. El dióxido resultante es enviado a dos etapas sucesivas de compresión en las cuáles se eleva la presión a 160 atmósferas absolutas. Al dióxido se le agregan pequeñas cantidades de aire pasivante para inhibir la acción corrosiva.

Obtención de amoníaco El otro reactivo necesario para la producción de urea es el amoníaco. Éste se obtiene a partir del gas reformado separado del CO2. Se produce primeramente una etapa de metanación para convertir a metano las bajas proporciones que quedan de CO y CO2en circulación, dado que éstos interferirían en la acción del catalizador en la etapa final de síntesis del amoníaco CO + 3 H2

CO2 + 4 H2

CH4 + H2O

CH4 + 2 H2O

Luego de la metanación, el gas circulante se compone de aire, metano y vapor de agua, los cuales reaccionan con catalizador de hierro para formar amoníaco en estado gaseoso según: 7 CH4 + 10 H2O + 8 N2 + 2 O2

16 NH3 + 7 CO2

El amoníaco gaseoso se condensa por enfriamiento y se separa del gas para almacenarlo a presión de unas 13 atmósferas. El amoníaco gaseoso remanente es recirculado al loop de síntesis.

Formación del carbamato La reacción de síntesis de Urea se lleva a cabo a altas presiones (200 bar) y el nivel térmico óptimo (190°C) en un reactor construido en acero inoxidable especial. La reacción se produce entre el amoníaco, el CO2 y la solución reciclada de carbamato, proveniente de la etapa de absorción.

 

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El carbamato de amonio se forma a partir de CO2 y NH3 según la siguiente reacción (esta reacción genera calor): 2NH3 (g) + CO2 (g)

NH2 – COONH4(l)

Amoniaco + Gas Carbónico

Carbamato de Amonio

Antes de ingresar al reactor, el CO2 es comprimido hasta 200 atm, mediante un compresor eléctrico y el amoníaco hasta 145 atm. El NH3 y el CO2 reaccionan rápida y exotérmicamente, en una primera etapa, para formar el carbamato, que luego se deshidrata a urea + agua, con esta reacción se logra cerca del 100% en condiciones normales.

Descomposición del carbamato.

No todo el Carbamato de Amonio se descompone en Urea y Agua. La fracción que se descompone para formar Urea en relación a la cantidad total que ingresa al reactor se denomina conversión. La conversión de Carbamato en Urea en el reactor está en el orden de 70%. Es decir que de cada 100 Kg de carbamato que se forman, sólo 70 Kg pasan a Urea. El resto debe reciclarse permanentemente y en forma continua al reactor para lograr una conversión total. Como habíamos visto, el carbamato se forma mucho más rápido que la urea. Al ser altamente corrosivo, su manejo es muy difícil. Por ésta razón, lo que se hace es degradarlo nuevamente a NH3 y CO2 para luego volver a formarlo. La reacción de descomposición: NH2 – COONH4 (l)

2NH3 (g) + CO2 (g)

Se logra de dos formas: 1. Bajando la presión y temperatura, se desplaza el equilibrio hacia los reactivos. Luego la mezcla gaseosa se vuelve a comprimir causando su recombinación. Si hay amoníaco en exceso, este se separa en forma gaseosa de la solución de carbamato. Para disminuir los costos totales de la recompresión, esta se realiza en dos etapas.

 

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2. La otra forma es mediante el stripping del amoníaco, desplazando la reacción hacia productos. Al bajar la presión parcial del reactivo, el sistema evoluciona hacia su equilibrio degradando el carbamato. Esta forma tiene la ventaja de poder hacerse a la presión de síntesis, lo que reduce el costo de recompresión.

Síntesis de urea. El carbamato se deshidrata a urea mediante la reacción: NH2 – COONH4 (l)

NH2 – CO – NH2 (l) + H2O (l)

La reacción es endotérmica, y es mucho más lenta que la de producción de carbamato. La cinética de la reacción aumenta con la temperatura, con una mayor relación NH3/CO2 y disminuye con una mayor presencia de agua. La producción de la Urea se realiza en un reactor vertical, que opera a 188–190 ºC y 160 Kgf/cm2 absoluta, una relación N/C de 3,6 – 3,8, un tiempo de residencia de alrededor de 45 minutos y un grado de conversión (en un paso) del 65 – 70 %. Esta operación combina la formación de carbamato en su parte inferior, por la alimentación de CO2 y NH3 en exceso y la descomposición del carbamato en urea (mucho más lenta y endotérmica).

Formación de biuret El biuret se forma cuando dos moléculas de urea se unen liberando una molécula de amoníaco según 2 NH2 – CO – NH2

NH2 – CO – NH – CO – NH2 + NH3

Se trata de una sustancia altamente tóxica para las plantas, por lo cual su concentración en la urea debe ser muy baja, menor al 0.4%. Para lograr bajas concentraciones se usa un exceso de amoníaco en la síntesis de urea.

 

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Concentración La corriente de Urea y agua obtenida en las etapas de Descomposición, la cual contiene aproximadamente 70% de Urea, es concentrada al 80% en un concentrador de vacío mediante la aplicación de calor externo utilizando vapor de agua. Esta corriente se denomina Urea de síntesis, y es bombeada hacia la unidad de Evaporación.

Evaporación La corriente proveniente del Concentrador se sigue concentrado en dos etapas de Evaporación, la primera de ellas (se concentra hasta 95 %) operando a 0.3 Kg/cm2 absolutos y la segunda (se concentra hasta 99.8 %) a muy alto vacío, para lograr la evaporación del agua sin descomponer térmicamente la Urea. Un equipo clave de esta etapa es un eyector de importantes dimensiones que permite lograr los niveles de vacío requeridos. Se obtiene de este modo una corriente de Urea fundida a 132 °C con muy bajo contenido de agua, del orden de 0.5%. Esta corriente es enviada a la Torre de Prilling para la formación de perlas de Urea.

Granulación Luego se pasa al perlado de Urea (formación de pequeñas perlas de 2–4 mm de diámetro) se realiza en la Torre de Perlado (Torre de Prilling). La Urea fundida es bombeada a la parte superior de la torre de 80 mts de altura y 16 mts. de diámetro. Mediante un canasto giratorio con unas 6000 pequeñas perforaciones se logra obtener una lluvia de Urea fundida, cuyas gotas se van solidificando primero y enfriando luego durante su caída libre, a la vez que se hace circular aire en sentido contrario mediante grandes ventiladores ubicados en la parte superior de la torre. Se obtiene de este modo el producto final, a unos 40 – 50 °C de temperatura, el cual es transportado mediante elevadores y cintas a los silos de almacenaje.

 

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Diagrama 3.4 Proceso de obtención de la Urea

 

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CONCLUSIONES

 



La producción de amoniaco se ha visto limitada en gran porcentaje, lo cual ha dado como resultado que en nuestro país no solo la producción de este petroquímico sino también de los compuestos derivados del mismo como son: sulfato de amonio, ácido nítrico y nitrato de amonio etc. Lo que implica un retroceso en la industria petroquímica en México



Hoy en día uno de los principales complejos petroquímicos productor de NH3 en México; está fuera de operaciones, así que es necesario aumentar la capacidad de producción de amoniaco en PEMEX para poder reactivar esta gran oportunidad de crecimiento en el sector petroquímico de nuestro país.



El 77% de la producción mundial de Amoniaco emplea gas natural. El 85% de la producción mundial de este petroquímico emplea procesos de reformado con vapor.



Con la reactivación de la planta de producción de amoniaco; PEMEX podrá sustituir importaciones del mismo que representan ingresos millonarios; generando alrededor de 2,500 empleos, adicionalmente contaría con un excedente del mismo para su exportación.



En la actualidad la demanda de amoniaco va en aumento cada año de tal forma que es uno de los productos petroquímicos de mayor importancia a nivel mundial, lo que indica que las inversiones para su producción también deben aumentar.



El principal consumidor de amoniaco es la industria de los fertilizantes; nuestro país se encuentra en una situación precaria, pues hoy importa el 70% de los fertilizantes que se consumen en México, ya que según estudios una hectárea que se fertiliza produce cuatro veces más que una que no se fertiliza.



Otras de las múltiples aplicaciones del amoniaco son en la producción de distintos productos como; fabricación de textiles, plásticos, papel, explosivos, productos de limpieza, refrigerantes, alimentos así como también en la industria farmacéutica.

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