Obtencion de Amoniaco

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

OBTENCIÓN DEL AMONIACO 1.- OBJETIVOS: •

Objetivo general:

 Obtención del amoniaco a partir del gas natural como materia prima.  Proporcionar un panorama preliminar de la factibilidad técnica y económica de una planta de amoniaco-urea. •

Objetivos específicos:



Describir los principales aspectos de las tecnologías disponibles para la producción de amoniaco - urea. Analiza y proyecta el mercado de urea en Sudamérica y en el Mundo, señalando sus principales características y tendencias. Definición de la capacidad de la planta, balance de materiales, estimación de requerimientos energéticos e insumos y descripción de las especificaciones técnicas de los principales equipos. Análisis de distribución, logística y sus costos. Análisis preliminar de costos y determinación de indicadores de factibilidad económica. " Análisis de aspectos ambientales y de seguridad.

 

  

2 .-ASPECTOS TÉCNICOS

Para fabricar amoniaco, a partir de gas de síntesis y aire, el gas de síntesis se obtiene descomponiendo mediante catalizadores el GN (gas natural) mezclado con vapor de agua, el gas de síntesis tiene básicamente H2 (hidrógeno) y CO2 (dióxido de carbono), los que son separados, con el hidrógeno se sintetiza amoniaco (NH3), utilizando el N2 (nitrógeno del aire). Posteriormente en otra etapa, se puede obtener urea si se hace reaccionar NH3 con el CO2 del gas de síntesis y se obtiene la urea. Es importante recalcar que se utiliza todo el gas natural para elaborar gas de síntesis, no se desperdicia nada.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

3.-RESUMEN Una de las industrias petroquímicas con fuerte expansión de su mercado mundial (2%), es la producción de urea que se obtiene al hacer reaccionar el NH3 con el CO2, a partir del Gas Natural como materia prima (el 80% de la producción de urea utiliza GN) por lo menos para los próximos 50 años, su producción no solo se realiza por fines comerciales, es la base de la agricultura moderna, clave de la supervivencia humana. Tal es la necesidad de urea, que la China e India tiene la mitad de la producción mundial, a pesar de ello se ven obligados a impórtala. Según la Chemical Enginneering/Oct. - 1998, para el año 2005, se necesitaran implementar por lo menos unas 45 nuevas plantas con una capacidad de 1.750.000 t/año cada una, para satisfacer la fuerte expansión del mercado de la urea. A nivel mundial la mayoría de los países son importadores, incluidos EEUU, Europa, India, Corea, Filipinas, Taiwán, etc. Los países de la ex URSS, se consideran como los principales exportadores. En Sudamérica y el caribe, los principales productores son Brasil, Venezuela y Argentina, el resto de los países donde se incluyen Brasil y México importan el producto. Tan solo par Brasil, se reporta una demanda insatisfecha de 1.700.000 t/año, para Sudamérica, con una expansión del mercado de fertilizantes del 4% anual, habrá una demanda insatisfecha de más de 5.000.000 t/año de urea. Los detalles técnicos generales y los principales resultados del estudio de prefactibilidad económica de una planta de amoniacourea, con una buena ubicación, con el fin de facilitar la exportación del producto a Brasil, Argentina, Chile y Perú. Las debilidades logísticas serían compensadas por el mercado múltiple y las distancias relativamente cortas, que implican bajos costos de transporte hacia a las fronteras y al interior de los mercados potenciales, mano de obra barata, costos atractivos de GN, tasas arancelarias preferenciales dentro del Pacto Andino y el MERCOSUR y las nuevas políticas del Gobierno dirigidas a promover e incentivar la inversión en industrias petroquímicas dentro del territorio Peruano, con importantes reducción a las tasas impositivas y costo del GN. La baja disponibilidad de recursos puede ser balanceada por la amplia y abierta oferta internacional de la tecnología, construcción y provisión de equipos ofreciendo un amplio abanico de costos de implementación. Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Una fábrica de urea con capacidad de 560.000 t/año, puede tener costos de implementación entre 200 a 320 millones de $US, exportarían más 70 millones $US/año, generando impuestos y creando más de 2500 empleos directos, en veinte años la inversión tendrá un efecto multiplicador en la economía de la región y en el país equivalente a ocho veces el capital invertido, la planta crearía un polo de atracción para otras inversiones, con los siguientes beneficios auxiliares de usos múltiples; incremento de las actividades de transporte al interior y exterior del País, creación de empresas secundarias, para preparación, envasado, distribución y venta de otros fertilizantes.

En el Cuadro 1, se sintetizan los principales usos del amoniaco y la urea producidos a partir de gas natural.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

3.- PRODUCCIÓN Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

4

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

3.1.- PRODUCCIÓN DE AMONIACO EN EL PERU Y EN EL MUNDO La producción de amoniaco generalmente esta orientada al ámbito de los fertilizantes, actualmente la importación y comercialización de ellos se realiza a través de empresas privadas, las cuales se encuentran ofertando una gran variedad de fertilizantes simples (nitrogenados, fosfatados y potásicos). Con relación al consumo de nutrientes en el año 1999, tenemos que para el caso del Nitrógeno fue de 170,000 TM/anuales. En lo que respecta al consumo de nitrógeno traducido a fertilizantes nitrogenados, el principal aporte lo realiza la urea, con cerca del 80% del total de N consumido. El resto es aportado por el Fosfato Diamónico (8%), Sulfato de Amonio (6%), Nitrato de Amonio (4%) y un 2% en otras fuentes. A continuación mostramos la importación de fertilizantes procesados del amoniaco: FERTILIZANTE Urea Nitrato de Amonio Sulfato de Amonio Nitrato Natural Fosfato Monoamónico Fosfato Diamónico Super Triple Cloruro de Potasio Sulfato de Potasio Nitrato de Potasio

PROCEDENCIA Rusia Europa USA Chile USA USA USA Chile – USA Chile – USA Chile

IMPORTACIONES DE AMONIACO ANHIDRO –PERU Tm/año

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

5

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

En el año 1994, se intensifica la producción de fertilizantes en el Perú, con formulaciones básicas y posteriormente con formulaciones especiales para los diferentes cultivos. La evolución en la producción de fertilizantes ha sido creciente iniciándose en el año 1992 con un nivel de 1,500 t/año y siendo al momento de 25,000 t/año, siendo la tendencia creciente.

IMPORTACIONES DE UREA-PERU

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

6

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Tm/año

Las materias primas utilizadas para la producción: Fuentes Nitrogenadas: • • • •

Urea (46% N) Nitrato de Amonio (33,5% N) Sulfato de Amonio (21% N-24% S) Nitrato potásico (23-0-3)

Destino de fertilizantes de amoniaco en diferentes cultivos como: • • • • • • • •

Espárrago Algodón Cítrico Café Caña de Azúcar Papa Maíz Arroz

Inversión en producción de amoniaco para el Perú:

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

7

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Producción de amoniaco en Sudamérica:

3.2.- ASPECTOS AMONIACO

ECONOMICOS

DE

LA

ELABORACION

DE

El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de Reformado con Vapor y el 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas Natural como materia prima. Las previsiones son que el gas natural siga siendo la materia prima principal durante por lo menos los próximos 50 años. Cuadro 1.- Comparación de las materias primas para la producción de amoniaco Gas Fuel oil Carbón natural pesado Consumo de 1,0 1,3 1,7 Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

8

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil energía Coste de inversión Coste de producción

1,0

1,4

2,4

1,0

1,2

1,7

La producción mundial de amoníaco bordea las 15 millones de ton/año, y se distribuye para fertilizantes, plásticos, explosivos, alimentos para animales, fluidos limpiadores, agentes removedores, agentes fermentantes, etc. Los porcentajes de los principales usos del amoniaco se dan en la figura 1.

Figura 1.- Usos del Amoniaco 10,0% 1,1% 2,4% 5,0% 1,5%

FERTILIZANTES (NH4NO3, UREA) ALIMENTOS PARA ANIMALES EXPLOSIVOS REFRIGERANTE, FERMENTANTE PLASTICOS, RESINAS, FIBRAS

80,0%

CELULOSA, GOMAS, PAPEL

El amoniaco así producido, NH3, es totalmente comerciable como fertilizante, pero puede ser utilizado como materia prima para producir urea y nitrato de amonio; ambos fertilizantes son muy utilizados en la industria agrícola mundial. Es también importante mencionar que el amoniaco es utilizado para producir derivados, como las aminas primarias (colectores para la flotación de minerales), secundarias y terciarias (extractores solventes para refinar cobre, uranio y otros) y cuaternarias (usadas en la formulación de enjuagues de cabello y emulsificadores catiónicos para el asfalto que pavimenta calles). Tal es la necesidad de urea, que la China e India tiene la mitad de la producción mundial, a pesar de ello se ven obligados a impórtala. Según la Chemical Enginneering/Oct. - 1998, se necesitaran implementar por lo menos unas 45 nuevas plantas con una capacidad de 1.750.000 t/año cada una, para satisfacer la fuerte expansión del mercado de la urea. A nivel mundial la mayoría de los países son importadores, incluidos EEUU, Europa, India, Corea, Filipinas, Taiwán, etc. Los países de la ex URSS, se consideran como los principales exportadores. Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

9

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Figura 3.- Producción Mundial de Fertilizantes

MILLONES DE TON

60,00 50,00 40,00 1979-1981

30,00

1989-1991

20,00

1999-2001

10,00

2002 2001 1999-2001 1989-1991 1979-1981

2002

Af ric a

No As rte ia am er ic Su a da m er ic a

0,00

2001

En cuanto al mercado para fertilizantes en Sudamérica éste esta muy abierto, especialmente en la Comunidad Andina de Naciones (Perú, Ecuador, Colombia y Venezuela) y el Mercosur (Brasil, Argentina, Uruguay, Paraguay y Chile), donde la demanda para la próxima década será de alrededor de 3 millones de TM/año. Esto se debe a que los fertilizantes nitrogenados son muy importantes en la agricultura continental (soya, café, banano, arroz, caña de azúcar, algodón, tabaco y pastos). En Sudamérica y el caribe, los principales productores son Brasil, Venezuela y Argentina, el resto de los países donde se incluyen Brasil y México importan el producto. Tan solo para Brasil, se reporta una demanda insatisfecha de 1.700.000 t/año, para Sudamérica, con una expansión del mercado de fertilizantes del 4% anual habrá una demanda insatisfecha de más de 5.000.000 t/año de urea. Figura 3.- Producción Sudamericana de Fertilizantes

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

10

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

3000

MILES DE TON

2500 2000

1979-1981

1500

1989-1991 1999-2001

1000

2001

500

2002

Ve Br ne az zu i l el Ar Ch a ge i le Co nti n lo Bo m a l iv ia Ecu bia /P ad ar ag or ua y Ur Peru ug ua y

0 2002 2001 1999-2001 1989-1991 1979-1981

En la literatura económica ha emergido un nuevo concepto, BRIC, que denota las economías emergentes de Brasil, Rusia, India y China. De acuerdo a los pronósticos de la industria, el consume de fertilizantes de las economías BRIC van a aumentar en todos los países en los próximos años. Figura 4.- Consumo de Fertilizantes del BRIC

El mercado de fertilizantes en nuestro país está escasamente desarrollado debido a que es muy pequeño el porcentaje de tierras que se mejora con fertilizantes, algo menos del 1% de la superficie total agrícola. Actualmente el sector agrícola peruano tiene una productividad muy baja y en la medida que se modernice aumentará la inversión en la agricultura y la utilización de fertilizantes. Actualmente, Perú no es productor de fertilizantes, por lo que ha de proveerse del exterior. Sus principales proveedores son Rusia y algunos países del Este, Estados Unidos y Canadá. En cuanto a los principales fertilizantes consumidos, es la urea la que tiene la mayor Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

11

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

parte del mercado, seguido del fosfato de amonio y el cloruro de potasio. La oferta de fertilizantes en el Perú está constituida fundamentalmente por productos importados. Como se observa en el figura 5, la producción nacional es insignificante, según datos de 2002, únicamente representa el 2,5% de la oferta total de fertilizantes. Así mismo, desde 1990 esta se ha reducido de una forma significativa. Figura 5.- Oferta Total de Fertilizantes (en Ton)

Según datos del año 2002 del INEI, las exportaciones peruanas (abonos orgánicos) han rondado las 2.422 toneladas, mientras que las importaciones han alcanzado una cifra de 623.122 toneladas, lo que supone que las exportaciones ni tan siquiera representan el 0,5% de las cantidades importaciones. En el mercado de fertilizantes peruano la gama de productos es completamente importada (en 2002 el 97,5% de la oferta total fue importada) como se observa en la figura 6. Figura 6.- Evolución de las importaciones de Fertilizantes (en Ton)

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

12

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Figura 7.- Evolución de las importaciones en Fertilizantes Nitrogenados (en Ton)

De las principales partidas importadas, es la urea el rubro que concentra casi el 60% de la cantidad importada total (ver Figura 8), con 374.820 toneladas importadas en el año 2002. Sin embargo, a lo largo de la última década ha ido disminuyendo de forma paulatina su peso, dejando paso a otros productos como el nitrato de amonio, que si bien tiene un peso relativo sobre el total muy reducido (en el año 2002 era del 5,45%) ha visto incrementar su presencia en el mercado fuertemente. Figura 8.- Participación de los Fertilizantes importados

En el proceso de formación interna de precios de la urea influyen los factores externos (el mercado mundial) como también la estructura de comercialización interna (determinada principalmente por un duopolio importador: Molinos & Cia y Corporación Misti) y por un significativo grueso de distribuidores que responde a su vez a factores de especulación y expectativas de demanda. El mercado de producción y comercialización de úrea a nivel mundial presenta un comportamiento diferenciado en sus tendencias en el corto y el largo plazo. A continuación se presentarán ambos aspectos a fin de dar una Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

13

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

explicación de las tendencias que definen el comportamiento de los precios a ambos niveles. Tendencias en el corto plazo: Es muy importante entender que éstas se forman en función de expectativas con respecto a cosechas y compras a futuro, principalmente aquellas que se vinculan a los países agrarios productores/exportadores de gran escala.

Figura 9.- Evolución semanal promedio de la Cotización de Urea en el Puerto de Yuzhny. Valor FOB (US$ por TM) de Enero del 2004 al 9 de Agosto del 2007

Tendencias en el largo plazo: En el caso de la úrea, no solamente el alza en el precio del gas influirá en que se siga manteniendo su tendencia al alza, sino también el precio del petróleo, este fenómeno continuará hasta el 2010. No hay que olvidar que los precios de estos productos mantienen un comportamiento cíclico que puede eventualmente mostrar alzas y caídas transitorias, pero manteniendo en general la tendencia a seguir creciendo. PROYECTO DE INVERSIÓN PARA LA INDUSTRIALIZACION DEL GAS NATURAL Para tener una idea de lo que significa iniciar un proyecto de inversión en este rubro, plantearemos la posibilidad de construir una planta con capacidad de 1000 TM diarias. Hemos elegido este volumen de producción teniendo en cuenta uno de los productos derivados del amoniaco, de mayor consumo nacional, como es la urea y el nitrato de amonio. La idea es incluso pensar en la exportación del 50% de la producción de la planta. La producción de amoniaco se puede realizar a través de dos procesos: convencional y alternativo. Así, mediante el primero no sólo se obtiene amoniaco sino anhídrido carbónico que puede ser procesado y posteriormente comercializado. Existe una gran demanda de este subproducto en la industria de las gaseosas y aerosoles. Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

14

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Sin embargo, el proceso alternativo —como se verá líneas más adelante— resulta ser la mejor opción para invertir. Y es que además del amoniaco, podemos producir carbón negro, el cual viene siendo utilizado como agente de vulcanización en neumáticos y como pigmento en pinturas y papel prensa. Los precios de venta a nivel internacional son atractivos, según lo usos y aplicaciones. Análisis económico: Si tomamos en cuenta el proceso convencional, se requiere de US$130 millones de inversión para poner en marcha una planta de amoniaco de 360 mil TM anuales. Dinero que puede ser recuperado en sólo tres años con una tasa de rendimiento del 15%. En cuanto a las utilidades, en ese mismo período de tiempo, las utilidades podrían llegar hasta los US$130 millones netos. En cambio, si nos decidimos por el proceso alternativo con una planta de similar producción anual que la anterior, se obtiene como subproducto 40 mil TM/A de carbón negro, producto que para ser aprovechado nos requeriría una inversión de US$.69 millones. Si bien en un primer momento podríamos desistir de esta segunda inversión, para tomar una decisión definitiva hay que considerar los precios de venta del carbón negro. Con precios conservadores se obtienen los resultados económicos del cuadro 2. Cuadro 2.- Precios de Venta del Amoniaco PRECIOS DE VENTA PRODUCTOS INTERNACIONAL (US $ /TM) Carbón negro (carbón black) 700 - 7,000 Amoniaco (NH3) 200 - 240 Fuente: Instituto Peruano de Gas y Medio Ambiente

Conclusión: Del análisis se deduce que la construcción de una planta de amoniaco es un proyecto de inversión factible y atractivo por la existencia de un subproducto, como puede ser el carbón negro cuya comercialización es factible de hacerla a precios atractivos e incrementar las utilidades del inversionista. Así, de acuerdo con el cuadro 3, en el peor de los escenarios se tendría una utilidad neta de US$7.35 millones, con una tasa de rendimiento del 13% y se recuperaría la inversión en cinco años. Mientras que en un escenario conservador, las utilidades llegarían a los US$280.40 millones y se recuperaría la inversión de la planta de carbón en sólo un año. Cuadro 3.- Alternativas de Inversión US $ US $ PRECIOS VENTA 700/TM 1,000/TM Utilidad Neta 7.35 70.38 Tasa de Rendimiento 13 24 Tiempo de Recupero 5 3 Fuente: Instituto Peruano de Gas y Medio Ambiente

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

US $ 2,000/TM 280.48 60 1

15

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Adicionalmente, debemos añadir que este proceso alternativo de producción de amoniaco es ambientalmente más viable que el proceso convencional porque no produce polución, ya que el carbón negro también se procesa para su comercialización.

4.- PROCESO PARA LA OBTENCION DE AMONIACO

4.1.-PROCESO Uno de los métodos mas comerciales para obtener amoniaco es a partir del gas natural, el cual considera seis etapas previas a la etapa de síntesis: 1.

La etapa de desulfurización.

2.

Reformación del gas natural con vapor.

3.

Conversión del CO.

4.

Separación del CO2.

5.

Metanación.

6.

Compresión del gas de síntesis.

7.

Síntesis.

4.1.1.- ETAPA DE DESULFURACION El objetivo de esta etapa es la eliminación de todo tipo de compuestos de azufre que son venenos para los catalizadores de reformación y conversión. El azufre que acompaña al gas natural, normalmente esta como sulfuro de hidrógeno, mercaptanos y azufre orgánico. El proceso se basa en la adsorción química del azufre empleando ZnO, el cual cumple doble función: •

Como catalizador, al descomponer los compuestos de azufre. R-S-S-R + ZnO

•

------> 2 R´H + 2 H2S + ZnO

Como reactante al reaccionar con el H2S que se produce.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

16

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

H2S + ZnO ------> ZnS + H2O El ZnO debe tener una gran área superficial para poder captar todo el H2S que se produce. Su actividad está en función de la temperatura de operación, la cual puede estar entre los 175 o C (hay adsorción de H2S) y 400o C, pero como muchos compuestos de azufre no se adsorben a temperaturas relativamente bajas, se prefiere trabajar a temperaturas cercanas a los 400o C.

Fig.1. Desulfurización del Gas Natural

Para asegurarse que el azufre no estará en la corriente que ingresa al proceso, se emplean dos desulfurizadores que pueden trabajar en serie o en paralelo. (Fig.1 ) Como la temperatura de trabajo es alta la corriente de alimentación a los desulfurizadores se calienta en un horno.

4.1.2- REFORMACIÓN DEL GAS NATURAL

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

17

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

El objetivo de esta etapa es convertir al metano en una mezcla de CO e H2 . El proceso de reformación se basa en la siguiente reacción : CH4 + H2O CO + H2

∆H = + 49.3 kcal/mol

La reformación se realiza en dos etapas, siendo necesario tener un especial cuidado en el tratamiento de las variables del proceso en cada una de ellas, a fin de poder controlar y obtener los resultados que se buscan. (Fig. 2)

Fig. 2 Reformación del Gas Natural 4.1.2.1.- Reformador Primario Se realiza la reformación parcial del metano con vapor de agua. A) Termodinámica del proceso. La reacción principal es endotérmica y reversible, por lo tanto, altas temperaturas favorece la reacción, sin embargo, también se producen reacciones secundarias las cuales influyen en la formación Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

18

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

de coque y que se deposita en el catalizador inhibiendo la reacción. Las reacciones secundarias que se producen son: No a) b) c) d) e) f) g)

Reacción CO + H2O CO2 + H2 CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2 CH4 + CO2 2 CO + 2 H2 CH4 + CO2 CO + H2 + H2O + C 2 CH4 C 2H 4 + 4 H 2 2 CO CO2 + C 2 Cx + H2O CO + H2

∆H ( kcal/mol) – 9.8 + 39.3 – 59.3 + 27.7 + 48.3 + 41.2 + 31.38

B) Catalizador Esta compuesto básicamente por 12% Ni y 86% de Al 2O3, tiene la forma de anillos con una vida promedio de 2 a 3 años y pero el Ni es pirofosfórico, por lo que, se instala en el reactor como NiO y después se reduce a Ni. C) Variables del proceso C.1) Temperatura, Definitivamente una mayor temperatura favorece la reacción desplazando el equilibrio a la derecha y también la velocidad de reacción, como se puede ver en los datos que se presenta a la presión de 30 atm. : Temp.. (oK) 600 800 900 1000 1200 1400

Const. Equilib.(K)

Comp. Equilib. (% Vol.) CH4 H2 CO CO2

5,28 x10–7 3,12 x10–2 1,306 2.65 x10 2,47 x103 26,77 x104

37,1 50,0 1,5 11,3 10,9 69,2 10,2 9,6

Cuanto mayor es la temperatura de reacción menor es la cantidad de CH4 y CO2 residual que habrá en el gas reformado, así como mayor el contenido de CO. También es notorio que la temperatura favorece la reacción del vapor de agua con el carbón que se forma por descomposición térmica del metano o del CO. C.2) Relación Vapor/Metano, Es lógico que debe evitarse las reacciones secundarias (minimizarlas) por lo que un exceso de vapor favorece la reacción g) eliminando al

coque depositado, sin embargo al parecer la reacción que mas incide Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

19

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

para la deposición de coque es la f) que es favorecida por temperaturas bajas y presiones altas. Pero en la reacción a) si la relación H2O/CH4 disminuye entonces el equilibrio se desplaza a la izquierda y se tendrá una mayor concentración de CO y por lo tanto la reacción f) se verá favorecida; esto lleva al uso de exceso de vapor, pero cuidando tener a la salida un contenido de metano que asegure el funcionamiento del segundo reformador (donde combustiona todo el oxígeno que ingresa juntos con el nitrógeno). C.3) Presión. En este caso presiones altas no favorecen la reacción debido al cambio de volumen positivo entre productos y reactantes, es decir que a mayor presión habrá mas metano residual en el equilibrio. 4.1.2.2.- Reformador Secundario En este reactor se termina la reformación del metano, pero con la particularidad que se introduce aire para : 1. 2.

El nitrógeno para la síntesis del amoniaco. La energía necesaria (parte del metano con el oxígeno) para terminar la reformación del metano.

Esta es la etapa clave del proceso para establecer la proporción H 2/N2 que se necesita para la síntesis; siendo muy importante el control de la cantidad de aire que debe suministrarse no solo para alcanzar la relación 3H2/N2 sino también el oxígeno requerido para la combustión de una parte del metano. En la entrada del reactor al ponerse en contacto el aire con la corriente de metano se produce la reacción de combustión, la cual suministra la energía necesaria para la reformación del metano residual con el vapor de agua : CH4 + 2 O2

------>

CO2 + 2 H2O

∆H = – 191,7 kcal/mol

CH4 + 2 CO2

------>

2 CO + 2 H2

∆H = + 59,1 kcal/mol

CH4 + 2 H2O

------>

CO + 3 H2

∆H = + 49,3 kcal/mol

Con esta operación se reduce el contenido de metano en la corriente hasta < 1 %. A) Catalizador, debido a las características de las reacciones que se realizan en el reactor, se emplea dos tipos de catalizadores : •

En el tope del reactor el catalizador está compuesto por 5 % Cr 2O3 y 95 % de Al2O3, en forma de esferas y representa

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

20

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

•

aproximadamente el 20 % del total. En el fondo del reactor el catalizador es 16% Ni y 75% Al 2O3, en forma de anillos.

La composición de las corrientes a la entrada y salida de cada reactor para un caso particular es en promedio el siguiente:

Compues to

CH4 C2 H 6 Otros CO CO2 H2 N2

Reformador Primario (% Vol.) Entrada Salida 98,00 1,00 1,00 — — — —

13,00 — — 9,00 10,50 67,00 —

Reformador Secundario (% Vol.) Entrada Salida 0,60 — — 12,50 7,80 56,00 22,00

4.1.3 .- CONVERSIÓN DE CO El objetivo es separar por métodos químicos todo el CO de la corriente del proceso (en CO 2 e H2) y completar la cantidad de hidrógeno necesario. El proceso se realiza en dos etapas, (Fig. 7.3) en las cuales la reacción principal es CO + H2 O H2 + CO2

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

∆H = – 9,8 kcal/mol

21

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Fig. 3 Conversión del CO A) Termodinámica del proceso La reacción es reversible y exotérmica, por lo tanto la conversión se incrementa en la medida que la temperatura disminuye. Temperatura (oK) 600 700 800 900

Constante de Equilibrio (K) Teórico Experimental 28,10 9,34 4,18 2,28

27,08 9,02 4,04 2,20

B) Variables del proceso B.1) Temperatura, A temperaturas bajas se favorecen el equilibrio de la reacción a la derecha, pero se disminuye su velocidad; éstos efectos opuestos entre temperatura, conversión y velocidad de reacción determinan el rango de temperatura dentro del cual debe Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

22

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

operar cada uno de los reactores a fin de lograr la conversión casi total del CO, sin embargo, otro factor que también debe ser considerado para dicha selección es la vida del catalizador. Así se tiene que en el primer convertidor la temperatura es alta ( > 350o C) con lo cual se gana velocidad en la reacción y en el segundo convertidor la temperatura es baja ( < 250o C) para favorecer la conversión total del CO residual. B.2) Presión, no influye sobre el desplazamiento del equilibrio, en todo caso puede haber una mínima incidencia debido tal vez al comportamiento no ideal de los gases a altas presiones. B.3) Relación Vapor/CO, la relación que se emplea es siempre mayor que la estequiométrica para desplazar el equilibrio a la derecha. El reactante que está en exceso es siempre el mas económico y fácil de manipular en este caso el agua, complementándose al que ya viene de la etapa de reformación. C) Catalizador, aunque muchas sustancias catalizan la conversión del CO, en la práctica se recurre a los óxidos de los metales de Fe, Cr, Mg, Zn, Cu , que son de naturaleza básica. Como se emplean dos reactores, los catalizadores que se utilizan en cada uno de ellos son diferentes : 1)

En el convertidor primario, el catalizador es en forma de tabletas, compuesto por 9% Cr2O3 y 90% de Fe2O3. y es relativamente resistente a los compuestos de azufre.

2) En el convertidor secundario, se emplea un catalizador que tiene 42 % Cu, 47 % ZnO y 10 % Al 2O3 en forma de tabletas. Como éste catalizador es muy sensible al azufre es necesario protegerlo con una guarda de ZnO que se coloca en la parte superior del reactor para que adsorba las trazas de azufre que por alguna razón pasaran. Una composición típica de las corrientes en cada reactor es la siguiente :

Compuest o

H2

Reformador Primario (% Vol.) Entrada Salida 56,00

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

60,00

Reformador Secundario (% Vol.) Entrada Salida 61,00

23

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

N2 CH4 CO CO2

22,00 0,60 12,00 7,00

20,00 0,50 2,50 16,050

20,00 0,55 0.20 18,00

4.1.4.- ABSORCIÓN DE CO2 En esta etapa se elimina el dióxido de carbono que se ha formado en la etapa de reformación y de conversión. La separación se realiza empleando líquidos absorbentes como el agua, soluciones de etanol amina, soluciones alcalinas, etc. En principio al ser el CO2 un gas de naturaleza ácida en medio acuosos, éste se absorbe con relativa facilidad empleando soluciones básicas. Los métodos que pueden utilizarse en este caso son : 1)

La absorción del CO2 con agua requiere de presiones de 20 a 30 atm. y su capacidad absorbente no es muy buena para los fines que se persigue y además se pierde cantidades significativas de hidrógeno.

2)

Empleando soluciones de etanol amina y di etanol amina, la separación se basa en las siguientes reacciones reversibles : CO2 + 2RNH2 + H2O ------>

(RNH3)2 CO3

CO2 + (RNH3)2 CO3 + H2O ------> 2 RNH3HCO3 La temperatura de absorción es entre 40 y 45 o C y la desorción a 120o C. 3)

La separación del CO2 con soluciones básicas de carbonato de potasio, se emplea con frecuencia debido a los altos rendimientos que se obtienen. CO2 + H2O

------> H2 CO3

H2 CO3 + K2CO3

------> 2 KHCO3

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

24

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Fig. 4 Conversión del CO2 Este sistema es acelerado por un catalizador (proceso Catacarb) logrando de esta forma: - La absorción completa del CO2. - Ahorro en el consumo de energía. En el proceso la absorción se realiza empleando el último método a temperaturas cercanas a los 130o C y presiones relativamente altas (30 atm.); la desorción procede en otra unidad pero a la presión de 1 atm. (Fig. 7.4) El gas que sale de esta sección tiene la siguiente composición: Compues Entrad Salida to a H2 61,00 74,00 N2 20,00 24,00 CH4 0,55 0,60 CO 0,20 0,40 CO2 18,00 0,10

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

25

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Uno de los problemas comunes que se tiene en la absorción del CO 2 es la corrosión, por lo que es necesario la adición de inhibidores. 4.1.5

METANACIÓN

Los residuos de CO (ppm) que no ha podido ser eliminados a través de las diferentes etapas constituyen un veneno activo para el catalizador de síntesis, siendo necesario su eliminación total. El proceso de metanación es un método químico más simples y de bajo costo que se conoce para reducir su concentración a menos de 10 ppm. La reacción es inversa a la reformación del metano, proceso que se basa en la siguiente reacción: CO2+ 3 H2 CH4 + H2O ∆H = – 49,3 kcal/mol Sin embargo, a las condiciones de operación el CO 2 también reacciona: CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O ∆H = –39,5 kcal/mol El metano que se forma es un inerte en la síntesis del amoniaco. (Fig. 7.5)

Fig. 5 Metanación A pesar que las cantidades que reaccionan son muy pequeñas, pero debido a que son bastante exotérmicas, en el reactor hay un fuerte incremento de la temperatura. Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

26

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

A) Variables del proceso A.1) Temperatura, la velocidad de la reacción se ve favorecida por altas temperaturas pero el equilibrio se desplazaría a la izquierda, siendo por lo tanto recomendable trabajar a temperaturas bajas de acuerdo al contenido de óxidos de carbono residuales presentes. Se trabaja a temperaturas entre 250 a 400o C.

A.2) Presión, es un hecho que presiones elevadas favorecen el equilibrio hacia la derecha, con los catalizadores mejorados se trabaja a presiones de 20 a 25 atm. A.3) Exceso de vapor de agua, en este caso el exceso de vapor en la corriente de entrada hará que la reacción se desplace a la izquierda, por lo tanto el gas de entrada al metanador debe contener la menor cantidad de vapor posible. B) Catalizador, la composición del catalizador que mas se emplea es de Ni (20%) soportado alúmina (70% Al2O3) promovido con CaO (5%) y tiene la forma esférica. Las composiciones de las corrientes a la entrada y salida del metanador son: Compuesto Entrada H2 74,00 N2 24,00 CH4 0,60 CO 0,40 CO2 0,10

4.1.6

Salida 74,00 24,00 1,10

COMPRESiÓN

El objetivo en esta etapa es elevar la presión de la corriente del gas de 29 atm. a 300 atm. que es necesario en el reactor de síntesis. Convencionalmente los diferentes procesos de síntesis se agrupan en tres categorías con respecto a la presión: a)

Alta presión : 500 a 1000 atm., tienen problemas mecánicos y normalmente no se considera para plantas grandes

b) Mediana presión : 250 a 350 atm., son los mas empleados.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

27

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

c)

Baja presión : 100 a 190 atm., presión son los menos eficientes debido a los grandes volúmenes de reciclo, bajas conversiones y grandes volúmenes de catalizador

Los compresores que se emplean son del tipo reciprocante y se realiza en múltiples etapas con enfriamiento entre cada una de ellas al elevarse la temperatura. Generalmente se emplean tres compresores que trabajan en serie, elevando la presión de 29 a 60 atm. en la primera, de 60 a 140 atm. en la segunda y de 140 a 300 atm. en la tercera. (Fig. 7.6)

Fig. 7.6 Compresión del Gas de Síntesis

4.1.7

SÍNTESIS DEL AMONÍACO

El objetivo es hacer reaccionar el hidrógeno con el nitrógeno para producir amoniaco mediante la reacción: 2 N2 + 3 H2 2 NH3

∆H = –22,08 kcal/mol

y separarlo de los gases que no han reaccionado. (Fig. 7.7)

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

28

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Fig. 7 Síntesis del Amoniaco A) Termodinámica del proceso La reacción es altamente exotérmica y reversible. El calor liberado varía con la temperatura y la presión, adicionalmente debe considerarse el calor de mezcla. El calor de reacción mostrado en la tabla debe corregirse con dos factores: el calor de mezcla y la estequiometría en el equilibrio, puesto que, como la presión de trabajo es elevada el comportamiento de los gases ya no es ideal.

∆H de formación del NH3 (cal/mol) Presión: Temperatura (oC) atm 0 300 500 700 1 100 300 600 1000

-10630

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

-11990 -12430 -13320 -14660 -16440

-12661 -12920 -13450 -14240 -15290

-13040 -13230 -13610 -14190

29

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Al enfriarse la corriente a la salida del reactor, el amoniaco se licua y esta en equilibrio no solo con sus propios vapores sino también, con todos los gases que hay en el sistema y por lo tanto, es necesario determinar las solubilidades de todos los gases que acompañan al amoniaco, debido a que estas solubilidades afectan la composición del gas que se recicla, como se observa en el siguiente cuadro :

Solubilidad del H2 y N2 en NH3 líquido (1 H2 + 3 N2 ), en Nm3 /Tm. NH3 Presión total : 100 atm. Temp. -25 -16 -10 0 22 (°C) Hidrógeno Nitrógeno

3.30 1.35

Temp. ( C)

Presión total : 150 atm. -22 -17 -7 5 13

Hidrógeno Nitrógeno

4.7 1.9

o

3.85 1.63

5.12 2.09

4.43 1.83

6.3 2.58

5.28 2.28

8.22 3.33

7.54 3.21

9.42 3.61

B) Variables del proceso B.1) Influencia de la Temperatura y la presión, el rendimiento del amoniaco está en función de la temperatura y la presión de trabajo:

Contenido de NH3 en el equilibrio (H2/N2 = 3/1) Temp. Presión (atm.) (oC) 1 100 300 500 350 400

0,838 0,405

37,86 25,37

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

61,61 47,18

61,26 30

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

450 500 550

0,214 0,1216 0,0736

16,40 10,50 6,82

35,87 25,80 18,23

48,80 37,36 27,83

B.2) Relación N2 /H2, se ha determinado que la relación estequiométrica 1/3 : N2/H2 es la óptima para la síntesis de amoniaco, aunque durante la operación presenta ligeros cambios.Catalizador, el mas empleado es a base de Fe en forma de trozos irregulares. Es muy sensible a compuestos de azufre, de fósforo, de arsénico, de cloro, aromáticos, acetileno, aceites lubricantes, oxígeno, óxidos de carbono, agua. Una composición típica es :

FeO Fe2O3 Al2O3 K2O Impurezas

31 % 66 % 1,8 % 1,0 % 0,2 %

La constante de velocidad de la reacción varía con la presión.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

31

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

32

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

FIG.8 Esquema de una planta para obtención de Amoniaco a partir del Gas Natural

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

33

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Fig.9 Planta de Amoniaco 112.000 TM/año • Presión: 15psi a 4500 psi • Temperatura: -30 C a 1100 C

5.-VENTAJAS Y DESVENTAJAS •

La fabricación de amoníaco es un proceso muy limpio no existen vertidos líquidos. Es un proceso que consume mucha energía, por lo que, es necesario máxima recuperación y el eficiente empleo del calor liberado

•

La dificultad principal en la obtención del hidrógeno está en la eliminación del monóxido de carbono obtenido como subproducto. Es importante su eliminación ya que los gases que van a reaccionar deben estar lo más puros posible con objeto de no acortar la vida del catalizador. Bosch realizó la eliminación por el llamado método de conversión del gas de agua, que convierte previamente el CO en CO2. Además desarrolló un sistema de lavados con lejías cupríferas que permitían la absorción de estos óxidos del carbono

•

la absorción del co2 con agua requiere de presiones de 20 a 30 atm. Y su capacidad absorbente no es muy buena para los fines que se persigue y además pierde cantidades significativas de hidrogeno. Las principales emisiones de una planta de urea, son los gases de combustión de los reformadores, amoniaco y partículas de

•

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

34

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

• •

•

urea, con efectos en el medio ambiente y la salud local, si no se toman las previsiones de eliminación en fuente, optimización del proceso y control de emisiones. La principal fuente de generación de agua es el condensador de amoniaco, la cual debe ser tratada antes de ser reutilizada o vertida a causes públicos. La fabricación de amoniaco - urea, implica impactos ambientales y riesgos de incendios, explosiones, intoxicaciones, etc., para los cuales se plantean medidas generales de mitigación, adecuación y seguimiento ambiental.

N2 + 3 H2 2 NH3 Esta es una reacción muy lenta y de muy bajo rendimiento, debida a la gran estabilidad del triple enlace que formala molécula de N2. Para acelerar la reacción se requieren temperaturas de 500 ºC y presion de 200 atm, además de hierro como catalizador. Por lo tanto la desventaja de trabajar a bajas temperaturas sería que la reacción ocurriría a muy baja velocidad, ya que el calor actua como catalizador de la reacción entregando energía para llegar al nivel de energía de activación, que es necesario alcanzar para que ocurra la reacción. Entonces con bajas temperaturas la producción de amoniaco industrial seria menor. Fijate en la cantidad de moles totales a la izquierda de la reacción es 4, y a la derecha 2. En los gases, mientras mayor es la cantidad de moles mayor es el volumen. Un aumento en la presión desplaza el equilibrio de la reacción hacia donde menor sea el volumen, en este caso el equilibrio se desplazaría hacia la producción de NH3, que es lo que queremos producir. Por lo tanto en el proceso necesitamos un aumento gradual de presión, SI empezamos con presiones muy altas, entonces se requerirán esfuerzos mayores para aumentar la presión más aún, entonces esa podría ser la desventaja de trabajar con tan altas presiones.

•

N2 + 3 H2 2 NH3 AH = -92 Kjulios Kc= (NH3)^2 / (N2) (H2)^3 =( n NH3)^2 x V^2 /nN2 (nH2)^3 Es un proceso exotérmico y por lo tanto a bajas temperaturas se ve favorecida la síntesis del amoniaco, pero si las temperaturas son demasiado bajas, el proceso se vuelve tan lento que deja ser rentable. Un aumento de presión, supondría una disminución de volumen y por lo tanto una disminución del

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

35

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

numerador y para volver al equilibrio el proceso se desplaza en el sentido de formar amoniaco.

6.- BENEFICIOS

•

•

•

El amoniaco así producido NH3 es totalmente comerciable como fertilizante, pero puede ser utilizado como materia prima para producir urea y nitrato de amonio; ambos fertilizantes son muy utilizados en la industria agrícola mundial Es también importante mencionar que el amoniaco es utilizado para producir derivados, como las aminas primarias (colectores para la flotación de minerales), secundarias y terciarias (extractores solventes para refinar cobre, uranio y otros) y cuaternarias (usadas en la formulación de enjuagues de cabello y emulsificadores catiónicos para el asfalto que pavimenta calles). Quimbol de Cochabamba importa aminas terciarias, las hidrogena y las convierte en cuaternarias para producir cremas de cabello. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como : nitrato amónico: NH 4NO3 , sales amónicas: (NH4)2SO4 , (NH4)3PO4, urea: (NH2)2C=O Otros usos del amoníaco incluyen: • • • • •

•

Fabricación de HNO3. Explosivos y otros usos. Caprolactama, nylon Poliuretanos Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales

Inhibidor de la corrosion, purificación de aguas negras, en limpiadores domesticos, como refrigerante, en la manufactura de acido nitrico HNO3, EN METALURGIA, fabricacion de hule, en fabricacion de alimentos, en fabricacion de bebidas, y en industrias de cuero. El amoníaco es un gas incoloro de olor muy penetrante. Ocurre naturalmente y es también manufacturado. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

36

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos. La mayor parte del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos. También se usa en sales aromáticas.

7.- USOS DEL AMONIACO

La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como: • nitrato amónico: NH4NO3 • sales amónicas: (NH4)2SO4 , (NH4)3PO4 • urea: (NH2)2C=O Otros usos del amoníaco incluyen: • • • • •

Fabricación de HNO3. Explosivos y otros usos. Caprolactama, nylon Poliuretanos Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales.

8.-ASPECTOS AMBIENTALES DE LA PRODUCCIÓN DE AMONIACO

La fabricación de amoníaco es un proceso muy limpio no existen vertidos líquidos. Es un proceso que consume mucha energía, por lo que, es necesario máxima recuperación y el eficiente empleo del calor liberado. • •

El amoníaco se encuentra en el ambiente en el aire, el suelo, el agua, los animales y las plantas. El amoníaco no permanece mucho tiempo en el ambiente. Es incorporado rápidamente por las plantas, las bacterias y los animales.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

37

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil •

El amoníaco no se acumula en la cadena alimentaría, pero sirve como alimento para plantas y bacterias.

El amoniaco es fácilmente biodegradable las plantas lo absorben con gran facilidad eliminándolo del medio, de hecho es un nutriente muy importante para su desarrollo. Aunque concentraciones muy altas en el agua, como todo nutriente, puede causar graves daños en un río o estanque, ya que el amoniaco interfiere en el transporte de oxígeno por la hemoglobina. Es una fuente importante de nitrógeno que necesitan las plantas y los animales. Las bacterias que se encuentran en los intestinos pueden producir amoníaco. 8.1.- Efectos nocivos en el organismo: 8.1.1.- Inhalación • Severas * A concentración sup. A 100 ppm :irritación de garganta • Edema pulmonar • Inflamación pulmonar, daño vías respiratorias, y ojos. • En concentraciones elevadas puede causar la muerte pulmonar 8.1.2.- Contacto con la piel • El amoníaco gaseoso puede producir irritación de la piel, sobre todo si la piel se encuentra húmeda. • Se puede llegar a producir quemaduras y ampollas en la piel al cabo de unos pocos segundos de exposición con concentraciones atmosféricas superiores a 300 ppm. 8.1.3.- Ingestión • Este compuesto es gaseoso en condiciones atmosféricas normales siendo poco probable su ingestión. • A concentraciones elevadas se produce irritación de garganta, a medida que aumenta la concentración puede llegar a producir edema pulmonar, o producir la muerte cuando supera las 5000 ppm. La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. (OSHA, por sus siglas en inglés) ha establecido un límite de 25 partes de amoníaco por millón de partes de aire (25 ppm) en el trabajo durante una jornada de 8 horas diarias y un límite de exposición breve (15 minutos) de 35 ppm. 8.2.- Manejo del producto: • Límite inflamable inferior: 19 % en volumen • Límite inflamable superior: 25% en volumen • Temperatura de autocombustión: 651 °C • Extinción del fuego: riego de agua o niebla de agua, dióxido de carbono, espuma de alcohol, productos químicos secos. Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

38

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil •

Medidas de control: protección respiratoria adecuada como máscaras o equipos de respiración asistida. Procedimientos de trabajo seguro. Fuentes para el lavado de los ojos y duchas de seguridad en el lugar de trabajo.

8.3.- Almacenamiento: El amoníaco se puede almacenar en almacenamientos refrigerados a presión atmosférica y aproximadamente –33ºC con capacidades de 10000 a 30000 tn (hasta 50000). También puede almacenarse en esferas o tanques a presión a temperatura ambiente y su presión de vapor con capacidades de hasta 1700 tn. Por ultimo se utilizan esferas semirefrigeradas a presiones intermedias (4atm) y 0ºC estas esferas también tienen capacidades intermedias entre los almacenamientos a temperatura ambiente y los refrigerados.

9 .- DFINICION DE ALGUNOS EQUIPOS 9.1.-COMPRESORES. El compresor tiene dos funciones en el ciclo de refrigeración por compresión. En primer lugar succiona el vapor refrigerante y reduce la presión en el evaporador a un punto en el que puede ser mantenida la temperatura de evaporación deseada. En segundo lugar, el compresor eleva la presión del vapor refrigerante a un nivel lo suficientemente alto, de modo que la temperatura de saturación sea superior a la del medio de enfriamiento disponible para la condensación del vapor refrigerante. Existen los siguientes tipos de compresores para aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado: • Reciprocantes: tipo abierto, semiherméticos, herméticos • Rotativos. • Centrífugos. COMPRESORES RECIPROCANTES: HERMÉTICOS. Este compresor es apropiado para volúmenes de desplazamiento reducido y eficaz para presiones de condensación elevada y en altas relaciones de compresión.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

39

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Otras ventajas son su adaptabilidad a diferentes refrigerantes, la facilidad con que permite el desplazamiento de líquido a través de tuberías dada la elevada presión creada por el compresor, su durabilidad, la sencillez de su diseño y un costo relativamente bajo. Es un equipo de baja potencia, un motor eléctrico se encuentra montado directamente en el cigüeñal del compresor pero el cuerpo es una carcasa metálica herméticamente sellada con soldadura. Funcionamiento del compresor. Cuando el pistón se mueve hacia abajo en la carrera de succión se reduce la presión en el cilindro. Cuando la presión del cilindro es menor que la de la línea de gas la diferencia de presión abre la válvula de succión para recibir el refrigerante vaporizado a que fluya al interior del cilindro.

Cuando el pistón alcanza el fin de su carrera de succión e inicia la compresión, aumentando la presión y cerrando la válvula de succión. Cuando la presión en el cilindro excede la presión existente en la línea de descarga del compresor, se abre la válvula de descarga y el gas comprimido fluye hacia la tubería de descarga y al condensador.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

40

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

Cuando el pistón inicia su carrera nuevamente de succión, se reduce la presión en el cilindro cerrando las válvulas de descarga, a consecuencia de la presión en el condensador y del tubo de descarga, repitiéndose de esta forma el ciclo. Durante cada revolución del cigüeñal se producen dos tiempos: succión y compresión. Válvulas de succión y descarga. La mayoría de las válvulas del compresor reciprocantes son del tipo de lengüeta y deben asentar adecuadamente para evitar fugas.

La corrosión y en la válvula producen este tipo de fugas.

partículas extrañas

Desplazamiento del compresor. El desplazamiento de un compresor reciprocantes es el volumen desplazado por los pistones.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

41

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

•

•

•

•

•

•

•

10.- CONCLUSIONES El mercado de la urea en Sud América tiene una marcada expansión (mas de 4%), frente al índice de expansión promedio del mercado mundial de 2,5%, para lo cual se tiene que producir amoniaco para la fabricación de esta urea. Para la producción de urea se utiliza preferentemente GN como materia prima (el 80% de la producción de urea mundial utiliza GN) esta tendencia permanecerá por lo menos para los próximos años. En este tipo de industrias la viabilidad económica depende fuertemente del costo de transporte a los centros de consumo y el costo de la materia prima. Antes de los próximos 15 a 20 años, Argentina, Brasil y Chile, habrán agotado sus reservas probadas de GN y para esas fechas demandarán por lo menos 18.7 TCF, (cantidad que no podrá ser cubierta ni con todas las reservas probadas de Bolivia), no es difícil prever una inevitable crisis energética en el cono sur, induciendo un alza en los precios del GN y creando condiciones favorables para la petroquímica en países con abundantes reservas de este hidrocarburo como Perú, Bolivia y Venezuela (la petroquímica del GN cuesta 20 a 30% menos, que a partir de otros hidrocarburos). En base a la demanda de urea-amoniaco proyectada para los países de Sud América y los costos de transporte del producto se ha identificado los siguientes centros de consumo potenciales: mercado interno, Norte Argentino, Paraguay, Sur de Brasil, Sur de Perú y Norte de Chile. Al margen de las utilidades para los inversionistas, los impuestos y los efectos en la agricultura, se prevén otros beneficios importantes, con el proyecto propuesto, como ser: o a. Creación de mas de 2.500 empleos directos. o b. Mejoramiento sustancial de la infraestructura vial. o c. Implementación se servicios auxiliares de usos múltiples: planta eléctrica. o d. Incremento de las actividades de transporte al interior y exterior del País. o e. Creación de empresas secundarias, para preparación, envasado, distribución y venta de otros fertilizantes. Según Inchauste-2004, los expertos del Shell estiman que un dólar invertido en la industrialización del gas tiene un efecto

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

42

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

•

•

• •

•

•

•

•

multiplicador de 8 veces en la economía del país donde se la realiza. Por razones de tamaño del mercado insatisfecho existente en Sud América, disponibilidad de información técnica y aspectos de orden técnico como económicos (escala mínima aconsejable); se establece que el tamaño de planta a implementar tendrá una capacidad de producción de 1.750 toneladas de urea por día, la mayoría de las plantas modernas nivel mundial tienen capacidades de producción entre 1.500 a 2.000 t/d. La amplia y abierta oferta internacional de tecnología, construcción y provisión de equipos para la producción de amoniaco - urea, es el principal factor que explica la amplia gama de costos implementación de una planta de amoniaco urea Mediante diferentes opciones se han estimado costos de producción, de: 55,55; 40,55 y 32,86 $US/t de urea. . La viabilidad económica del proyecto es inversamente proporcional a los costos de implementación (que depende de las diversas opciones tecnológicas ofertadas a nivel internacional), costo de transporte hacia los mercados potenciales y costos de materia prima. La viabilidad económica es directamente proporcional al grado de optimización, simplificaciones y mejoras tecnológicas de la producción de amoniaco -urea. La planta de amoniaco - urea, puede establecer importantes sinergias, con otras unidades industriales, como ser generación de energía eléctrica, derivados de amoniaco, derivados de úrea, etc. Las principales emisiones de una planta de amoniaco-urea, son los gases de combustión de los reformadores, amoniaco y partículas de urea, con efectos en el medio ambiente y la salud local, si no se toman las previsiones de eliminación en fuente, optimización del proceso y control de emisiones. La fabricación de amoniaco - urea, implica impactos ambientales y riesgos de incendios, explosiones, intoxicaciones, etc., para los cuales se plantean medidas generales de mitigación, adecuación y seguimiento ambiental.

11.- ANEXO

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

43

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

En la Gráfica 1, se muestra un proceso de fabricación de amoniaco convencional con flujo de masa de los compuestos de entrada y salida. En la Gráfica 2, se presenta el flujo de masa de entrada y salida de la planta de urea.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

44

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil

El análisis de las Gráficas 1 y 2 y otras estimaciones de requerimiento de energía e insumos brindan los siguientes datos importantes: •

Para satisfacer los requerimientos de amoniaco de la planta de urea, se estima una producción de 1000 t NH3/d.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

45

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Química y Textil •

•

•

Se estima un consumo de GN, entre 692,738 a 722,738 t GN/t NH3 y un consumo de total de 1000 t/d de GN, para la planta de amoniaco - urea de 1750 t/d de urea, si no se utiliza otro combustible. Se calcula también un consumo de 2080 t/d de agua de proceso, 227500 t/d de agua de enfriamiento y unas 2818 t/d de agua como vapor. Con un consumo total de 232398 t/d, esta cantidad se puede minimizar por recirculación y rehusó. Se utilizará 925750 MJ/d de corriente eléctrica, que deberá ser generada por servicios auxiliares.

12.-BIBLIOGRAFIA: • • • • • • • • •

• • • • •

http://www.itc.edu.co/carreras_itc/mantenimiento/aire/compres ores.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Amon%C3%ADaco http://www.atsdr.cdc.gov/es/toxfaqs/es_tfacts126.html http://amoniaco.idoneos.com/ http://www.textoscientificos.com/quimica/amoniaco http://www.textoscientificos.com/quimica/amoniaco/produccion http://plantasquimicas.iespana.es/Inorganicos/pi53. http://www.congreso.gob.pe/congresista/2001/earanda/docume ntos/Presentacion_PQ_Congreso_JQuipusco.pdf Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades. (ATSDR). 2004. Reseña Toxicológica del Amoníaco (en inglés). Atlanta, GA: Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU., Servicio de Salud Pública. Abastecimiento de los Productos Petroquímicos. Estructura y demanda - Caso PROFERTIL 3ras Jornadas de Actualización Petroquímica (www.agrosito.com) -2004. Anuario APLA-Asociación Petroquímica y Química Latinoamericana-(www.apla.com.ar) -2003-2004. Baca Urbina Gabriel. Evaluación de Proyectos. Análisis y Administración del Riesgo. 2da Edición. McGraw - Hill México 1990. CEPAL. Estudio Preliminar del Transporte de los Productos de Comercio Exterior de los Países sin Litoral de Sudamérica. Asunción, Paraguay, 12 y 13 de marzo de 2003. Chemical Enginneering/Oct. - 1998.

Procesos de Refinación de Petróleo y Gas

46