Gas de Sintesis Diapositiva

8/4/2019 Gas de Sintesis Diapositiva

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Procesos Petroquímicos

Universidad Nacional Experimental

“Rafael María Baralt” GAS DE SINTESIS




Gas de Síntesis

Br. Arias. Maria

Br. Arias. Maria A

Br. Farìa Gustavo

Br. Molina José

Br. Peña José

Br. Tremont Maria

Br. Urdaneta Wilmary









*Mezcla hidrogeno y monóxido de carbono

Acido acético y Aldehídos.

Hidrogeno, amoniaco, metanol.Gas de SíntesisH2 + CO

Mª de los Angeles Arias









Metano – Vapor

Combustión Parcial de metano.

Combustión

CH4+2 O2 CO2 + H2O ReacciónCH4 + H2O CO + 3 H2










Obtención del

Gas de sintesis

Combustión parcial en presencia de vapor de agua.Gas Natural+ Vapor de agua CO + CO2 + H2

Combustión parcial en presencia de hidrocarburos

líquidos o carbón en presencia de agua.

Mezcla de hidrocarburos líquidos + Agua CO + CO2 + H2

Carbón + Agua CO + CO2 + H2Mª de los Angeles Arias


















Producción de

gas de síntesis.

En Venezuela se emplea el

proceso de reformaciòn al

vapor.










La aplicación mas importante del gas de síntesis es lapreparación de Amoniaco (NH3) mediante el proceso deHaber:

El amoniaco y sus sales inorgánicas son los

fertilizantes nitrogenados de mayor importancia.

A partir del amoniaco se obtiene la urea y la melanina.

Aplicaciones:










Después de la producción de amoniaco, la segunda aplicaciónen importancia del gas de síntesis es la obtención de metanol, la

cual se realiza en dos pasos:










El metanol se usa fundamentalmente para la

obtención de formaldehído:










Obtención por reformaciòn del metano con

vapor y gasificación por oxidación

COCO

H2CO

CO

H2H2 H2

H2

CO

CO

COH2

H2

H2

O

C

CO CO COH2

H2

H2

O

CO

CH H H H H H

Pt

COCO

H2CO

H2

H2

H2

H2

CO COH2 H2

CO

H2

CO

H2

H2

H2

CO

H2

COCO

CO

CO

H2









Gas Natural

Proceso de reformacionEtapa 1 Etapa 2

H2, CO y CO2

Conversión del CH4 en: A partir de CO producción de:

H2 y CO2

H2

OBTENEMOS:









El proceso de reformacion con vapor se lleva acabo mediante la siguiente

reacción:

CH4 + H2O => CO + 3H2 (Water Gas Shift )

Temp: 800 – 900 °C

Presión: 25 bars

CnH2n+2 + nH2O === nCO + (2n+1)H2

En caso de ser cualquier hidrocarburo

En caso de ser Metano

Catalizador: Níquel (Ni)









Diagrama de bloques

Desulfuración

1) Cat: Co-Mo/Al203

2) ZnO

T: 350o – 380oC

Reformación

Cat: Ni/Alúmina

T: 850 o – 940 oC

Gas

Natural

(CH4)

Vaporde agua

H2

H2S

Gas de

Síntesis:

CO + H2









Alimentación con Metano CH4

Níquel soportado en AluminaAlimentación con Nafta

Níquel soportado en silicoaluminato

Sensibles a: Contaminantes tales como:Halógenos, azufres y metales pesados Reversibles

Propiedades tales como:Actividad, selectividad, velocidad de

reoxidación baja, resistencia mecánica y

alta resistencia a los venenos o

contaminantes que arrastra la

alimentación









El gas de síntesis producido podrá servir de base a muchos productos, en este

punto consideremos solo tres opciones:

Síntesis de Amoníaco: En esta oportunidad, el proceso requiere que la corriente

de gas de síntesis que sale del Reformador sea enviada a un segundo Reformador,

llamado precisamente por esta ubicación: Reformador secundario, cuya función será la decompletar la transformación del metano y la de introducir la alimentación de “Nitrógeno”

que se requerirá mas adelante para la producción del amoníaco fertilizante. Posterior a

este reformador secundario viene toda una serie de reactores, separadores, purificadores y

compresión que culminará con la síntesis y producción de Amoníaco anhídro y de CO2

como subproducto principal. Ambos compuestos serán utilizados luego para la

manufactura de Urea, el fertilizante nitrogenado más importante.

Síntesis de metanol: En este caso, el gas de síntesis que sale del Reformador se enviará

directamente al reactor destinado para la síntesis de metanol,

Producción de hidrógeno: Para esto el gas de síntesis pasará a un equipo llamado Convertidor de CO

donde se transformará el CO en H2 seguido luego de otras unidades cuyo objetivo principal será la separación y

purificación del Hidrógeno producido.

















Gas natural Oxidación parcial

Consumo de energía 1,0 1,3

Coste de inversión 1,0 1,4

Coste de producción 1,0 1,2

ECONOMIA QUE RESALTA

















Diagrama de proceso de gasificación por oxidación parcial









Diagramas de obtención de hidrógeno por oxidación parcial de residuosorgánicos, basados en dos métodos distintos de enfriamiento y limpieza

del gas de síntesis









QUIMICA DEL PROCESO

Termodinámica/ cinética

Reacción de Combustión: puesto que ocurre a elevadastemperaturas, en las que el monóxido de carbono es uno

de los principales productos formados, es conveniente para

cálculos termodinámicos asumir la siguiente

representación general.

CH4 + 3/2 O CO + 2 H2O (8 en la tabla )









Por monóxido de carbono, la siguiente reacción de

equilibrio debe ser completada

CO + H2O

CO2 + H2 (2 en la tabla )

Una reacción de descomposición de hidrocarburo.

CH4 C(g) + 2 H2 (4 en la tabla )









Variación de la entalpía y de la entropía en las

reacciones asociadas con la oxidación parcial del metano.









La tercera conversión, la descomposición de metano a sus

elementos, favorecida por la alta temperatura, es la reacción lateral

principal (fig 1.3). A cierto grado, la presencia de CO2 y agua ayuda a

compensar esos efectos dañinos, debido a la formación de carbón

polvoriento, por medio de los siguientes equilibrios.

CO2 + C 2 CO (Equilibrio de Boudouard, 5 en la tabla)

C + H2O CO H2 (6 en la tabla)









El resultado de un análisis termodinámico, el cual toma en cuenta estas tres

reacciones, puede ser transpuesto, para un sistema operando

adiabáticamente, a un gráfico donde lo siguiente es dibujado en función

del cociente de la cantidad de oxígeno y de metano que se empleó.

La zona de producción del negro de carbón.

Curvas dando el contenido de CO, CH4 y H2O; y el cociente H2/CO.

La temperatura final de operación.

La escala superior del eje x proporciona el contenido de CO y H2 delefluente gaseoso en % de volumen.









Estas curvas muestran que evitando le producción de negro de carbón puede

rendir un bajo contenido de metano en el gas final, lo cual puede ser adaptado ajustando el

cociente inicial O2/CH4.

















Producción de Metanol

Mediante:

Proceso Lurgi Síntesis Fischer-Tropsch









Obtención de Metanol Proceso Lurgi









TENDENCIAS SOBRE LA CONVERSIÓN DE GAS DESÍNTESIS A METANOL

Los procesos comerciales de producción de metanol emplean catalizadoresheterogéneos, los cuales operan a temperaturas altas (> 150 ºC) y presentanun límite termodinámico máximo de conversión de gas de síntesis a metanoldel 30 %. Este límite exige reciclar la materia prima para aumentar elrendimiento del proceso.

Aunque por vía de catálisis homogénea no se han encontrado un sistemaque ofrezca grandes ventajas sobre los procesos comerciales, losresultados de la literatura obtenida hasta el presente muestran que esta rutacomo de gran potencial para mejorar la tecnología de producción demetanol. En resumen, la transformación de gas de síntesis en metanol por

vía homogénea es una alternativa que pudiera tener gran impacto comercial.De igual manera la conversión directa de metano a metanol, aunque es unobjetivo difícil y ambicioso es otra opción por considerar.









Producción de AMONÍACO









Proceso Haber-Bosch. Síntesis de amoníaco.Catalizadores utilizados: Se han probadomás de 20.000 catalizadores para esteproceso

Obtención de amoniaco por oxidaciónparcial con oxígenoObtención de amoniaco por reformación convapor de hidrocarburos.









Obtención de amoniaco a partir dehidrocarburos de bajo peso molecular.

Obtención de amoniaco a partir de aceites

residuales de elevado peso molecular.

Obtención de amoniaco a partir decombustibles sólidos.

Obtención de amoniaco por electrólisishídrica y fraccionamiento del aire.









Producción de amoníaco a partir del gasnatural.

La producción industrial de amoníaco a partir del gasnatural es un proceso de unas serie de etapas,

siendo la reacción global la siguiente:

3 CH4 + 2N2 + 3O2 4 NH3 + 3 CO2









El aire esta compuesto pornitrógeno (78%) y oxígeno

(21%). El 1% restante loforman el argón (0,9%), el

dióxido de carbono (0,03%),distintas proporciones devapor de agua, y trazas dehidrógeno, ozono, metano,

monóxido de carbono, helio,neón, kriptón y xenón.

SECCIÓN DEl REFORMADOR

PRIMARIO trabaja con unapresión a la entrada en elrango de 25-38 bares ydespués mezclada con vapor yprecalentada a 450-550ºC, paraluego ser inyectada en el topede los tubos de catalizador.

El aire escomprimido a la

presiónrequerida y

precalentado a

cerca de400-550ºC

REFORMADOR SECUNDARIO.Su fusión es mezclar el aire

con el gas que proviene de lasección reformador primario.

La temperatura de entrada

al reactor HTS (reactor dedesplazamiento a altatemperatura) es de

350-370ºC máx, el cual esseguido por un reactor LTS(reactor de desplazamientoa baja temperatura), con su

apropiado enfriamientoentre ellos.

Después de dejar elreactor LTS el gas

entra en la sección deremoción de CO2,este

gas deja el absorbedorde CO2 con uncontenido de CO2

cercano a los 200-500ppm

Después es precalentado a 280ºC ypasado por el reactor demetanación este gas es

posteriormente comprimido en doso tres etapas para dar cerca de un

15 a un 16% de amoníaco.









NH3 Punto de fusión es -77,7 °C Punto de ebullición -33,35 °C

Densidad relativa de 0,68 Peso molecular: 17

A.- Estado natural. El amoniaco se halla en el aire enpequeñísimas cantidades y en la descomposición de lassustancias orgánicas nitrogenadas

B.- Propiedades Físicas. Es un gas de olor picante,

incoloro, de olor característico muy soluble en agua.









C.- Propiedades Químicas. En amoniaco disuelto en aguafunciona como una base algo energética debido a la formaciónde hidróxido amónico (NH4·OH). Reacciona con los alógenosespecialmente con el Cloro. El NH3 no es combustible en elaire, pero puede arder en atmósfera de O. El NH3 es venenoso.

D.- Usos. El amoníaco es un refrigerante importante y se usamucho en la industria química, especialmente en la fabricaciónde fertilizantes, ácido nítrico y explosivos.









¿En la Universidad donde podemos

encontrar Amoniaco NH3?









ORINA.

Líquido excretado por los riñones a través de las víasurinarias, con el cual se eliminan sustanciasinnecesarias para el organismo. El aspecto, por lonormal transparente, puede variar por la presencia defosfatos o sales del ácido úrico y del ácido oxálico; o

bien por la presencia de pus y bacterias.









Ácido úrico, compuesto nitrogenado, blanco, inoloro e insípido, de

fórmula C3H4N4O3, que se forma en el cuerpo como resultado

del metabolismo de las proteínas Al calentarse forma urea,amoníaco y dióxido de carbono

C3H4N4O3 NH3 + CO2+ CO(NH3)2









El hidrógeno (H2)Sus aplicaciones tradicionales

Maria Arias









Aplicaciones Convencionales del Hidrógeno

Síntesis de amoníaco

Refinerías

Industria alimenticia

Obtención de peróxido de hidrógeno

Industrias: farmacéutica

de la química fina electrónica

El hidrógeno (H2). Sus aplicaciones tradicionales

Maria Arias









Producción Mundial de Hidrógeno

El 95% de la producción de H2 es “cautiva”, es decir,consumida en el mismo sitio de su producción.

Distribución por Fuente de

Energía Primaria

4%

48%

30%

18%Electrólisis

Gas Natural

Petróleo

Carbón

Maria Arias









72%

9% 8% 3% 8% Química y Petroquímica

Electrónica

Metalúrgica

Aeroespacial

Otras

Consumo de HidrógenoDistribución según el tipo de aplicaciónEl hidrógeno (H2). Sus aplicaciones tradicionales

Maria Arias









Distribución del consumo de hidrógenosegún la región

América del Norte 79%Europa 14%Asia 7%

Consumo total: 45 millones tH2/año

LatinoaméricaOriente medio

Grandes potencialidadespara producir H2

hidroelectricidad yrefinerías

Maria Arias









Síntesis de hidrogeno

El 95% del hidrogeno que se produce se hace a partir decombustibles fósiles.

La producción de hidrogeno ha sido guiada por la industriade los fertilizantes.

Haber y Bosch fueron los primeros en desarrollar procesosde H2 a principios del siglo xx

Maria Arias









Producción de hidrogeno

Convertidor de CO - 2 lechos

Gas convertido

Gas procedente

del reformador

TCLecho catalítico

CuO /ZnO200 - 250 °C

TC

Agua

Refrigeranteintermedio

Lecho catalítico

Fe / Cr300-450 °C

Conversión de Monóxido o

Reversión del agua (reacción de Shift)

Maria Arias









Ejemplo de absorción química y condiciones de operación

Gas purificado

30°C

4.106 Pa abs.

C o l u m n a d e a b s o r c i ó n

C o l u m n a d e r e g e n e r a c i ó n d e

s o l v e n t e p o r D e s p o j a m i e n t o

120°C0,2.106

Pa abs.

Solvente para

purificación

Agua dereposición

Gases ácidos

Gas proveniente delos convertidores deCO

Remoción de CO 2

Maria Arias









Método empleado para eliminar contaminantes como CO y CO2 de la

corriente de hidrógeno. Se emplea un reactor de lecho fijo provisto de un

catalizador a base de níquel soportado sobre alúmina dopado con óxido

de cromo.

Las reacciones se pueden resumir como:

CO + 3H 2 CH 4 + H 2O + calor

CO2 + 4H 2 CH 4 +2H 2O + calor

La temperatura de entrada es del orden de 300 °C y la exotermicidad de

la reacción es del orden de 70 - 80°C/ mol de CO. La concentración de

óxidos de carbono a la salida es de 20 -50 ppm.

Definición

Metanación

Maria Arias









Purificador de

laAlimentación Horno

ReformadorVapor de

agua

Alimentación

200 psig

Vapor

Agua

Combustible

Convertidores300-900 °F

HTS

ALTA

LTS

BAJA

700-750 °F

Enfriador

CO2

5 psig

Absorbedor de

CO2

Desorbedor de

CO2

110 °F

Amina

Sln Amina

+ CO2

Amina

CO2

110 °F

Gas Dulce

Metanador500 °F

Separador

100 °F

H2

H2O

Maria Arias









DiseñoTipos de Hornos, Propiedades, Consideraciones de operación y

control para la obtención de Gas de Síntesis

El Horno de reformaciòn es una

caja rectangular que consta de

tubos colocados verticalmente

dentro de la cámara. Estos

tubos se encuentran rellenos

con el catalizador.

Br. Maria Tremont









Tipos de hornos reformadores

Quemadores de piso (up-fired)

Hornos verticales o sobre

fuego donde los quemadores

se encuentran en el piso

Quemadores de techo (down-fired) combustión de líquidos

Hornos verticales o fuego

bajo estos utilizan los

quemadores en el techo.

uemadores de ared

Hornos con celdas dobles

con calentamiento a los

lados

Horno tipo terraza, quemadores

Hornos con paredes tipo

terrazas con quemadores

en cada una de ellas.

Br. Maria Tremont

Diseño









Propiedades

Quemadores de techo (down-fired) combustión de líquidos

uemadores de ared

Los hornos rectangulares son los predominantes los

cuales son estos dos tipos:

Necesitan gran espacio Se utiliza para bajas relaciones de

capacidad/ calor de trabajo.

Los gases fluentes salen por el tope

Construcción bastante simple

Usado para grandes calores y

capacidades.

Su tamaño es pequeño.

Br. Maria Tremont

Diseño









Especificaciones

Generalmente los tubos tienen un diámetro de 6``

La transferencia de calor es efectuada a una

temperatura del metal de 860-950ºC.

La temperatura del proceso varia desde 500ºC a la

entrada hasta 800ºC en el fondo del Horno.

Con una presión de 43 bar.º

Br. Maria Tremont

Diseño









Quemadores

La elección del combustible a utilizar determina el

diseño de los quemadores. Dependerá de la tecnología

disponible y el diseño del fabricante.

El tamaño de la llama y su envoltorio se define sobre

una base juicio y la experiencia.

Para evitar problemas se debe escoger quemadores

comprobados.El tamaño de la boquilla de los quemadores debe ser el

apropiado

Br. Maria Tremont

Diseño









El calor recuperado se utiliza para:

• Precalentar la corriente de alimentación.

• Precalentar la corriente de aire que alimenta al reformador

secundario.

• La regeneración de vapor.

Br. Maria Tremont

DiseñoSistema de recuperación de calor









La transferencia de calor es de aproximadamente 40.000-

50.000 BTU/h*pie3 y 1000ºC.

Se requiere un material especial a fin de mantener altas

temperaturas y presiones, además de ser resistente a la

corrosión.

Tubos

Br. Maria Tremont

Diseño









Debe ser monitoreado a lo largo de la porción detubo dentro y fuera del reformador hasta el cabezal.

Este depende de la completaciòn y efectividad de la

reacción.

El monitoreo es esencial para el mantenimiento de

las temperaturas de piel de los tubos.

Br. Maria Tremont

DiseñoPerfil de Temperatura.

http://www.impac.com.br/Pictures/TM939.jpg









Consideraciones

Es requerido el cuidado en el mantenimiento de los parámetros de operación de manera

uniforme.

Control de Emisiones de calor uniformes desde los quemadores.

El flujo de operación y el calentamiento también son parámetros que se deben manteneruniformes.

Se deben utilizar pirometros ópticos para la medición de la temperatura de piel de los

tubos.

Temperaturas uniformes deben ser alcanzadas en el horno y en los tubos

La presión de operación debe ser controlada.

Fallas en los tubos de catalizador, desempeño de los quemadores, envenenamiento del

catalizador, relaciones de los gases , carga y descarga de catalizador, paradas de plantas

frecuentes.

Br. Maria Tremont

Diseño









Sistema de controlDiseño

Es de vital importancia

el control de los sistemas de

alimentación y combustible.

La alimentación debe ser la

correcta asimismo asegurarse

de que el combustible sea

quemado completamente en elmomento con la cantidad

requerida de aire

Br. Maria Tremont

http://www.cnea.gov.ar/xxi/reactores/S_s_Foto23.jpg









Modelos de reformador primario

Terraza Quemadores en el techo

Vapor de proceso

Hidrógeno

Gas natural

Emisiones gaseosas

Combustible líquido o gaseoso

Gas de purga

Agua de proceso

Hornos de Reformacióntipo Terraza

Hidrodesulfurización

Unidades de recuperación de calor

Vapor de alta presiónsobrecalentado

Gas reformado (Gas desíntesis)(a Compresión)

Condensados

Diagrama de flujo







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