Obtención de Metanol

March 24, 2018 | Author: Richard Alejandro Moreira Albis | Category: Catalysis, Carbon Dioxide, Distillation, Methanol, Gasoline


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OBTENCIÓN DE METANOLOriginariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de madera. Esta materia prima condujo a su nombre de alcohol de madera. Este proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire a unos 400 °C formándose gases combustibles (CO, C2H4, H2), empleados en el calentamiento de las retortas; un destilado acuoso que se conoce como ácido piroleñoso y que contiene un 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol y un 0.5% de acetona; un alquitrán de madera, base para la preparación de antisépticos y desinfectantes; y carbón vegetal que queda como residuo en las retortas. Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados. CO + CO2 + H2 CH3OH La reacción se produce a una temperatura de 300-400 °C y a una presión de 200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr2O3. El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho. Actualmente el proceso más ampliamente usado para la obtención del gas de síntesis es a partir de la combustión parcial del gas natural en presencia de vapor de agua. Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2 Sin embargo el gas de síntesis también se puede obtener a partir de la combustión parcial de mezclas de hidrocarburos líquidos o carbón, en presencia de agua. Mezcla de Hidrocarburos Líquidos + Agua Carbón + Agua CO + CO2 + H2 CO + CO2 + H2 En el caso de que la materia prima sea el carbón, el gas de síntesis se puede obtener directamente bajo tierra. Se fracturan los pozos de carbón mediante explosivos, se encienden y se fuerzan aire comprimido y agua. El carbón encendido genera calor y el carbono necesarios, y se produce gas de síntesis. Este proceso se conoce como proceso in situ. Este método no tiene una aplicación industrial difundida. Los procesos industriales más ampliamente usados, usando cualquiera de las tres alimentaciones (gas natural, mezcla de hidrocarburos líquidos o carbón) son los desarrollados por las firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI). el cual está alimentado con vapor de agua a media presión. Dentro del reactor se produce la oxidación parcial del gas natural. CO2 y un 20% de CH4 residual. . Reforming Es en esta etapa donde se produce la diferencia en el proceso en función del tipo de alimentación.Proceso Lurgi Se denomina proceso de baja presión para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos. Aproximadamente la mitad de la alimentación entra al primer reactor. De esta manera se obtiene H2. CO. En el caso de que la alimentación sea de gas natural. El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas. líquidos o carbón. Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2 Esta reacción se produce a 780 °C y a 40 atm. este se desulfuriza antes de alimentar el reactor. cuyos tubos están llenos de catalizador y enfriados exteriormente por agua en ebullición. Este se proviene de una planta de obtención de oxígeno a partir de aire. Para ello primeramente pasa por un intercambiador de calor que reduce su temperatura. De la torre de destilación sale el metanol en condiciones normalizadas. El reactor Lurgi es un reactor tubular. del cual salen gases que se condicionan (temperatura y presión adecuadas) y se recirculan. de metanol. El metanol en estado líquido que sale del separador alimenta una columna de destilación alimentada con vapor de agua a baja presión.El gas de síntesis más el metano residual que sale del primer reactor se mezcla con la otra mitad de la alimentación (previamente desulfurizada). CO + H2 CH3OH ΔH < 0 CO2 + H2 CH3OH ΔH < 0 Una buena cantidad de calor de reacción se transmite al agua en ebullición obteniéndose de 1 a 1. Síntesis El gas de síntesis se comprime a 70-100 atm. de vapor por Kg. Esta mezcla pasa luego a otro reactor donde se acondiciona el gas de síntesis eliminándose el carbón libre. Destilación El metanol en estado gaseoso que abandona el reactor debe ser purificado. el cual está alimentado por O2. Luego alimenta al reactor de síntesis de metanol junto con el gas de recirculación. condensándose el metanol. CO con algunas impurezas formadas por pequeñas cantidades de CO2. H2S y carbón libre. y se precalienta. En la página siguiente se puede observar el flow-sheet del proceso Lurgi de baja presión para obtener metanol líquido a partir de gas natural. La temperatura de reacción se mantiene así entre 240-270 °C. CH4 + CO + CO2 + O2 CO + CO2 + H2 Esta reacción se produce a 950 °C.4 Kg. CH4. Además se protege a los catalizadores. Mientras que en la página siguiente se podrá observar el mismo proceso pero en caso de usar alimentación líquida o carbón. quedando el gas listo para alimentar el reactor de metanol. . Esta mezcla de gases entra en el segundo reactor. El gas así formado consiste en H 2. En caso de que la alimentación sea líquida o carbón. el H 2S y parte del CO2. Este se separa luego por medio de separador. ésta es parcialmente oxidada por O 2 y vapor de agua a 1400-1500 °C y 55-60 atm. Todas las demás características son similares al proceso Lurgi antes descrito. El metanol se utiliza en la manufactura del formaldehído. Estos . La producción en este tipo de reactores puede llegar a 5. Topsoe Se caracteriza por desarrollar un flujo radial a través de tres catalizadores de lecho fluidizado en distintos compartimentos. ya que los procesos de obtención de gas de síntesis y purificación de metanol son similares para todos los procesos. obteniéndose vapor que se utiliza en otros sectores del proceso. El intercambio de calor es externo USOS DEL METANOL A. flujos axiales y radiales y bajas caídas de presión.QUÍMICO INTERMEDIO Las aplicaciones primarias del metanol son la producción de productos químicos y de aquellos que se utilizan como combustible. El catalizador se mantiene así fluidizado dentro del reactor. en el cual al gas de síntesis ingresa por la base y el metanol sale por el tope. En la actualidad se está utilizando cada vez más en el tratamiento de aguas residuales y en la producción de biodiesel. La destilación se realiza en dos etapas en lugar de realzarse en una sola. del ácido acético y de una variedad de químicos intermedios que forman la base de una gran cantidad de derivados secundarios. con gas refrigerante.000 t/día. En este caso la síntesis catalítica se produce en un reactor de lecho fluidizado. Ammonia-Casale El reactor posee múltiples catalizadores de lecho fluidizado.Proceso ICI La diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol. el cual es enfriado por agua en estado de ebullición.. Entre los más conocidos se encuentran el M-85. resinas y plásticos. Igualmente el poder calorífico de la nafta es el aproximadamente el doble del poder calorífico del metanol..APLICACIONES EN CELDAS DE COMBUSTIBLE El metanol está considerado ampliamente como uno de los combustibles más prometedores para aplicaciones de celdas de combustible que están siendo desarrolladas hoy en día para teléfonos celulares. Ventajas Algunas ventajas del metanol como combustibles para auto son: .últimos se utilizan en la fabricación de una amplia gama de productos incluyendo enchapados. C. El metanol también se está utilizando en menor escala como combustible y es combustible para las celdas de combustible. espumas. computadoras portátiles y medios de transporte de menor escala como los scooters. Varias de sus cualidades distintivas lo convierten en el portador ideal de hidrógeno para vehículos a celdas de combustible del futuro y posiblemente sea capaz de proveer una fuente de energía alternativa para el hogar. B. principalmente en la producción de MTBE (aditivo para mejorar la combustión de combustibles sin plomo). La empresa Methanex ( Mexico ) está considerando la producción de gasoilmetanol para disminuir las emisiones de partículas. que se mezcla con gasolina para reducir la cantidad de emisiones nocivas de los vehículos de combustión. haciéndolo así mas rentable. La tecnología de gasoilmetanol trabaja en motores existentes y sin ninguna modificación de consideración.. que producen smog y son el origen de problemas respiratorios. El resto de la demanda del metanol está en el sector del combustible. con 85% de metanol y 15% de nafta y el M-100 (100% metanol). Esta mezcla reduce en un 50% la emisión de partículas.METANOL COMO COMBUSTIBLE En principio cabe destacar que el metanol surge como combustible alternativo ante la toxicidad de las emisiones de las naftas y la destrucción de la capa de ozono. tableros aglomerados. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Las aguas residuales que se juntan en las plantas de tratamiento contienen. los autos eliminarían casi por completo las emisiones de partículas en suspensión y compuestos tóxicos tales como: óxido de nitrógeno (NO). En un proceso subsecuente llamado desnitrificación.  La emisión de agentes contaminantes de automóviles que funcionen con metanol contendía 20 por ciento de dióxido de carbono y 10 por ciento de los diferentes hidrocarburos que actualmente emiten los vehículos que utilizan gasolina. caña de azúcar. por lo general. y los vehículos motorizados son los principales causantes de esta contaminación.  Su impacto en el ambiente De acuerdo con la Agencia de Protección de Estados Unidos (USEPA por sus siglas en inglés). la contaminación atmosférica ha alcanzado límites peligrosos para la salud humana y el ambiente. etc. como en las que se emplean grandes porcentajes de metanol. hidrocarburos no quemados. que calienta la atmósfera. altos niveles de amoníaco. Por su parte. dióxido de carbono (CO2) y dióxido de azufre (SO2) entre otros. Mediante un proceso de degradación de bacterias.  Para que el parque vehicular utilice este combustible sólo es necesario cambiar las partes plásticas del circuito de combustible. ozono (O3). El metanol es una molécula . asimismo habría una reducción en la formación de ozono. y menor cantidad de sulfatos.  Genera menor contaminación ambiental que los combustibles fósiles. D. por lo que contribuirían en mayor medida a provocar el “efecto invernadero". que la enfrían. la Asociación de Recursos Renovables de Canadá señala que agregar un 10 por ciento de etanol al combustible reduciría hasta en un 30 por ciento las emisiones de monóxido de carbono (CO) y entre 6 y 10 por ciento las de dióxido de carbono (CO2). la generación de ozono es mucho menor. Empleando metanol. Una desventaja de estos alcoholes es la mayor producción de vapor de agua. este amoníaco es convertido en nitrato. se remueve el nitrato mediante una combinación de tratamientos químicos y degradación de bacterias.  Tanto en las mezclas con etanol. monóxido de carbono (CO).. Se pueden producir a partir de fuentes y residuos renovables tales como pasto. sebo y aceite de pescado.simple que sirve como fuente ideal de carbón para las bacterias usadas en la desnitrificación... precipitación y limpieza de sales halide alcalinas metálicas • Precipitación de resinas de poliestireno y chloropreno. Aceleradas por la adición del metanol.APLICACIONES VARIADAS DEL METANOL El metanol se utiliza en las siguientes aplicaciones: • Cristalización. mostaza. para producir éster o biodiésel. Por cada diez volúmenes de biodiésel que se produce. E. • Grasas animales: despojos de aves. normalmente metanol. • Aceites de cocina usados y grasas residuales de restaurantes. el metanol es el preferido ya que es menos costoso que otros y permite un proceso de mejor reacción.PRODUCCIÓN DEL BIODIÉSEL El biodiésel es un combustible alternativo de combustión limpia elaborado a partir de elementos naturales y biodegradables como por ejemplo: • Aceites vegetales de soja. Se hacen reaccionar químicamente estas grasas y aceites con un alcohol. semilla de canola o rapeseed. 11 F. Se puede utilizar cualquier tipo de alcohol. el cual es liberado en la atmósfera. las bacterias anaerobias convertirán rápidamente el nitrato (NO3) en un inofensivo gas de nitrógeno (N2). y aceite de palma. un volumen de metanol es utilizado en el proceso. • Limpieza y secado de fracciones de carbón en polvo • Disolventes de pintura • Limpieza de superficies metálicas . química y alimenticia • Combustible para cocinas de camping y soldadores • Líquido anticongelante y limpia parabrisas para automóviles • Anticongelante para deshidratación de oleoductos Metanol A GASOLINA . en 1979. Mobil sintetiza un nuevo catalizador de zeolita.• Limpieza de resinas de intercambio iónico • Extracción de humedad y resinas de maderas • Agente extractor en la industria petrolera. La gasolina que sale de la planta puede ser enviado a la refinería de Marsden Point para mezclar en el estanque de gasolina de Nueva Zelanda. . con un octanaje calificación de 92 a 94. con marco tridimensional compuesta de tetraedros de SiO4 y AlO4. Catalizador En la década de 1970. que se convirtió en un elemento clave en la Proceso de MTG. La planta de MTG fue la primera planta de gasolina sintética comercial utilizando las nuevas tecnologías desarrollado desde la Segunda Guerra Mundial. conocido como ZSM-5 (Figura L3) puede convertir metanol para productos de hidrocarburos que son similares a la fracción de gasolina de petróleo convencional.200 toneladas (libre de agua) por plantas de metanol días. Una planta fue construida en Motunui con una producción de unos 14 000 barriles por día de gasolina sin plomo. Este catalizador. Las zeolitas son materiales cristalinos porosos. El VII-Energía-D-metanol-13 requisito metanol para este proceso proviene de los dos 2.EL PROCESO DE MOBIL El metanol al proceso de gasolina (MTG) fue desarrollado por Mobil en la década de 1970. el gobierno de Nueva Zelanda decidió emplear el proceso Mobil MTG como un alternativa para reducir la dependencia del crudo importado. En otras palabras. El vapor se envía entonces a la dimelhy l éter (DME) reactor que contiene un catalizador de deshidratación (alúmina). El gas de síntesis que sale del reformador comprimido se enfría recalentados luego se envían al convertidor de metanol. monóxido de carbono (y dióxido de carbono). Estas selectividades también dan ZSM-5 una reputación de alta resistencia a la desactivación. donde aproximadamente el 75% de la metanol es parcialmente deshidratado a una mezcla en equilibrio de DME. H2S se elimina por gránulos contenidos en una ZnO vasija del reactor Hay tres etapas que intervienen en el proceso de MTG • Síntesis de Gasolina • Destilación • Pesado Gasolina tratar La regeneración del catalizador es también una parte esencial del proceso de MTG Síntesis de Gasolina El metanol crudo se precalienta inicialmente. canales anillo l0-membcred elípticas presentes y cerca de los canales circulares (sinusoidales). Hay dos conjuntos de canales de intersección presente:. Las instalaciones de desulfuración de gas de alimentación se incluyen para proteger el reformador y el catalizador de metanol a partir de envenenamiento por azufre. Es esta combinación única de las formas de canal y tamaños que hacen ZSM-5. una nueva ruta a la gasolina de cualquiera de carbón o gas natural se puede lograr.ZSM-5 tiene un diámetro de poro intermedio sobre 6a y una estructura de canal único. de manera eficiente y especial en la conversión de MTG.C10) prácticamente sin hidrocarburos anteriores CL0. vaporizado y luego a entre 300 y sobrecalentado 3200C en una serie de intercambiadores de calor. agua y metanol. ZSM-5 catalizador produce el tipo correcto de la forma y tamaño de selectividad propiedades adecuadas para la gasolina síntesis. El gas natural es primero desulfurado y se saturó antes de entrar en el horno reformador donde reacciona con vapor de agua para producir gas de síntesis de hidrógeno. El metanol crudo producido contiene alrededor 20% de agua. 2CH3OH reacccion CH3OCH3 + H2O . Por lo tanto. produciendo intervalo de la gasolina moléculas (C4 . El problema principal en el diseño del reactor es por lo tanto la eliminación de calor. CO2 y H2 sirven para absorber el calor de reacción. La concentración de dureno es reducida en la sección de tratamiento de la gasolina pesada. la pesada fracción se envía a la instalación de tratamiento. que es importante. por el aire y el agua. También recupera un componente de mezcla de gasolina de alta presión de vapor. La mezcla (a una temperatura entre 400-420 C) luego se mezcla de gas de reciclo y WITL pasa a los reactores de conversión el gas reciclado Los compuestos principalmente de hidrocarburos ligeros. la relación estequiométrica esperado. El gas de reciclo a continuación.3.4.740 kJ / kg de metanol consumido.La reacción es rápida. Alrededor del 20% del calor total producido es liberado en este paso. que se enfrían para formar GLP. Contiene aproximadamente) 94 peso por ciento (w / w%) de hidrocarburos y 56 w / w% de agua. La gasolina luz se almacena. Tratamiento Gasolina pesada Gasolina pesada producida en el proceso MTG contiene un componente conocido como dureno (1. mediante la generación de vapor de presión media precalentando el alimentación de metanol y gas de reciclo. mediante la conversión a bajo punto de fusión gasolina componentes.tetrametilbenceno) que tiene un alto punto de fusión (79 ° C). Una porción de la más ligera y hidrocarburos más volátiles gases disueltos y algo de agua se elimina por la primera columna.7 ° C de fusión.2.5-tetrametilbenceno) con el punto de -23.2. La gasolina es entonces dividido en fracción ligera y pesada en una columna empalmador. Acerca de 85-90% de los productos de hidrocarburos THC puede ser utilizado como la gasolina la remanente es gas combustible. la producción de calor a 1.5. de luz. reversible y exotérmica. La segunda columna elimina los hidrocarburos ligeros restantes. proporciona un buen absorbente para el calor de reacción . sometidos a crecimiento de la cadena por la unión de dos o más moléculas de alqueno juntos) y ciclar a dar los productos finales con la liberación del resto del calor.  El proceso MTG es altamente exotérmica. La efluente mixto se enfría. por ejemplo isodureno (1. En el reactor de conversión que contiene Catalizador ZSM-5 DME es más deshidratado para dar alquenos que oligomerize (es decir. Destilación El hidrocarburo MTG se refina en tres columnas de destilación. La conversión es esencialmente 100%. con uno de someterse a fuera de línea regeneración en un momento dado. esencialmente completa conversión de metanol es altamente preferido. Hay dos tipos. Este fenómeno se conoce como envejecimiento banda. El primero es envejecimiento reversible causada por la coquización. alcanos de cadena larga que el catalizador ZSM-5 no produce. causada por vapor (un producto de reacción). El coque se quema con una mezcla de aire-nitrógeno calentado.%) que normalmente está presente en gasolina convencional (aproximadamente 0. Uno de los productos indeseables en el proceso MTG es dureno. el restante 5% es liberador como calor de reacción.  El segundo tipo es irreversible. Sin embargo. Ventajas del Proceso  La gasolina sintética está libre de azufre y nitrógeno.  La eficiencia energética global del proceso MTG incluida la energía de procesamiento es alta. por ejemplo. La planta Motunui usa cinco reactores de swing. Por lo tanto. si se incluye la eficiencia térmica para el proceso de síntesis de metanol a partir de gas natural . que conduce a desaluminación y la pérdida de cristalinidad. 95% de la térmica energía de la alimentación de metanol se conserva en el producto de hidrocarburos. Diesel se compone principalmente de C10 Alcanos C16 con la máxima alrededor de C14.  La principal desventaja del proceso de Mobil es su incapacidad para producir directamente diesel y combustible para aviones. Operación del proceso MTG se mantiene continua mediante el uso de reactores multliple . Por lo tanto. La gasolina sintética contiene mayor concentración de dureno (alrededor de 3-6 en peso.3 en peso. especialmente con catalizador fresco. Se puede beminimised operando a baja temperaturas y presiones. lo que provoca carburador "guinda" debido a su alto punto de fusión. El combustible de avión. se compone de principalmente alcanos C9-C14 con máximo en alrededor de C11. alrededor de 92-93%. mientras que los otros cuatro se ejecutan en paralelo para MTG. cualquier metanol no convertido se disolverá en el agua y se perderá menos una etapa de destilación es añadido al proceso para recuperar el metanol. Tanto el diesel y combustible para aviones están compuestos de lineal. requiere la regeneración cada tres o cuatro semanas.  Los productos principales del proceso MTG son hidrocarburos y agua.2-0. la zona de reacción activa mover hacia abajo la cama a lo largo del flujo de la reactivos. por lo tanto. la reacción sólo se produce a través de una banda relativamente estrecha del lecho de catalizador.%). El catalizador de coque.  De envejecimiento del catalizador es un problema inevitable en la catálisis. que finalmente permite que el reactivo para romper a través de la cama te inconversos. Como los depósitos de coque primero desactivar el frente parte de la cama.  En los reactores de lecho fijo. El balance de energía es extremadamente favorable.  La conversión de metanol es prácticamente completa.  El producto cumple o supera las especificaciones de gasolina existentes. . Alto rendimiento de la gasolina. entonces la energía global eficiencia (gas natural a la gasolina) es de aproximadamente 50-60%.(~ 60%).
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