INDUSTRIA DEL AMONIACO

UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO DE ANTUNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE INGENIERA INDUSTRIAS ALIMENTARIAS Escuela Profesional: Ingeniería Industrial. Curso: Química Industrial Inorgánica Tema: Industria del Amoniaco Docente: Ramírez Guzmán Miguel Integrantes: Romero Flores María Esther Tarazona Arévalo Rosselly Año: 2014 HUARAZ- ANCASH  INDICE Introducción …………………………………………………………pag.1 Objetivos ……………………………………………………………….pag.2 Marco teórico. El Amoniaco……………………………………...........pag.3 Propiedades Físico químicas y termodinámicas del amoniaco; Seguridad en el manejo del producto; Efectos nocivos en el organismo…………………………………………………….….pag.4 Condiciones óptimas para la obtención del amoniaco.. pag.6 INDUSTRIA DEL AMONIACO EN EL MUNDO……………pag.7 SINTESIS INDUSTRIAL…………………….pag.10 PROCESO PRODUCTIVO………………………pag.12 PRODUCCION DE AMONIACO POR BIOTECNOLOGIA…pag.18 ASPECTOS AMBIENTALES………………pag.19 ESTRATEGIAS PARA PROMOVER LA MINIMIZACION EN ORIGEN DEL IMPACTO AMBIENTAL………….Pag.21 Conclusiones ……………………………………………………..pag.22 Recomendaciones……………………………………………..pag.23 Bibliografía………………………………………………………..pag.24 INTRODUCCION El amoniaco es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmula NH3. Naturalmente se encuentra en estado gaseoso, no presenta colorantes es de olor muy fuerte y fatigoso, es uno de los compuestos que ayudan tanto a que la naturaleza como la industria y la población cumplan con su función. El nombre de amoníaco deriva del nombre dado a una divinidad egipcia: Amón. Los egipcios preparaban un compuesto, cloruro amónico, a partir de la orina de los animales en un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevó a Europa mantuvo ese nombre en recuerdo de la sal de Amón. Hay dos maneras de producirlas, una por descomposición de la materia y también por procesamientos industriales. El amoníaco puede ser producido naturalmente en el suelo por bacterias por las mismas plantas y animales en estado de descomposición y también puede producirse por desechos de animales. .La mayor parte del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. Cuando el amoniaco es producido o elaborado a nivel industrial todo va a depender de la planta donde va hacer elaborado, el proceso más usado es el Haber- Bosch. tiene su riesgo, el manipular y tratar este compuesto, si este se encuentra en concentraciones muy altas en el agua, como todo nutriente, puede causar graves daños en un río estanque, ya que el amoniaco interfiere en el transporte de oxígeno por la hemoglobina , edema pulmonar , inflamación pulmonar , daño vías respiratorias, y ojos entre otros.   OBJETIVOS El objetivo primordial de este trabajo es explicar de forma general el proceso productivo que tienen las industrias para la obtención del amoniaco. Mostrar características y efecto que tiene este compuesto químico Dar a conocer los usos y aplicaciones que tiene esta sustancia química; a favor y en contra de las personas MARCO TEÓRICO El AMONIACO El amoniaco es un gas incoloro; de olor irritante o picante compuesto de hidrógeno y nitrógeno, de formula NH3, muy soluble en agua. Es un producto básico en la industria química. Disuelto en agua, el amoníaco se convierte en hidróxido de amonio (NH4OH), demarcado carácter básico y similar en su comportamiento químico a los hidróxidos de los metales alcalinos. Se encuentra en el ambiente en el aire, el suelo y el agua, y en plantas y en animales, incluso seres humanos. La exposición a nivele saltos de amoníaco puede producir irritación y quemaduras serias en la piel y en la boca, la garganta, los pulmones y los ojos. La exposición a niveles muy altos puede producir la muerte. El amoniaco se ha encontrado en por lo menos 137 de las 1,647 sitios de la Lista de Prioridades Nacionales identificadas por la Agenda de Protección del Medio Ambiente de EE.UU (EPA, por sus siglas en inglés).Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida 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 (más del 80%) del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como ello. 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.   ESTRUCTURA QUIMICA. Nombre IUPAC: Azano Otros nombres: Nitruro de Hidrógeno Nitruro de Tri-hidrógeno Espíritus de Hartshorn Nitro-Sil Vaporole Gas de amonio AM-FOL Corna'e Sierbo PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS Y TERMODINÁMICAS DEL AMONÍACO: Temperatura de solidificación –77,7ºC. Temperatura normal de ebullición –33,4ºC. Calor latente de vaporización a 0ºC 302 Kcal/Kg. Presión de vapor a 0ºC 4,1 atm. Temperatura crítica 132,4ºC. Presión crítica 113atm. Densidad del gas (0ºC y 1atm.) 0,7714 g/l. ΔHº GAS -45.9 KJ/mol. ΔHº LIQ -40.2 KJ/mol. Sº GAS, 1 BAR 192.77 J/mol.K. SEGURIDAD EN EL MANEJO DEL PRODUCTO: Extinción del fuego: riego de agua o niebla de agua, dióxido de carbono, espuma de alcohol, productos químicos secos. Límite inflamable inferior: 19 % en volumen. Límite inflamable superior: 25% en volumen. Temperatura de auto combustión: 651 °C. Medidas de control: Utilizar una 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. EFECTOS NOCIVOS EN EL ORGANISMO: Inhalación: A 100 ppm irritación de garganta. Edema pulmonar. Inflamación pulmonar, daños vías respiratorias, ojos. En concentraciones elevadas puede causar la muerte pulmonar. 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. Ingestión: Este compuesto es gaseoso en condiciones atmosféricas normales siendo poco probable su ingestión. A concentraciones elevadas se produce irritación de garganta,amedida que aumenta la concentración puede llegar a producir edema pulmonar, o producir la muerte cuando supera los 5000 ppm. El amoniaco, es uno de los productos intermedios más importantes de la industria química. La mayor parte del amoniaco (80%) se destina a la fabricación de fertilizantes, como: Nitrato amónico: NH4NO3 Sales amónicas: (NH4)2SO4, (NH4)3PO4 Urea: (NH2)2C=O Otros usos del amoníaco incluyen: Fabricación de HNO3. Explosivos. Caprolactama, nylon. Poliuretanos. Gas criogénico por su elevado poder de vaporización. Productos de limpieza domésticos tales como limpiacristales. Por lo tanto su costo energético influye de manera importante en los otros sectores de la industria química. CONDICIONES ÓPTIMAS PARA LA OBTENCIÓN DEL AMONIACO: Aplicando las reglas del equilibrio termodinámico, la formación del amoniaco se ve favorecido por las siguientes condiciones: Altas presiones: Dada la naturaleza de la reacción, las altas presiones desplazan el equilibrio hacia la formación dela amoniaco. En la actualidad se trabajan a presiones entre 15 y 25 MPa abs para alimentaciones muy puras, incluso algunos procesos trabajan a presiones menores de 5 MPa abs. Sin embargo, ocasiona el uso de mucho más catalizador y más cantidad de gas recirculado no convertido. Bajas temperaturas: Por ser una reacción exotérmica la constante de equilibrio disminuye si la temperatura aumenta, por lo que se obtendría un mayor rendimiento de amoniaco si la reacción se llevase a acabo a la menor temperatura posible. Además sería ideal realizarla a bajas temperaturas ya que el punto de ebullición del amoniaco esta alrededor de los -33.5 º C y por consiguiente a medida que se forma se condensaría rápidamente y se eliminaría cómodamente del sistema; el hidrogeno y el nitrógeno seguirán siendo gases a esa temperatura. Entonces la reacción se desplazaría de izquierda a derecha. Sin embrago, el nitrógeno es una molécula muy estable y no muy reactiva, por lo tanto para acelerar la reacción se utiliza un catalizador ( Fe, Mo y Al2O3, así como una temperatura elevada (450-500ºC). Actualmente, en torno a un 80 % del amoníaco que se produce en todo el mundo se utiliza como fuente de nitrógeno para fabricar fertilizantes, mientras que el 20 % restante se emplea en distintas aplicaciones industriales, como la producción de plásticos, fibras, explosivos, hidracina, aminas, amidas, nitrilos y otros compuestos orgánicos de nitrógeno que sirven de productos intermedios en la fabricación de tintes y productos farmacéuticos. Entre los productos inorgánicos que se fabrican a partir del amoníaco destacan el ácido nítrico, la urea y el cianuro de sodio. El amoníaco también se utiliza en medidas de protección para el medio ambiente, por ejemplo, para eliminar los NOx de los gases de combustión. El amoníaco líquido es un disolvente destacado y también se utiliza como refrigerante. INDUSTRIA DEL AMONIACO EN EL MUNDO En 2003, la capacidad mundial de producción de amoníaco alcanzó los 109 millones de toneladas. La mayor parte de esta capacidad se encontraba en las regiones que se enumeran a continuación: Asia (46 % de la capacidad mundial) Europa del Este y Asia central (14 %) América del Norte (11 %) Europa occidental (9 %), en comparación con el 13 % que se registró en 1988 Oriente Próximo (7 %) América Latina (6 %) Europa central (4 %) África (1 %) Oceanía (1 %) En 1974, en los países en vías de desarrollo se concentraba un 27 % de la capacidad mundial de producción de amoníaco. En 1998, este porcentaje había aumentado hasta un 51 %. En estos países, el amoníaco se utiliza para producir urea para el cultivo de arroz. Una planta moderna de producción de amoníaco suele contar con una capacidad de entre 1000 y 2000 t/d, mientras que las plantas más nuevas pueden alcanzar hasta 2200 t/d. En la Unión Europea, el sector del amoníaco produce aproximadamente 11 millones de toneladas de amoníaco al año (2001) en unas 50 plantas. Con el aumento del precio de las materias primas y la dura competencia del mercado, muchos productores han optado por renovar o modernizar sus instalaciones, más antiguas y menos eficientes, para que continúen siendo competitivas. En la mayoría de proyectos de renovación realizados, se aumentó ligeramente la capacidad de producción, puesto que parte de la maquinaria original estaba sobredimensionada y sólo fue necesario eliminar obstáculos específicos que no acarreaban un gasto excesivo. Dado que las posibilidades de mercado para una empresa no aumentan de 1000 a 1500 t/d sino que mejoran paulatinamente, este incremento moderado de la capacidad comporta un menor riesgo y resulta más económico que construir una planta nueva. Instalaciones de producción de amoniaco en la Unión Europea: Síntesis Industrial El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos. 3H2 (g) + N2 (g) 2NH3 (g) + Calor Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoníaco. 25 ºC K = 6,8x 105 atm. 450 ºC K = 7,8x10-2 atm. Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reacción muy lenta, puesto que tiene una elevada energía de activación, consecuencia de la estabilidad del N2. La solución de Haber al problema fue utilizar un catalizador y aumentar la presión, ya que esto favorece la formación del producto. Convertir el método de Haber en un proceso de fabricación fue trabajo realizado por Carl Bosh. Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante de la velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinación a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. Se producen una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3 El catalizador funciona adsorbiendo las moléculas de N2 en la superficie del catalizador debilitando el enlace interatómico N-N; de esta forma se origina N atómico el cual reacciona con átomos de hidrogeno que provienen de la disociación de H2 que también tiene lugar en la superficie metálica. Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco. Fuentes del Gas de Síntesis: El 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de reformado con vapor. PROCESO PRODUCTIVO Actualmente la obtención del gas de síntesis se puede hacer a partir de cualquier materia prima que contenga carbono: hulla, coque, lignitos de cualquier riqueza, naftas, fuel-oil, fracciones pesadas del petróleo, gas natural, etc. La selección de la materia prima dependerá en cada caso de la economía, disponibilidad y situación geográfica de la planta. Hay esencialmente dos procedimientos para la obtención del gas de síntesis: Reformado por vapor, siendo la materia prima utilizada gas natural, naftas ligeras o pesadas, que contengan hasta 1.000 p.p.m. de azufre. Oxidación parcial, tratamiento más enérgico que el anterior. Se puede emplear como materia prima fracciones pesadas del petróleo o carbón. Es necesaria una planta de fraccionamiento de aire. Existen también otros procedimientos menos empleados por ser solamente rentables en ciertos casos aislados, como son la obtención del hidrógeno por electrólisis y el aprovechamiento del gas de coquería. Método de Reformado con vapor Este método es el más usado para la producción de amoniaco. Se parte del gas natural formado por una mezcla de hidrocarburos donde el 90% es metano (CH4) para obtener el H2 necesario para la síntesis de NH3. A continuación presentamos un diagrama que representa este proceso, posteriormente explicaremos lo que sucede en cada unidad de proceso. Diagrama de bloques-Producción del amoniaco a partir del Gas de Síntesis. A continuación exponemos los procesos previos a la síntesis de amoniaco, estos son la producción de un gas de síntesis adecuado. Obtención del gas de síntesis: Desulfuración: Antes del reformado tenemos que eliminar el S que contiene el gas natural, dado que la empresa distribuidora le añade compuestos orgánicos de S para olorizarlo. R-SH + H2 RH + H2S hidrogenación H2S + ZnO  H2O + ZnS adsorción Reformado: Una vez adecuado el gas natural se le somete a un reformado catalítico con vapor de agua (craqueo- rupturas de las moléculas de CH4). El gas natural se mezcla con vapor en la proporción (1 : 3,3)-(gas : vapor) y se conduce al proceso de reformado, el cual se lleva a cabo en dos etapas. Reformador primario: Tanto el gas como el vapor se pasan por el interior de los tubos del equipo donde tiene lugar las reacciones siguientes: Estas reacciones son endotérmicas. Y se llevan a cabo a 800ºC, están catalizadas por óxido de niquel (NiO), así se favorece la formación de H2 Reformador secundario: El gas que sale del reformador primario se mezcla con una corriente de aire en este 2º equipo, así se aporta el N2 necesario para el gas de síntesis estequiométrico N2 + 3H2. Además, tiene lugar la combustión del metano alcanzándose temperaturas superiores a 1000ºC. En resumen, después de estas etapas la composición del gas resultante es aproximadamente: N2(12,7%), H2(31,5%), CO (6,5%), CO2(8,5%), CH4 (0,2%), H2O (40,5%). Purificación: El proceso de obtención de NH3 requiere un gas de síntesis de gran pureza, por ello se debe eliminar los gases CO y CO2. Etapa de conversión: Después de enfriar la mezcla se traslada a un convertidor donde el CO se transforma en CO2 por reacción con vapor de agua. Esta reacción requiere de un catalizador que no se desactive con el CO. La reacción se lleva a cabo en dos pasos: a) A aprox. 400ºC con Fe3O4.Cr2O3 como catalizador → 75% de la conversión. b) A aprox. 225ºC con un catalizador más activo y más resistente al envenenamiento: Cu-ZnO → prácticamente la conversión completa Etapa de eliminación del CO2: Seguidamente el CO2 se elimina en una torre con varios lechos mediante absorción con K2CO3 a contracorriente, formándose KHCO3 según K2CO3 + CO2 + H2O  2KHCO3 Este se hace pasar por dos torres a baja presión para desorber el CO2, el bicarbonato pasa a carbón liberando CO2. (Subproducto- para fabricación de bebidas refrescantes). Etapa de metanización: Las trazas de CO (0,2%) y CO2 (0,09%), que son peligrosas para el catalizador del reactor de síntesis, se convierten en CH4: CO + 3H2 CH4 + H2O CO2 + H2 CH4 + 2H2O Proceso sobre lecho catalítico de Ni (300ºC). Síntesis de amoníaco: Una vez que se obtiene el gas de síntesis necesario como materia prima, se procede a la producción de amoniaco propiamente dicha. Sin embargo, hemos de tener en cuenta que, con el proceso anterior, se obtiene un gas de síntesis con restos de CH4 sin reaccionar que actúa como inerte. Por lo que es necesario recuperar este reactivo. A continuación el gas se comprime a la presión de 200 atm, y se lleva al reactor donde tiene lugar la producción del amoníaco, sobre un lecho catalítico de Fe. La reacción no es completa en un solo paso por el reactor (tiene rendimiento del 14-15%). Por tanto, el gas de síntesis que no ha reaccionado se recircula al reactor pasando antes por dos operaciones: Extracción del amoníaco mediante una condensación. Eliminación de inertes mediante una purga, la acumulación de inertes es mala para el proceso. El gas de purga se conduce a la unidad de recuperación de donde se obtienen nuevamente N2 y H2 que se introducen de nuevo en el bucle de síntesis. A continuación se presenta un diagrama general de la producción del amoniaco, donde queda reflejado el bucle de síntesis y los ciclos de compresión de productos. Una vez obtenido, el amoníaco se almacena en un tanque criogénico a -33ºC, el amoníaco que se evapora (necesario para mantener la temperatura) se vuelve a introducir en el tanque. PRODUCCION DE AMONIACO POR BIOTECNOLOGIA El amoníaco, es la materia prima para la fabricación de muchos productos químicos, y es en sí mismo un producto final altamente demandado. El químico alemán Fritz Haber ideó un proceso mediante el cual se hace reaccionar nitrógeno con hidrógeno en fase gaseosa, en presencia de catalizadores, a elevadas presiones y temperaturas (y por tanto, gran consumo de energía), que revolucionó en su día la industria química. Existen unas bacterias, las bacterias fijadoras de nitrógeno, que resuelven este mismo problema a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente: las bacterias contienen enzimas, que son catalizadores extraordinariamente eficientes. Si se consiguiera utilizar estas enzimas de la fijación de nitrógeno en un sentido biotecnológico, podríamos tener un considerable ahorro energético. Esta tecnología está aún en fase de desarrollo, por lo que aún no es de directa aplicación a las industrias del sector, pero el potencial de ahorro energético rondaría las 31.000 tep (toneladas equivalentes de petróleo). En este ahorro se tiene en cuenta la energía que no habría que consumir para la activación de los reactivos, más el gas natural que dejaría de consumirse en la elaboración del amoníaco, por ser el propio gas natural un reactivo en su fabricación. Es por este motivo que el potencial de ahorro es tan elevado. Si únicamente se contabilizara el ahorro debido a un menor consumo energético, y no al ahorro por menor consumo de gas natural, entonces el ahorro potencial disminuiría hasta las 1.400 tep. El ahorro de energía eléctrica es pequeño en comparación con el ahorro en combustibles.. ASPECTO AMBIENTAL La mejor vía para la reducción de las emisiones, vertidos y residuos en general en la industria es su prevención en origen. La aplicación de técnicas de prevención de la contaminación mejora la eficiencia de los procesos e incrementa los beneficios a la vez que minimiza el impacto ambiental de la actividad. La minimización en origen puede hacerse de varias formas, ya sea reduciendo las entradas de materias primas y auxiliares, rediseñando el proceso, reutilizando productos secundarios, mejorando la gestión, reutilizando recursos como el agua, incrementando la eficiencia energética, substituyendo productos tóxicos y peligrosos por otros más benignos, etc. El uso de técnicas de prevención de la contaminación tiene muchas ventajas respecto a las soluciones a final de línea, es decir, la aplicación de las tecnologías de tratamiento final. En la siguiente lista se enumeran una serie de beneficios, directos e indirectos, de la prevención. Beneficios directos: Reducción de los costos de tratamiento interno y de gestión externa de Corrientes residuales Reducción de los costos de producción debido a la mejora en el rendimiento y eficiencia del proceso. Ahorro debido a la reutilización de productos y recursos Reducción de los costos derivados del incumplimiento de límites legales de emisión. Reducción de emisiones secundarias, por ejemplo en las instalaciones de tratamiento. Penetrar en mercados exigentes en producción ambientalmente limpia, vetados hasta el momento. Minimización del impacto ambiental. Aportación de un componente pedagógico importante que ejerce un efecto substancial en la concienciación de los trabajadores. Aumento de la seguridad en la planta en relación con la protección medioambiental. Beneficios indirectos. Reparación Responsabilidades legales. Cumplimiento de regulaciones futuras Mejorar la relación y la imagen respecto a la comunidad (vecinos, etc.). Mejora del ambiente laboral al existir una mayor comunicación interna y Formación ambiental. Reducir costos sociales. Mejora de la salud pública. ESTRATEGIAS PARA PROMOVER LA MINIMIZACIÓN EN ORIGEN DEL IMPACTO AMBIENTAL La prevención de la contaminación puede llevarse a cabo en cualquier fase del desarrollo de un proceso. En general, los cambios que se realicen en la fase de investigación y desarrollo tendrán un impacto mayor. Sin embargo, los cambios en las fases de diseño del proceso y en las prácticas de operación también pueden dar resultados significativos. Debido a la importante inversión en tecnología y a la larga vida útil de los equipos de una planta química, la prevención de la contaminación no es de fácil aplicación en las primeras etapas de un proceso, a no ser que se trate del diseño de un proceso nuevo. Además, los productores de determinadas especialidades químicas están sujetos a las especificaciones de los clientes o de organismos reguladores, lo que limita la flexibilidad en cambios. A pesar de estas limitaciones existen numerosas oportunidades de prevención de la contaminación que pueden llevarse a cabo mediante modificaciones en los procesos e instalaciones existentes. Para desarrollar las oportunidades de minimización de los impactos ambientales generados por una actividad industrial, y en concreto en el sector químico, se precisa establecer una serie de estrategias encaminadas a alcanzar un modelo de producción más limpia. CONCLUSIONES . La indu RECOMENDACIONES Gas incoloro en condiciones normales, tiene un olor picante característico, que irrita los ojos y de sabor cáustico. Masa molar: 17 gmol-1 Densidad del gas (0ºC y 1atm.) 0,7714 kg/m3 Temperatura de solidificación –77,7ºC Temperatura normal de ebullición –33,4ºC Calor latente de vaporización a 0ºC 1265 kJ/kg Presión de vapor a 0ºC 415 kPa. Temperatura crítica 132,4ºC Presión crítica 113atm. Estable a temperatura ambiente, se descompone por el calor. 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