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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA
TRABAJO DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES
OBTENCIÓN DE FORMALDEHÍDO A PARTIR DE METANOL
Manuel Machin HernándezSantiago Hernández López
Nacho Monguiluz López
21/05/2015
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Índice
Introducción:................................................................................................................................2
Formaldehido:..............................................................................................................................2
Análisis del proceso y posibles variantes...................................................................3
Proceso de obtención de formaldehido a partir de metanol con catalizadores de óxidos de metales..................................................................................................................4
Presentación del proceso.............................................................................................6
Cálculo de formaldehido...............................................................................................7
MEZCLADOR-CALENTADOR:................................................................................7
REACTOR:.................................................................................................................8
INTERCAMBIADOR 1:..............................................................................................9
INTERCAMBIADOR 2:............................................................................................11
COLUMNA DE ABSORCIÓN:................................................................................12
1
Introducción:Hoy en día el principal motor de la industria, transporte y de casi cualquier aplicación
que requiera un combustible para funcionar son los combustibles fósiles.
Sin embargo con el paso de los años el combustible utilizado ha ido variando. Primero
fue la madera, luego el carbón, petróleo… El motivo de este cambio continuo en el tipo
de combustible es la capacidad calorífica. Además existen otro tipo de razones que no
tienen que ver con su eficiencia como la facilidad de transporte, políticas
medioambientales, respeto por el medio ambiente, etc.
Así, uno de los combustibles más usados en la actualidad es el gas natural, ya no solo
por poseer el mayor índice de poder calorífico, sino por ser el más respetuoso con el
Medio Ambiente, por estar más distribuido que el petróleo por el mundo y por la
cantidad de reservas (aunque es menos abundante y esta menos distribuido por el
planeta que el carbón), y por la facilidad de transporte (en gaseoductos o en barcos
metaneros).
Esto hace que la industria del gas natural esté en alza y debido a esto podemos
obtener metanol de forma “sencilla” y posteriormente con el proceso que se explicará
en este texto se podrá obtener formaldehido.
Formaldehido:El objetivo del trabajo que se va a realizar es exponer el proceso de formación de
formaldehido a partir de metanol.
El formaldehido es un producto que de forma directa no tiene casi ninguna aplicación,
excepto la de conservantes de tejidos y un pequeño porcentaje en medicina. Sin
embargo se puede utilizar para producir numerosos productos como desinfectantes,
jabones, fertilizantes, detergentes y resinas que es su aplicación más importante.
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Análisis del proceso y posibles variantes
En cuanto al proceso cabe destacar que hasta el final de la segunda guerra mundial se
producía el 20% del formaldehido en fase gaseosa por oxidación no catalítica del
propano y el butano obteniendo muchos co-productos que era necesario separarlos.
En la actualidad la mayor parte del formaldehido se obtiene a partir del metanol. La
materia prima es el gas de síntesis que se obtiene del metano.
Este proceso tiene dos formas principales de llevarse a cabo:
Con exceso de metanol en la mezcla con el aire, en este caso en un principio se
usaban catalizadores de cobre y que ha sido casi completamente reemplazados por
catalizadores de plata que suelen desarrollarse a presión atmosférica y a temperaturas
entre 600 – 650 ºC. Este proceso suele ser más complejo y necesitan más equipos
además de tener el reactor un rendimiento no demasiado alto y emitir a la atmósfera
en la torre de destilación mayor cantidad de formaldehido siendo necesario, en su
favor cabe destacar que son más versátiles. En la actualidad este proceso se realiza
en el 30% de estas empresas.
En el caso en que se realice con exceso de aire se usan catalizadores de óxidos
metálicos el proceso es mucho más simple y con un rendimiento en el evaporador del
98-99% e incluso más siendo la selectividad mayor que en el proceso anterior, otra
cuestión es que la vida del catalizador que ronda el año es mayor que el de plata
siendo esta de 3 a 8 meses. En cuanto a las condiciones de operación son también
presión atmosférica y con temperatura menor de entorno a 270 – 330 ºC con lo que
minimiza una posible corrosión.
Por las razones anteriores y debido a que la producción de formaldehido se realiza en
el 70% de las empresas con catalizador de óxidos metálicos.
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Proceso de obtención de formaldehido a partir de metanol con catalizadores de óxidos de metales
A continuación se va a explicar como ocurre el proceso de formación de formaldehido
una vez se introduce el metanol.
El metanol se va a mezclar con aire atmosférico y se va a calentar en un
intercambiador para posteriormente introducirlo en el reactor multitubular donde este
metanol previamente calentado reaccionará con el oxígeno obteniéndose
formaldehido.
Posteriormente esta corriente se va a enfriar con agua y se va a mandar a un
absorbedor. El motivo del uso del absorbedor es que el formaldehido es un gas a
temperatura ambiente, pero si este se encuentra en contacto con el agua va a
reaccionar dando metilenglicol que es muy soluble en agua. Por esto con el
absorbedor, la corriente gaseosa de salida del reactor se va poner en contacto a
contracorriente con una corriente de agua y formaldehido disuelto que proviene de la
recirculación. Esta será la responsable de captar el formaldehido gaseoso. Después la
corriente gaseosa se enviará a una antorcha.
Tras haber sido absorbido el formaldehido por la corriente líquida que circula por el
absorbedor, esta se enfriará y, como se ha indicado antes, parte se recirculará.
4
Al final la parte de la corriente que no se ha recirculado se enviará a un mezclador con
agitación, donde se le va a añadir agua a la corriente para alcanzar la concentración
deseada de formaldehido en agua.
Una vez acabado esto el producto (mezcla de agua y formaldehido) se envía a unos
depósitos de almacenamiento para su posterior distribución y venta.
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Presentación del proceso
Caracterización de proceso:
El reactor trabaja a 1,25 atm y a una temperatura de 570 K
Rendimiento es del 98 %
El formaldehido vamos a suponer un 55% en peso de formaldehido
Mezcla metanol con oxígeno en proporción 1 a 3
Efectividad columna del 99,95%
Composición del aire: 21% de O2 y 79% N 2
Se usa como catalizador Molibdeno de hierro III Fe2(MoO 4)3 Agua de Refrigeración:
o Reactor: Entrada 298 K (líquido) - Salida 393 K (vapor)
o Mezclador-Calentador: Entrada 610 K (vapor)
o Intercambiador 1: Entrada 298 K (líquido) – Salida 310 K (líquido)
o Intercambiador 2: Entrada 298 K (líquido)
o
Temperaturas de trabajo:
o Mezclador-Calentador: Entrada 298 K – Salida 544.07 K
o Reactor: Entrada 570 K forzándole a trabajar a forma isoterma
La bifurcación J será el 50% de H.
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Cálculo de formaldehido
Base de cálculo: 20000 toneladas/año
MEZCLADOR-CALENTADOR:BdM:
maire+mCH 3OH=mmezcla=167671∗106+11737∗106=1,79408∗1011 g
BdE:H E+Q=H S
H E=maire [C p (T−T ref ) ]+mCH 3OH [C p (T−T ref ) ]Como T=T ref
H E=0
H S=nCH 2O [C p (T−T ref ) ]+nH 2O [C p (T−T ref 1 )+Cp (T−T ref 2 )+λ ]H S=167671∗10
6 [29,682 (297−25 ) ]+11737∗106 [ 82,59 (64,7−25 )+64,273 (297−64,7 )+35,27∗103 ]
H S=1,9814∗1015 J
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(CH 3OH ,44,85 º C)=82,59 J/molºC ;
C p(CH 3OH ,180,85 ºC)=64,273 J/molºC; C p(aire)=29,682 J/molºC
Cálculos de λ:
De la TABLA B.1 => λ=35,27∗103 J/mol ;
Luego,
Q=H s
Q=1,9814∗1015J
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REACTOR:BdM:Como en el reactor se produce reacción química, planteamos el BdM por especies
atómicas.
C:nCH 3OH=nCH 2O
H:
nCH 3OH∗4=nCH 2O∗2+nH 2O∗2
nCH 3OH=nH 2O
O:
nCH 3OH+nO 2=nCH 2O+nH 2O
nCH 3OH=nO2
Luego,
nCH 3OH=mM
=11737∗106
32,04=366323345,8moles
BdE:
H E=H S+Q
H E=nCH 3OH [C p (T−T ref )+∆hfo ]+n02 [C p (T−Tref ) ]
H E=366323345,8 [67,2123 (297−25 )−201,2∗103 ]+366323345,8 [32,2142 (297−25 ) ]H E=−6,3797∗1013 J
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(CH 3OH )=67,2123 J/molºC ; C p(02)=32,2142 J/molºC
Cálculos de ∆ hfo:
De la TABLA B.1 => ∆ hfo(CH 3OH )=−201,2∗103 J/mol ;
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H S=nH 2O [C p (T−T ref )+∆h fo ]+nCH 20 [Cp (T−T ref )+∆h f
o ]H S=366323345,8 [36,3066 (340−25 )−241,83∗103 ]+366323345,8 [47,5927 (340−25 )−115,9∗103 ]
H S=−1,2137∗1014 J
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=36,3066 J/molºC ; C p(CH 2O)=47,5927 J/molºC
Cálculos de ∆ hfo:
De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O)=−241,83∗103 J/mol ; ∆ hf
o(CH 2O)=−115,9∗103
J/mol ;
Luego,
Q=H E−H S
Q=−6,3797∗1013+1,2137∗1014
Q=5,7568∗1013 J
INTERCAMBIADOR 1:BdM:
magua=magua=Q
C p (T f−T eb )+C p (T eb−T i )+λ= 5,7568∗1013
34,304 (120−100 )+75,4 (100−25 )+40,656∗103=1224927166moles
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(H 2O ,110 ºC )=34,304 J/molºC; C p(H 2O ,62,5º C)=75,4
J/molºC
Cálculos de λ:
De la TABLA B.1 => λ=40,656∗103 J/mol ;
BdE:
9
H E=H S+Q
H E=nH 2O [Cp (T−T ref )+∆h fo ]
H E=1224927166 [33,9974 (120−25 )−241,83∗103 ]H E=−2,9227∗103 J
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=33,997 J/molºC
Cálculos de ∆ hfo:
De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O(g))=−241,83∗103 J/mol ;
H S=nH 2O [C p (T−T ref )+∆h fo ]
Como T=T ref
H S=1224927166 [−285,84∗103 ]
H S=−3,5∗1015 J
Cálculos de ∆ hfo:
De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O(l))=−285,84∗103 J/mol ;
Luego,
Q=H E−H S
Q=−2,9227∗103+3,5∗1015
Q=3,20782∗1015 J
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INTERCAMBIADOR 2:BdM:
mmezcla=mmezcla=nCH 20∗MCH 20+nH2O∗MH 2O=nCH 20∗(MCH 20+MH 20 )=¿
¿366323345,8∗(30,026+18 )=1,7593∗1010g
BdE:
H E=H S+Q
H E=nCH 2O [C p (T−T ref )+∆h fo ]+nH2O [C p (T−T ref )+∆hf
o ]H E=366323345,8 [43,784 (340−25 )−115,9∗103 ]+366323345,8 [35,352 (340−25 )−241,83∗103 ]
H E=−1,219∗1014 J
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=35,352 J/molºC ; C p(C H 2O)=43,784 J/molºC
Cálculos de ∆ hfo:
De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O)=−241,83∗103 J/mol ; ∆ hf
o(C H 2O)=−115,9∗103
J/mol
H S=nCH 2O [C p (T−T ref )+∆hfo ]+nH 2O [C p (T−T ref )+∆hf
o ]H S=366323345,8 [43,784 (110−25 )−115,9∗103 ]+366323345,8 [35,352 (110−25 )−241,83∗103 ]
H S=−1,2858∗1014 J
Cálculos de C p:
De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=35,352 J/molºC ; C p(C H 2O)=43,784 J/molºC
Luego,
Q=H E−H S
Q=−1,219∗1014+1,2858∗1014
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Q=6,68∗1012 J
COLUMNA DE ABSORCIÓN:BdM:
mmezcla+magua=mgases+m producto
Suponiendo mproducto=100g de los cuales 55g son formaldehido y 45 g agua, como
tenemos 366323345,8∗30,026=1,1∗1010 g de formaldehido tendremos
(1,1∗1010∗45)55
=8999365730 g de agua.
mproducto=nCH 20∗MCH 20+magua=366323345,8∗30,026+8999365730=2∗1010g=20000 t
mgases=nH 20∗M H20=366323345,8∗18=65933820224g
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Conclusiones
Aunque en España no hay empresas de grandes producciones de formaldehido
hemos visto que con catalizador de óxido de hierro se obtiene un gran rendimiento y
sin grandes especificaciones de presión ni temperatura, además de una reducida
maquinaria por lo que resulta lógico que muchas empresas lo produzcan aunque
resulta interesante por su alta producción y número de utilidades.
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Bibliografía
DATOS DE ENTALPIAS Y CAPACIDADES CALORÍFICAS, EINA, CODIGO 190
http://www.textoscientificos.com/quimica/formaldehido/obtencion
Tinoco Rivas, Miguel. Proyect Engineering: Diseño de una planta de producción
de formaldehido.
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