Gas de sntesis

Gas de sntesis

El "gas de sstesis" son la diversas mezclas de monxido de carbono e hidrgeno que se emplean para fabricar productos qumicos. La forma ms habitual de obtenerlo es a partir de metano, aunque tambin puede obtenerse con facilidad a partir de etano, propano o butano. La reaccin a conseguir cuando se utiliza el metano es:

La aplicacin ms importante del gas de sntesis es la preparacion de amoniaco (NH3) mediante el proceso de Haber :

El amoniaco y sus sales inorgnicas son los fertilizantes nitrogenados de mayor importancia.A partir del amoniaco se obtienen la urea y la melamina. La urea reacciona con formaldehido produciendo resinas duroplsticas de urea-formaldehido. La melamina reacciona con formaldehido para dar resinas duroplsticas de melamina-formaldehido. Las resina de melamina-formaldehido se emplea para la capa superior de laminados como la "formica" y en recubrimientos industriales. Tanto la resina de urea-formaldehido como la de melamina-formaldehido de emplean tambin en tratamientos textiles, tratamiento del papel, adhesivos y polvos para moldeado.El amoniaco se puede oxidar a cido ntrico que se utiliza para obtener diferentes compuestos nitrogenados. Casi todos los explosivos son compuestos nitrogenados.El amoniaco interviene en reacciones para la obtencin de aminas y tambin se utiliza como disolvente.

Despus de la produccin de amoniaco, la segunda aplicacin en importancia del gas de sntesis es la obtencin de metanol, la cual se realiza en dos pasos:

El metanol se usa fundamentalmente para la obtencin de formaldehdo

El metanol se emplea tambin en varios compuestos como: tereftalato de dimetilo para fibras de polister, metacrilato de metilo, acrilato de metilo, ftalato de dimetilo, cloruro de metilo y metilaminas.

La mayor parte de la produccin de formaldehdo se utiliza para la obtencin de resinas de fenol-formaldehdo, urea-formaldehdo y melamina-formaldehdo. Adems es la materia prima de resinas poliacetlicas como "Delrin " y "Zelcon". Los poliacetales son plsticos que se utilizan, fundamentalmente, en ingeniera. Del formaldehdo se obtiene, asimismo, pentaeritrol y combinado con acetileno produce butinodiol. Al combinarlo con amoniaco se obtiene hexametilentetramina.

Metanol: Utilizacin de Biocombustibles.

Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso cataltico a partir de monxido de carbono e hidrgeno. Esta reaccin emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados.

CO + CO2 + H2 --->CH3OH

La reaccin se produce a una temperatura de 300-400 C y a una presin de 200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr2O3.

El gas de sntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos procesos productivos se diferencian entre s precisamente por este hecho. Actualmente el proceso ms ampliamente usado para la obtencin del gas de sntesis es a partir de la combustin parcial del gas natural en presencia de vapor de agua.

Gas Natural + Vapor de Agua---> CO + CO2 + H2Sin embargo el gas de sntesis tambin se puede obtener a partir de la combustin parcial de mezclas de hidrocarburos lquidos o carbn, en presencia de agua.

Mezcla de Hidrocarburos Lquidos + Agua---> CO + CO2 + H2Carbn + Agua---> CO + CO2 + H2En el caso de que la materia prima sea el carbn, el gas de sntesis se puede obtener directamente bajo tierra. Se fracturan los pozos de carbn mediante explosivos, se encienden y se fuerzan aire comprimido y agua. El carbn encendido genera calor y el carbono necesarios, y se produce gas de sntesis. Este proceso se conoce como proceso in situ. Este mtodo no tiene una aplicacin industrial difundida.

Los procesos industriales ms ampliamente usados, utilizando cualquiera de las tres alimentaciones (gas natural, mezcla de hidrocarburos lquidos o carbn) son los desarrollados por las firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI).

Tambin se abordar el proceso antiguo de obtencin de metanol llamado Destilacin Destructiva de la Madera.

Metanol: Utilizacin de Biocombustibles.

Proceso Lurgi.Se denomina proceso de baja presin para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, lquidos o carbn.

Figura 2. Proceso Lurgi para producir metanol.

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El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas:

a. Reforming

Es en esta etapa donde se produce la diferencia en el proceso en funcin del tipo de alimentacin.

En el caso de que la alimentacin sea de gas natural, este se desulfuriza antes de alimentar el reactor. Aproximadamente la mitad de la alimentacin entra al primer reactor, el cual est alimentado con vapor de agua a media presin. Dentro del reactor se produce la oxidacin parcial del gas natural. De esta manera se obtiene H2, CO, CO2 y un 20% de CH4 residual.

Gas Natural + Vapor de Agua---> CO + CO2 + H2Esta reaccin se produce a 780 C y a 40 atm.

El gas de sntesis ms el metano residual que sale del primer reactor se mezcla con la otra mitad de la alimentacin (previamente desulfurizada). Esta mezcla de gases entra en el segundo reactor, el cual est alimentado por O2. Este se obtiene de una planta de obtencin de oxgeno a partir de aire.

CH4 + CO + CO2 + O2---> CO + CO2 + H2Esta reaccin se produce a 950 C.

En caso de que la alimentacin sea lquida o carbn, sta es parcialmente oxidada por O2 y vapor de agua a 1400-1500 C y 55-60 atm. El gas as formado consiste en H2, CO con algunas impurezas formadas por pequeas cantidades de CO2, CH4, H2S y carbn libre. Esta mezcla pasa luego a otro reactor donde se acondiciona el gas de sntesis eliminndose el carbn libre, el H2S y parte del CO2, quedando el gas listo para alimentar el reactor de metanol.

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b. Sntesis

El gas de sntesis se comprime a 70-100 atm. y se precalienta. Luego alimenta al reactor de sntesis de metanol junto con el gas de recirculacin. El reactor Lurgi es un reactor tubular, cuyos tubos estn llenos de catalizador y enfriados exteriormente por agua en ebullicin. La temperatura de reaccin se mantiene as entre 240-270 C.

CO + H2---> CH3OH H < 0

CO2 + H2---> CH3OH H < 0

Una buena cantidad de calor de reaccin se transmite al agua en ebullicin obtenindose de 1 a 1.4 Kg. de vapor por Kg. de metanol. Adems se protege a los catalizadores.

c. Destilacin

El metanol en estado gaseoso que abandona el reactor debe ser purificado. Para ello primeramente pasa por un intercambiador de calor que reduce su temperatura, condensndose el metanol. Este se separa luego por medio de separador, del cual salen gases que se condicionan (temperatura y presin adecuadas) y se recirculan. El metanol en estado lquido que sale del separador alimenta una columna de destilacin alimentada con vapor de agua a baja presin. De la torre de destilacin sale el metanol en condiciones normalizadas.

Proceso ICI (Imperial Chemical Industries).La diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya que los procesos de obtencin de gas de sntesis y purificacin de metanol son similares para todos los procesos.

En este caso la sntesis cataltica se produce en un reactor de lecho fluidizado, en el cual el gas de sntesis ingresa por la base y el metanol sale por el tope. El catalizador se mantiene as fluidizado dentro del reactor, el cual es enfriado por agua en estado de ebullicin, obtenindose vapor que se utiliza en otros sectores del proceso.

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La destilacin se realiza en dos etapas en lugar de realizarse en una sola.

Todas las dems caractersticas son similares al proceso Lurgi antes descrito.

Proceso de Destilacin Destructiva de la Madera.Cuando se calienta una sustancia a una temperatura elevada, descomponindola en varios productos que se separan por fraccionamiento en la misma operacin, el proceso se llama destilacin destructiva. Sus aplicaciones ms importantes son la destilacin destructiva del carbn para el coque, el alquitrn, el gas y el amonaco, y la destilacin destructiva de la madera para el carbn de lea, el cido etanoico, la propanona y el metanol. Este ltimo proceso ha sido ampliamente desplazado por procedimientos sintticos para fabricar distintos subproductos. El craqueo del petrleo es similar a la destilacin destructiva. En la siguiente figura se muestra el proceso de destilacin destructiva en general.

Figura 3. Destilacin destructiva de materiales carbonceos.

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El metanol obtenido a partir de la destilacin destructiva de la madera represent la nica fuente comercial hasta los aos veinte del siglo pasado.

La destilacin destructiva de la madera, es el antiguo proceso de produccin del metanol. Desde hace varias dcadas no se utiliza industrialmente este proceso debido a su bajsimo rendimiento en la produccin de metanol o alcohol metlico.

El rendimiento de metanol a partir de este proceso es aproximadamente entre 1 y 2%, o 20 litros de metanol por tonelada mtrica de madera (6 galones por tonelada mtrica), para maderas duras, y aproximadamente, la mitad de este valor para maderas suaves. Con la introduccin de la tecnologa del gas natural, la industria gradualmente cambi a metanol sinttico formado a partir de un gas de sntesis (syngas) producido a partir de gas natural reformado.

El problema con la destilacin destructiva de la madera, es que slo es econmicamente factible a escala industrial, as que no es aconsejable producir metanol a partir de recursos renovables, como la madera, a pequea escala (uso personal).

Otro problema es que se requiere una cantidad enorme de lea para producir metanol por el mtodo de destilacin destructiva de la madera, por lo que pases extremadamente deforestados como El Salvador, no podran emplear este proceso de produccin del metanol.

Metanol en el motor de combustin interna.El metanol usado como un aditivo o sustituto de la gasolina podra inmediatamente ayudar a resolver los problemas de energa y contaminacin atmosfrica.

Si se mezclara metanol con gasolina en una proporcin entre 5 y 15%, se tendra mejoras en la economa de combustible, niveles de contaminacin y en el funcionamiento de los motores de combustin interna.

Metanol: Utilizacin de Biocombustibles.

Varios estudios han sido realizados en los ltimos 50 aos para evaluar la aptitud del metanol como sustituto de la gasolina en los motores de combustin interna. Los motores existentes pueden ser transformados para usar metanol puro mediante la disminucin de la proporcin de aire respecto del combustible consumido, aproximadamente desde 14 para gasolina hasta 6 para metanol.

Comparado con gasolina, el uso de metanol, en un examen estndar de motor (sin tratamiento cataltico de los gases de escape), produce un vigsimo de la cantidad de combustible no quemado, un dcimo de la cantidad de dixido de carbono, y aproximadamente la misma cantidad de xidos de nitrgeno que produce la gasolina.

De mayor importancia es el hecho que arriba del 15% de metanol puede ser aadido a la gasolina comercial en automotores ahora en uso sin necesidad de modificar los motores. Esta mezcla de metanol-gasolina resulta en un incremento en el ahorro de combustible, temperaturas ms bajas de los gases de combustin, menores emisiones de gases, y rendimiento mejorado, en comparacin al uso de la gasolina sola. El Metanol tambin puede ser quemado limpiamente para la mayora de nuestras otras necesidades de combustible, y este es especialmente apropiado para ser usado en celdas de combustible para generar electricidad.

El principal inconveniente para el uso inmediato de metanol puro como sustituto de la gasolina es que no hay suficiente disponibilidad. Se ha investigado recientemente la posibilidad de aadir entre 5 y 30% de metanol a la gasolina. Una cantidad de automviles privados no modificados fueron examinados y operados sobre un curso fijado con variacin de concentraciones de metanol. Se encontr que: a) el ahorro de combustible increment de 5 a 13%, b) las emisiones de monxido de carbono disminuyeron de 72% a 14%, c) la temperatura de los gases de combustin disminuy de 9% a 1%, y d) la aceleracin increment arriba del 7%.

Otros usos del metanol como combustible.Aunque el metanol es sugerido aqu principalmente como un combustible para automviles, ste tambin podra ser usado ventajosamente en muchas otras aplicaciones, si ste se vuelve suficientemente abundante. Este es un combustible seguro y limpio para la calefaccin de las casas y tambin puede ser quemado en plantas de energa para generar electricidad sin contaminar la atmsfera.

Metanol: Utilizacin de Biocombustibles.

En una serie de pruebas recientes, utilizando una caldera para generar energa, el metanol fue evaluado comparndolo con el gasleo No. 5 y gas natural. En las pruebas con metanol se observ que: a) ninguna partcula fue liberada por la chimenea, b) la cantidad de xidos de nitrgeno en el flujo de gases fue menor que la cantidad emitida por el gas natural y mucho menor que la emitida por el gasleo No. 5, c) la concentracin de monxido de carbono fue menor que la del gasleo y el gas natural, d) ningn compuesto de azufre fue emitido, e) las cantidades producidas de aldehdos, cidos, e hidrocarburos no quemados fueron despreciables, y f) depsitos de holln en la caldera producidos por el gasleo fueron disipados con el metanol, de ese modo permitiendo una mayor transferencia de calor y una mayor eficiencia.

El metanol es uno de los pocos combustibles conocidos apropiado para la generacin de energa mediante clulas combustibles. En principio, las clulas combustibles pueden convertir energa qumica a electricidad con mucha mayor eficiencia que las mquinas de calor tales como turbinas. Aunque el metanol no es tan simple de usar en una clula combustible como el hidrgeno, ste puede ser almacenado y transportado ms fcilmente. Recientemente, una clula combustible ha sido desarrollada la cual proporciona ms de 30,000 horas de operacin continua con metanol y aire. Esta usa carburo de tungsteno y carbn como electrodos y cido sulfrico como electrolito.

Conclusiones.El Salvador es el segundo pas ms deforestado de Amrica Latina. Con este antecedente, no es viable, en el corto plazo, la produccin de metanol a partir de la lea; porque este proceso requiere grandes cantidades de lea, por ende, grandes extensiones de bosque (para producir 20 litros de metanol se requiere 1 tonelada mtrica de lea). En el futuro, no se descarta la utilizacin de este proceso para producir metanol, siempre y cuando se den las condiciones adecuadas, en otras palabras, cuando haya un excedente de lea. Aqu cabe preguntar: cmo lograr que haya un excedente de lea?, la respuesta es, utilizando nuevas tecnologas de alta eficiencia energtica, que reduzcan el consumo de lea drsticamente, permitiendo una reduccin significativa en la tala de rboles.

El Salvador tiene que reducir su gran dependencia hacia los combustibles fsiles. Esta dependencia est impactando negativamente y en gran medida a nuestra economa. La alternativa ms adecuada es la utilizacin de biocombustibles, los cuales tienen muchas ventajas sobre el petrleo, entre ellas, menor precio, no contaminan el medio ambiente, se pueden producir en el pas y utilizan recursos renovables.

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Notas.1. El octanaje o ndice de octano de un combustible es una medida de su capacidad antidetonante. Los combustibles que tienen un alto ndice de octano producen una combustin ms suave y efectiva. El ndice de octano de una gasolina se obtiene por comparacin del poder detonante de la misma con el de una mezcla de isooctano y heptano. Al isooctano se le asigna un poder antidetonante de 100 y al heptano de 0. Una gasolina de 97 octanos se comporta, en cuanto a su capacidad antidetonante, como una mezcla que contiene el 97% de isooctano y el 3% de heptano.

Muchos conductores an creen que cuanto mayor sea el nmero de octano de la gasolina que cargan en su vehculo, mayor ser la potencia y mejor el funcionamiento. Simplemente falso. El valor de octano del combustible no tiene ninguna relacin con la potencia.

El nmero de octano de un combustible es simplemente una descripcin numrica de su capacidad para resistir el "golpeteo" de la mquina. Cuando los vapores de la gasolina sin combustionar explotan espontneamente en el cilindro, antes de que los alcance la flama en expansin dentro del cilindro de combustin, se provocan dos explosiones simultneas (la otra es de la buja de encendido). Este fenmeno produce el golpeteo.

Cuanto mayor sea el nmero de octano (o ndice antidetonante, para ser ms exactos) mayor ser la resistencia del combustible al golpeo de la mquina. El motor de un vehculo est diseado para usar un combustible con un nmero de octano en particular (en el manual del vehculo debera decirlo). Al comprar un combustible con un octanaje mayor slo se estar tirando el dinero.

La nica y muy importante excepcin es cuando el vehculo envejece porque los depsitos creados por la gasolina y los relativos al lubricante pueden incrementar el nmero de octano que el motor necesita para prevenir el golpeteo. Por esta razn, si un vehculo con ms de dos aos de vida muestra problemas de golpeteo, el problema se puede resolver simplemente usando una gasolina con un ndice antidetonante superior.

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2. El puente de hidrgeno es un enlace que se establece entre molculas capaces de generar cargas parciales. El agua, es la sustancia en donde los puentes de hidrgeno son ms efectivos, en su molcula, los electrones que intervienen en sus enlaces, estn ms cerca del oxgeno que de los hidrgenos y por esto se generan dos cargas parciales negativas en el extremo donde est el oxgeno y dos cargas parciales positivas en el extremo donde se encuentran los hidrgenos. La presencia de cargas parciales positivas y negativas hace que las molculas de agua se comporten como imanes en los que las partes con carga parcial positiva atraen a las partes con cargas parciales negativas. De tal suerte que una sola molcula de agua puede unirse a otras 4 molculas de agua a travs de 4 puentes de hidrgeno. Esta caracterstica es la que hace al agua un lquido muy especial.

3. Las sustancias polares son aquellas que estn formadas por enlaces covalentes polares. En este tipo de enlace los tomos comparten los electrones, los cuales, pasan ms tiempo alrededor del tomo que tiene mayor electronegatividad.

4. Las sustancias inicas son aquellas que estn formadas por enlaces inicos. El enlace inico consiste en la atraccin electrosttica entre tomos con cargas elctricas de signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre tomos de elementos poco electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Es necesario que uno de los elementos pueda ganar electrones y el otro perderlos, este tipo de enlace se suele producir entre un no metal (electronegativo) y un metal (electropositivo).

5. El formaldehdo o metanal es un compuesto qumico, ms especficamente un aldehdo (el ms simple de ellos), de frmula H2C=O. Fue descubierto en 1867 por el qumico alemn August Wilhelm von Hofmann. Se obtiene por oxidacin cataltica del alcohol metlico. A temperatura normal es un gas incoloro de un olor penetrante, muy soluble en agua. Las disoluciones acuosas al 40 % se conocen con el nombre de formol, que es un lquido incoloro de olor penetrante y sofocante; estas disoluciones pueden contener alcohol metlico como estabilizante. Puede ser comprimido hasta el estado lquido; su punto de ebullicin es -21 C. El cido metanoico, tambin llamado cido frmico, es un cido orgnico de un solo tomo de carbono, y por lo tanto el ms simple de los cidos orgnicos. Su frmula es H-COOH, el grupo carboxilo es el que le confiere las propiedades cidas a la molcula.

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6. Se denomina esterificacin al proceso por el cual se sintetiza un ster. Un ster es un compuesto derivado formalmente de la reaccin qumica entre un oxicido y un alcohol. En qumica, los steres son compuestos orgnicos en los cuales un grupo orgnico reemplaza a un tomo de hidrgeno (o ms de uno) en un cido oxigenado. Un cido oxigenado es un cido cuyas molculas poseen un grupo -OH desde el cual el hidrgeno (H) puede disociarse como un in H+.

Los steres ms comunes son los steres carboxilados, donde el cido en cuestin es un cido carboxlico. Por ejemplo, si el cido es el cido actico, el ster es denominado como acetato. Los steres pueden tambin ser formados por cidos inorgnicos; por ejemplo, el dimetil sulfato, es un ster, a veces tambin llamado "cido sulfrico, dimetil ster".

7. El cido succnico es un butanodiico, slido, incoloro o blanco, que se funde a 185 C. Es soluble en el agua, ter y alcohol, interviene en el conjunto de reacciones que constituyen el ciclo de Kreps. En su estado natural se encuentra en los msculos, hongos, mbar y otras resinas de donde se extrae por destilacin y por hidrogenacin del cido mlico. El cido succnico y el glicerol se obtienen tambin como productos secundarios durante las fermentaciones alcohlicas junto con los cidos lctico, ctrico, mlico, tartrico, etc.

Se puede obtener a travs de sntesis qumica a partir del acetileno y del formaldehdo que arroja un rendimiento aproximado del 30%; pero por procesos bioqumicos que son ms baratos, puede dar un rendimiento aproximado del 95%. El succinato ha sido considerado como el propulsor bsico de la qumica del futuro. En el mercado internacional su demanda alcanza ya los 6.7 millones de toneladas, con un valor de 4,000 millones de dlares. Se utiliza en la industria de alimentos y bebidas, en la fabricacin de adhesivos epxidos, biopolmeros, lacas, colorantes y en perfumera; en medicina humana como reconstituyente nervioso, antidepresivo, antineurtico, etc.

Metanol: Utilizacin de Biocombustibles.

Fuentes consultadas.La Prensa Grfica, Seccin Economa, 14-06-06, Pg. 47.La Prensa Grfica, 13-06-06, Pg. 29.Reed T.B., Lerner R.M. Methanol: a versatile fuel for immediate use. Revista Science, Vol. 182, 28-12-73.http://www.woodgas.com/methanol.htmhttp://www.iags.org/n052404t3.htmhttp://www.cfr.washington.edu/research.Forest_Energy/fact_sheets/pdf/FactSheetbiomass_Final.pdfhttp://www.fepafem.org.ve/Guias_de_Urgencias/Intoxicaciones/Intoxicacion_por_metanol.pdfhttp://www.fpl.fs.fed.us/documnts/fplgtr/fplgtr12.pdfhttp://www.nykomb.se/pdf/BlackLiquorMeOH.pdfhttp://www.woodgas.com/Science1.pdfhttp://www.aibarra.org/guias/10-14.htmhttp://en.wikipedia.org/wiki/Methanolhttp://en.wikipedia.org/wiki/Methanol_%28data_page%29http://en.wikipedia.org/wiki/Methanol_economyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Methanol_fuelhttp://www.iags.org/methanolsources.htmhttp://www.ecosur.net/Biodiesel/biodiesel.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/Biodieselhttp://biodiesel.8k.com/http://www.transporte.cu/ignicion/cd2002/eta_meta.htmhttp://www.epa.gov/air/espanol/transporte/cleanfuelsp.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81cido_f%C3%B3rmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Esterificaci%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Formaldeh%C3%ADdohttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_hidr%C3%B3geno