Diseño de Procesos: Trabajo Integrador 2015

Tema: Producción de Metanol a partir de Gas Natural

Integrantes:

Molina Carolina Valeria Gisela Ruiz Micaela Torres Fabiana

Introducción

En el presente trabajo se hablará de la producción de metanol a partir de gas natural.

En los últimos tiempos se fueron desarrollando nuevas tecnologías destinadas a reducir la contaminación del medio ambiente, son cada vez más los países que promueven un desarrollo sustentable pensando en preservar y cuidar el planeta. Una de ellas fue la implementación de metanol como fuente de combustible debido a las grandes emisiones de compuestos tóxicos y nocivos provenientes de motores de automóviles, problema que se intenta solucionar a partir de la producción de MTBE (Methyl tertiary-butyl ether; aditivo para mejorar la combustión de combustibles sin plomo), que se mezcla con gasolina como fuente de octanaje y como oxigenante para reducir dichas emisiones. En menor escala se emplea metanol como combustible directo para vehículos de motor y está siendo considerado como combustible preferido para las pilas de combustible.

Es utilizado, además como materia prima en la fabricación de otros productos, aproximadamente las tres cuartas parte de todo el metanol se utiliza en la producción de formaldehido, ácido acético y una variedad de otros productos químicos como metilaminas, metacrilato de metilo, entre otros, los cuales se utilizan para elaborar adhesivos, recubrimientos, plásticos, solventes, resinas poliéster, textiles, pinturas, fibras explosivos, etc. Otros usos finales de metanol incluyen los productos con silicona, como sustituto de los clorofluorocarbonos en los aerosoles, como descongelante y liquido limpiador de parabrisas y como anticongelante para la deshidratación de tuberías.

¿Por qué producir metanol?

La elección de producir metanol reside en el hecho de que es un compuesto muy utilizado en la industria; la industria del Metanol derivada del gas natural, es competitiva a nivel global, creando oportunidades para su fabricación en regiones ricas de gas.

El mismo se utiliza como materia prima en la fabricación de muchos productos químicos, y además se lo está utilizando con mayor frecuencia como celda de combustible.

Su atractivo principal es, pues, una combustión limpia de combustible potencial adecuado para turbinas de gas, motores de gasolina y en las nuevas tecnologías de células de combustibles; tiene mayor potencial de uso respecto de otros combustibles convencionales debido a que con esta sustancia se forma menor cantidad de ozono, menores emisiones contaminantes, particularmente benceno e hidrocarburos aromáticos poli cíclicos y compuestos sulfurados, además presenta bajas emisiones de vapor.

Fundamentos Teóricos

¿Qué es el metanol?

El metanol, también llamado alcohol metílico, alcohol de madera, carbinol y alcohol de quemar, es el primero de los alcoholes. Su fórmula química es CH3OH.

En condiciones normales es un líquido incoloro, de viscosidad muy baja y de olor y sabor frutal penetrante, miscible en agua y con la mayoría de los solventes orgánicos, muy toxico e inflamable.

Es considerado como un producto petroquímico básico, a partir del cual se obtienen varios productos secundarios.

Producción

En la obtención del metanol, podemos encontrar diferentes métodos, observando como la industria ha ido avanzando con el paso del tiempo hacia fines más ecológicos.

Originariamente 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 CH3OHLa 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 + H2Sin 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 CO + CO2 + H2Carbón + Agua CO + CO2 + H2En 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. eImperial Chemical Industries Ltd. (ICI).

Posibles materias primas para su producción Las materias primas para su producción derivan de cualquier fuente basada en el carbón. Entre ellas:

Madera; CO, H2 (Gas de síntesis); Gas natural, vapor; Mezcla de hidrocarburos líquidos, O2 ; Carbón, vapor de agua; Residuos Renovables; Glicerina cruda, agua supercrítica.

En este trabajo, para la producción de Metanol, las materias primas serán: Gas Natural Vapor de agua

Estudio de Mercado El estudio de mercado comprende el bien o servicio a producir, metanol, la materia prima que vamos a utilizar, en este caso, el gas natural también, para eso vamos a dirigirnos al caso de algunos derivados del metanol.

El metanol es un producto químico cuya producción es mayor a 60 millones de toneladas por año. Está considerado uno de los principales productos petroquímicos.

La industria del metanol se extiende por todo el mundo. Su producción se lleva a cabo en Asia, América del Norte y del Sur, Europa, África y Oriente Medio. Las plantas de metanol en todo el mundo poseen una capacidad de producción total de más de 75 millones de toneladas métricas.

Si bien Latinoamérica se encuentra muy lejos de los mercados líderes de metanol, la industria regional de los biocombustibles podría elevar sensiblemente la demanda del mismo en el futuro. Los líderes son China (que representan un 45% del total), y luego se ubican el Pacífico asiático (22%), Europa (20%) y Norteamérica (13%)

Los precios del metanol son sensibles a la demanda, precio de las materias primas, precios de energía y condiciones económicas generales. Desde el año 2009 el precio es creciente.

Las presiones al alza en el precio del metanol probablemente continúen. La región no registrará un mayor crecimiento de la producción, tal como sí sucederá en Norteamérica, Europa (sobre todo el norte) y, por supuesto, China. Pero seguirá habiendo un desbalance con respecto a la demanda, también en alza, lo que implica oportunidades de exportación para Sudamérica

En Argentina, hay dos proveedores YPF y Alto Paraná S.A. La planta de Metanol de YPF está ubicada en Neuquén, tiene una capacidad de producción de 400.000 toneladas al año y significó una inversión de 160 millones de dólares, mientras que Alto Paraná S.A. tiene una capacidad de 50000 toneladas anuales. La producción en el 2010 fue de 408.000 toneladas anuales, aproximadamente.

Año Producción (tn)

Importación(tn)

Exportación(tn)

Consumo(tn)

2001 25601 94996 319 120278

2002 158030 29787 44398 143419

2003 447810 14265 291107 170968

2004 444601 57 295316 149342

2005 413611 54 279257 134408

2006 379099 74 239671 139502

2007 376657 70 223729 152998

2008 398587 91 192414 206264

2009 319482 81 79602 239961

2010 408085 35033 79279 363839

200020012002200320042005200620072008200920100

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

Exportacion e Importacion Nacional

Importacion(tn)Exportacion(tn)

Años

Tone

lada

s

200020012002200320042005200620072008200920100

50000100000150000200000250000300000350000400000450000500000

Mercado Nacional de Metanol

Produccion (tn)

Consumo(tn)

Años

Tone

lada

s

Principales distribuidores:

En el Contienente Americano:

EEUU: Methanex, Southern Chemical Corporation (distribuidor de MHTL)

America Latina: Venezuela (Metor 1 y 2), Chile (Methanex Chile), Mexico (Complejo Independencia), Argentina (YPF y Alto Parana), Brasil (GPC, Braskem)

Materia Prima: Gas Natural

El gas natural en argentina se obtiene de las cuencas gasíferas: neuquina, noroeste, San Jorge y Austral. El aumento de la capacidad de transporte en los últimos años hizo posible que se redujeran las restricciones de gas a los grandes usuarios durante la época de mayor demanda.

El mercado del gas natural en Argentina presenta una demanda creciente, con tarifas relativamente bajas y con una actividad económica creciente. El problema de este mercado, es que existe un estancamiento en la oferta del recurso, lo cual se debe primordialmente a los precios.

Mientras se siguen trabajando los pozos actuales, se requiere continuar con las exploraciones en las distintas cuencas sedimentarias, lo cual a su vez hace que sean necesarias estas grandes inversiones.

Argentina, cuenta con 24 cuencas sedimentarias con una superficie de 1.845.000 Km2. De estas, sólo 5 son cuencas productivas con una superficie que alcanza los 590.400 Km2 (32%), entre ellas la cuenca de Neuquén, la Austral y la Noroeste; y el resto son no productivas (1.254.600 Km2, 68%).

En el caso Argentino, el equilibrio del gas natural se ve alterado por dos grandes motivos.

La política donde la intervención estatal provocó un alto en la inversión.

Por otro lado, Argentina se ve influida por las importaciones que recibe desde Bolivia.

La producción de gas natural creció 9,5% respectivamente en febrero de 2014, respecto de igual mes de 2013, según el informe del Instituto Argentino de la Energía Gral. Mosconi (IAE).Respecto al Noroeste Argentino, la empresa Pluspetrol es la encargada de la producción de gas natural. En el año 2013 se realizó la presentación de un proyecto que detalla las áreas en las que la empresa intervino para mejorar su producción, de acuerdo a lo requerido por la el Gobierno de la Provincia. Las áreas de inversión son Ramos, en el departamento San Martín, y el área de Balbuena y Palmar Largo, en el departamento de Rivadavia, en el límite con Formosa.

El plan de acción tiene como fin incrementar la producción de petróleo y gas de la provincia, a través de la aplicación de acciones tendientes a fomentar la inversión en actividades de producción y exploración con la utilización de nuevas tecnologías. También incrementar las reservas provinciales, garantizar el abastecimiento local y contribuir a la dinámica socio-económica de los sectores donde se realizas estas actividades.

Respecto a otras materias primas, con el gas natural se obtiene mayor rendimiento. Además, los costos de las distintas materias primas tienen un impacto directo sobre el precio del metanol obtenido, para un mismo costo de materias primas, el metanol obtenido de la gasificación del carbón es un 49% más caro que el obtenido del reformado de gas natural con vapor. El metano es la materia prima más indicada para producir metanol ya que ambos poseen la misma relación H/C.

La industria basada en gas natural genera ventajas competitivas frente a otros países que usan cortes líquidos debido a la existencia de reservas y recursos de materias primas de calidad competitiva y a la existencia de una importante infraestructura y experiencia de la industria del gas natural.

Derivados del metanol

El metanol es un producto químico líquido que suele utilizarse como materia prima en la fabricación de otros productos.

El metanol tiene un mercado desarrollado (maduro) en aplicaciones tales como la manufactura de formaldehido (industria farmacéutica, industria automotriz e industria de la madera), la manufactura de ácido acético (textiles, adhesivos y pinturas), dimetilterafosfato (botellas plásticas reciclables), cloruro de metilo (siliconas). Además tiene un mercado emergente constituido por el Dimetil Eter (motivo de nuestra próxima entrega) y sus aplicaciones como combustible en reemplazo parcial del GLP y del diesel, mezcla con gasolinas (en algunos países como la China) y en la manufactura de biodiesel (el metóxido de sodio es materia prima para el biodiesel).  

Cada día se utilizan más de 100000 toneladas de metanol como materia prima química o como combustible para el transporte. La industria global del metanol genera más de 100000 puestos de trabajo en todo el mundo.

Estructura del mercado Mundial

Usos (% en productos)

Europa Occidental

EEUU Japón

Formol 50 43 45Tereflato de metilo 10 5 2

Ácido Acético 6 10 23Solventes 11 9 5

MTBE 10 8 8Metacrilato de metilo 3 4 6

Varios 10 21 11Total 100 100 100

Estructura del mercado local

55%

15%

14%

5%11%

Estructura del Mercado LocalBiodiesel Folmaldehidos MTBE TAME Varios(solvente y otros)

Descripción del Proceso:

Generalidades del Proceso:

Materias Primas:

Gas Natural Vapor de agua

Tipo de energías requeridas para el proceso:

Energía Térmica (procesos de intercambio de calor) Energía Eléctrica (para bombas, compresores etc.)

Servicios Requeridos:

Agua Aire Combustible

Producto Generado: METANOL

Proceso de Fabricación: Reformación por vapor del gas natural, presiones de baja-media de operación.

Operaciones Unitarias:

Transporte de fluido Intercambio de calor Condensación Destilación

Subproductos:

Vapor sobrecalentado Gases diversos Agua

Aspectos termodinámicos y cinéticos de la Síntesis del Metanol

La reacción de síntesis del metanol es fuertemente exotérmica

CO+2H 2↔C H 3OH (ΔH ⁰298=−91 KJmol

)

La conversión de CO2 también ocurre, aunque en un grado menor:

CO2+3H 2↔C H 3OH (ΔH 0298=−50 KJ

mol)

La constante de equilibrio de la reacción principal, en función de la temperatura, está dada por la siguiente expresión aproximada:

ln Kp=8980T

−7.7 lnT +22.7+0.0039T

Altas presiones y bajas temperaturas favorecen el desplazamiento del equilibrio hacia la formación de metanol; por lo tanto, en la práctica habrá que operar a presiones elevadas y con catalizadores suficientemente activos que permitan trabajar a bajas temperaturas sin reducir demasiado la velocidad de reacción.

Con el fin de evaluar conjuntamente la conversión de CO y CO2, se emplea el concepto de eficacia del carbón:

EPC=moles deC H 3OH producidos

moles CO+CO 2en gasde síntesis

La selectividad del proceso está directamente relacionada con la temperatura. Además de la reacción de conversión del CO2, existen otras dos reacciones no deseadas:

CO+3H 2↔CH 4+H 2O

2C H 3OH↔C H 3OC H 3+H 2O

Todas ellas pueden limitarse si se opera por debajo de los 400⁰C.

En la práctica trabajar con elevadas presiones es muy costoso por lo que en este proyecto se lo realizara a bajas presiones trabajando con catalizadores adecuados.

Proceso Producción de Metanol

Para la producción de metanol se escogió como materia prima el gas natural, a partir del mismo se obtendrá el gas de síntesis que será transformado en metanol a través de una serie de pasos. En cuanto a la característica del proceso, la práctica más común consiste en trabajar a bajas presiones, aunque a altas presiones se maneja mejor la temperatura con ausencia de reacciones laterales, obteniéndose así un producto de mayor pureza.

Acondicionamiento del gas-Reforming

En primer lugar se debe acondicionar el gas natural, eliminando lo máximo posible de sulfuros que contaminarían al catalizador. Se procede a una desulfuración, se hidrata el gas natural por medio de una corriente de hidrogeno, donde las reacciones ocurrirán sobre un catalizador de Ni-Mo. Las reacciones puestas en juego son:

cos+H 2→H 2S+CO

CH 3SH+H 2→CH 4+H 2S

La adsorción de H2S lleva a cabo con aminas en una torre de absorción.

La mezcla de gases se mezcla con vapor de agua y se dirige ahora al horno reformador, un reactor catalítico, donde se obtiene el gas reformado. Las reacciones que ocurren en esta etapa:

C H 4+H 2O→CO+3H 2

CO+3H 2→CO2+H 2

El gas natural alimentado se debe precalentar, para dicha operación se hace uso del poder calorífico de la corriente de salida de gas reformado. A su vez la misma corriente permite la obtención de vapor de saturación de alta presión, el cual será usado por el compresor a modo de acondicionar la corriente de gas reformado para la síntesis.

Síntesis de Metanol

Contando con el gas de síntesis, se procede Al ciclo de síntesis de metanol: circulador, convertidor, cambiador de calor, enfriador y separador.

La síntesis se lleva a cabo en los tubos catalíticos del reactor a base de Cu, las reacciones llevadas a cabo son:

CO+2H 2→C H 3OH

CO2+3H 2→CH 3OH+H 2O

La reacción es muy exotérmica, de modo que se puede aprovechar el calor desprendido para generar vapor y acondicionar el proceso.

El producto obtenido se destila en dos o tres columnas para obtener el producto deseado.

Destilación

Antes del almacenamiento se debe separar el producto del resto de los componentes, de los cuales podemos mencionar el agua, hidrocarburos pesados, impurezas además de los compuestos que no reaccionaron. En primer lugar se realiza una separación líquido-vapor, en su gran parte el vapor corresponde a componentes que no reaccionaron, los cuales son enviados nuevamente al reactor de síntesis como corriente de recirculación. El metanol en estado líquido que sale del separador pasa a columnas de destilación alimentada con vapor de agua a baja presión. De la misma obtenemos metanol en condiciones normalizadas.

Almacenaje y despacho

Las áreas donde se produce manipulación y almacenamiento de metanol deberán estar correctamente ventiladas para evitar la acumulación de vapores. Además los pisos serán impermeables, con la pendiente adecuada y con canales de escurrimiento. Si la iluminación es artificial deberá ser antiexplosiva, prefiriéndose la iluminación natural. Así mismo, los materiales que componen las estanterías y artefactos similares deberán ser antichispa. Las distancias entre el almacén y la vía pública serán de tres metros para 1000 litros de metanol, aumentando un metro por cada 1000 litros más de metanol. La distancia entre dos almacenes similares deberá ser el doble de la anterior.

Está prohibido el transporte de alcohol metílico sin contar con los recipientes especialmente diseñados para ello. La cantidad máxima de almacenamiento de metanol en el lugar de trabajo es de 200 litros.

En todas las etapas del transporte y de la distribución, el metanol se debe almacenar con seguridad y manejar responsablemente. Esto reduce al mínimo el riesgo para la población y para el medio ambiente, y preserva la calidad del producto. Los modos más comunes del transporte a granel del metanol por todo el mundo son por: navío, lancha a remolque, ferrocarril, camión y gasoductos. Los procedimientos y sistemas comprensivos sobre el manejo del producto deben estar en vigencia en todos los puntos de almacenaje y transferencia del mismo. Al transferir o almacenar metanol, es preferible usar sistemas dedicados exclusivamente. Los sistemas no dedicados deben lavarse con un chorro de agua y ser puestos a prueba antes de utilizarlos, para asegurar la integridad del producto. El equipo se debe marcar claramente indicando que es sólo para el servicio del metanol. Cuando no esté en uso, el equipo debe protegerse contra la contaminación.