Trabajo Metanol EACON

1. Introducción
1.1
Metanol
Se trata de un hidrocarburo de un único carbono unido a una molécula de alcohol
(CH3OH). Es uno de los hidrocarburos más importantes a nivel industrial, prueba de
ello es el aumento de la producción de este compuesto en los últimos años,
duplicándose su producción mundial en los últimos 20 años. El metanol es una de
las materias primas más importantes en la industria química. Aproximadamente el
85% del metanol producido es usado en
otros procesos para obtener nuevos
productos, en particular formaldehídos,
que a su vez se utilizan en la formación
de plásticos. El restante se utiliza
principalmente como combustible y en
el sector energético.
El metanol es un compuesto tóxico. Su
inhalación o ingestión en altas
concentraciones pueden provocarnos
diversos trastornos, que van desde un
dolor de cabeza, hasta la muerte. Se
considera una dosis letal en seres
humanos, unas cantidades que van desde
0.3 a 1 gramo de metanol por kilo de peso.
Ilustración 1: Molécula Metanol. (Fuente: Wikiwand)
Respecto a los aspectos históricos, la historia del metanol se remonta a 1661,
cuando Robert Boyle logró por primera vez la recuperación del metanol a partir de
vinagre de madera cruda. Justus Von Liebig (1803-1873) y J.B.A. Dumas (18001884) determinaron independientemente la composición del metanol.
Posteriormente Patrat descubrió la síntesis de metanol por hidrogenación de
metales activos y con óxidos de metal como catalizadores. Esto condujo a una
primera planta comercial. El proceso requería presión que iban de 300-1000 atm y
temperaturas de 400ºC. Actualmente se utilizan catalizadores que tienen
comúnmente cobre que permiten trabajar a presiones más bajas.
En 1935 ya se sabía que los catalizadores basados en cobre proporcionaban
ventajas considerables en la síntesis del metanol, permitiendo presiones y
temperaturas más bajas. El primer proceso de síntesis de metanol a bajas
temperaturas fue procesado por ImperialChemical Industrial Ltd (ICI). En ese
momento el alemán Lurgi Gesellschaft desarrolló un proceso de síntesis a baja
presión.
En la actualidad estos dos últimos métodos son los más utilizados, ICI y Lurgi.
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1.2
Propiedades
En condiciones normales es un líquido incoloro, de escasa viscosidad, con un alto
grado de toxicidad e inflamable. La presencia de un grupo alcohol le adquiere
propiedades polares, por lo que se disuelve bien en disolventes polares tales como
el agua. Es un líquido muy volátil al ser sus puntos de fusión y ebullición de -97ºC y
65ºC respectivamente (a presión de 1atm), debido a la presencia del grupo alcohol
en el grupo metilo, ya que, si comparamos estos valores con las temperaturas de
fusión y ebullición de metano, -183°C y -162°C, observamos que la presencia del
grupo hidroxilo aporta una polaridad a la molécula y la posibilidad de formar
enlaces de hidrógeno, y por tanto presentarse en estado líquido, a diferencia del
metano.
2. Producción industrial
2.1
Descripción general del proceso
La forma más utilizada de obtención de metanol a nivel industrial es a partir de la
utilización de gas natural reformado.
La primera etapa es el reforming. La corriente de gas natural se precalienta y
desulfuriza, y aproximadamente la mitad del caudal es mezclado con vapor de agua
para que se una oxidación parcial, obteniéndose H2, CO, CO2 y un 20% de CH4
residual. Esta reacción se produce a 780°C y 40 atm.
Los productos obtenidos salen del reactor y son mezclados con el gas natural
desulfurado, y entran de nuevo en otro reactor donde se lleva a cabo otra
oxidación, esta vez con O2 obtenido del aire. La corriente que sale pasa por un
cambiador de calor, se comprime y se pasa por un catalizador de cobre-zinc para
producir metanol crudo. El metanol crudo se compone de 80% de metanol y 20%
de agua. Para el eliminar el agua se lleva a cabo una destilación, eliminándose
también otros alcoholes e impurezas. El agua separada se reutiliza en el proceso
como vapor.
2.2
Reforming
La primera etapa del proceso viene referida al gas natural, reactivo originario del
que se obtendrá el metanol. El primer paso es desulfurizar y limpiar posibles
impurezas del gas, evitando así complicaciones en el proceso y aumentando así la
efectividad. Posteriormente, el gas natural es dividido en 2 caudales. Uno de estos
es oxidado parcialmente con H2O en forma de vapor. A la salida los dos flujos son
2
unidos y ambos son oxidados con O2, es decir, se lleva a cabo una combustión, con
el objetivo de obtener un gas de síntesis.
2.3
Reactor
El producto sale del reactor donde se da la oxidación
parcial con O2 y debe ser calentado, para ello se
emplea, primero, un compresor del gas de síntesis
donde este se enfría y posteriormente un cambiador
de calor donde el producto saliente del reactor es
calentado con vapor de agua, que condensa cediendo
calor al producto que, a continuación, entra en un
cambiador de calor donde trasferirá calor al gas de
síntesis. Esto se lleva a cabo para buscar las
condiciones óptimas de la formación de metanol,
teniendo en cuenta presión y temperatura, las cuales
han de ser controladas si se desea un proceso de
formación eficiente. Los valores de temperatura han
de estar entre 200°C y 300°C, mientras que los de
presión deben estar entre 5MPa y 10 MPa.
El gas de síntesis entra al reactor de Lurgi, un tipo de
reactor con catalizadores utilizado en la producción
industrial del metanol.
Ilustración 2. Fuente: Ulber.com
Es un reactor con dos camisas. El gas de síntesis a las
condiciones óptimas es introducido en el reactor por
una de las camisas. A la salida, es dirigido a un enfriador, donde entra agua que es
evaporada por el gas de síntesis y condensada en un enfriador. El flujo enfriado por
este cambiador de calor es de nuevo dirigido al reactor por la segunda camisa, a la
temperatura deseada gracias a los sistemas de control implantados, y sale del
reactor el producto entrando al cambiador de calor anteriormente comentando,
donde este se calentaba con agua para que inmediatamente después sea este
quien caliente al gas de síntesis que entra nuevo al reactor.
2.4
Destilado y recogida de metanol
Llegados a este punto el metanol es separado por un separador y se dispone a
entrar en los destiladores, donde se intentará purificar.
Se llevan a cabo 3 destilaciones, la primera donde se eliminan los gases e
impurezas, que son desechados, debido a la diferencia en los puntos de ebullición
del metanol con los otros compuestos, en esto se basa la destilación. Al salir del
primer destilador se dirige al segundo, donde el proceso se repite, se calienta un
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fluido que entra en el destilador, calienta el metanol impuro y comienza a
evaporar. El metanol evaporado será el encargado de calentar el fluido que cederá
el calor en el segundo destilador, enfriándose. Se repite el proceso con el metanol
que no se evapora en el primer evaporador, pasa al segundo y se repite el proceso.
El metanol evaporado saliente del primer evaporador es mezclado con el metanol
evaporado por el segundo destilador. Ambos son enfriados para que condense y se
obtenga metanol líquido, y finalmente son mezclados.
A continuación, podemos un observar un sencillo diagrama de bloques del proceso.
Ilustración 3: Diagrama de bloques.
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3. Sistemas de control
Ilustración 4
Como observamos en la ilustración 4 tenemos dos lazos de control. Uno para un
reactor (lazo de la izquierda) y otro para un cambiador de calor (lazo de la
derecha). En el caso del reactor: en este reactor se produce la catálisis del metanol,
para que este proceso se produzca debemos trabajar a una presión de entre 5 y
10MPa. El objetivo de este lazo de control es comprobar que se cumple ese rango
de presión dentro del reactor. Así mismo medimos la presión en este reactor, el
instrumento mandará una señal eléctrica al sistema de control el cual manda otra
señal eléctrica al último controlador encargado de activar neumáticamente una
válvula para variar el caudal de la alimentación en caso de que la presión no sea la
idónea.
La temperatura del reactor también es un factor importante a tener en cuenta. Por
eso el segundo lazo se encarga de comprobar que el cambiador de calor funcione
de forma correcta. Para ello se mide la temperatura de las dos corrientes de
alimentación, se comparan y, como en el caso anterior, un controlador se encarga
de modificar una de estas corrientes neumáticamente en caso de que exista algún
desajuste en la temperatura.
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Ilustración 5
Mediante el sistema de control que podemos observar en la ilustración 5,
pretendemos controlar la temperatura de salida del cambiador de calor.
El objetivo de este cambiador de calor es calentar con vapor de agua la corriente
que sale del reactor de la que posteriormente se obtendrá el metanol,
El lazo que hemos utilizado en el cambiador de calor es un lazo simple de
retroalimentación, que mide la temperatura a la entrada del fluido frío y del fluido
caliente, y, en función de esta, abre una válvula neumática que actúa en el caudal
del caliente para que, a la salida del cambiador de calor, la temperatura sea la
determinada.
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Ilustración 6
En la ilustración 6, se muestra el sistema de control diseñado para una columna de
destilación en la que queremos que el reflujo que, al salir de la columna es líquido,
se vaporice al pasar por el cambiador de calor para poder volver a introducirlo en
la columna y continuar con el proceso de destilación a una determinada
temperatura.
Para ello, se mide la temperatura en la columna A (en la ilustración la de la
derecha), el valor se compara con uno previamente fijado en el controlador, y este
manda una señal al control de caudal.
Paralelamente, se mide el caudal de metanol que sale de la columna B, (en la
imagen la de la izquierda), y la señal va a un controlador, en el que se comparan
ambas señales (caudal y temperatura) y se determina si hay que abrir o no la
válvula neumática que está situada en la corriente del caudal de metanol que sale
de la comuna B, que actúa como fluido caliente en el cambiador de calor del reflujo
de la columna A.
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Ilustración 7
El sistema de control de la ilustración 7 está diseñado con la intención de controlar la
composición de salida del proceso, puesto que la composición de metanol fabricado
esperamos que sea lo más constante posible.
Para controlar este proceso, debemos conocer la composición en ambas corrientes, la
primera de ellas es la que sale por el segundo destilador, y la segunda la que sale del
tercer destilador. Para ello medimos las concentraciones del producto final de ambos
destiladores, para saber la concentración de metanol. Por la corriente A (corriente del
segundo destilador) tomamos el valor de la concentración, que es mandada a un
controlador y a un operador, que realiza la fracción para obtener la concentración final
deseada, pasa la señal eléctrica a un convertidor, para así poder cambiar esta señal
eléctrica a neumática y que actúe sobre una válvula que regula caudal.
En la corriente B aplicamos el mismo proceso, medimos la concentración, la
mandamos a un controlador. El operador mencionado anteriormente manda una señal
al convertidor de la corriente B, que actúa sobe la válvula para regular caudal. Este
convertidor transforma la señal eléctrica a neumática y esta actúe sobre la válvula.
Este sistema de control permite actuar sobre la concentración final, pues es la mezcla
de dos caudales de composición diferente, regulando los caudales mediante válvulas.
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4. Instrumentación
El equipo al que le vamos a detallar la instrumentación es el reactor, ya que es uno de
los elementos más importantes de todo el proceso y del que mejor se conoce las
condiciones de trabajo, puesto que, como se ha visto anteriormente, tienen que estar
en un determinado rango. En este equipo hay un medidor de temperatura y de
presión, que deben de ajustarse a sus respectivos rangos en los que trabaja el reactor,
por lo que no podemos utilizar una instrumentación cualquiera. Los que hemos
considerado más apropiados son los siguientes.
4.1 Medidor de temperatura
Para que el sistema de control se ponga en marcha, es necesario determinar la
temperatura a la que circula el producto por la tubería, para ello utilizamos medidores
de temperatura.
Ilustración 8. Partes de termorrestistor. (Fuente: Lioso.net)
Para este proceso utilizamos como medidores de temperatura las termorresistencias,
elementos de medición de temperatura basados en la resistividad que presenta un
material semiconductor al aplicar calor.
Hemos decidido optar por este aparato de medida puesto que se trata de un medidor
fiable, con una precisión y exactitud que se ajusta a lo que necesitamos para el
proceso. El intervalo de temperaturas de aplicación es bastante amplio, entre -200ºC y
600ºC, suficiente para nuestro proceso que se debe encontrar entre los 200ºC y 300ºC.
Aunque el tiempo de reacción del aparato es alto, hemos decidido escogerlo ya que el
intervalo del proceso es grande y podemos permitir que haya pequeñas variaciones
debido al tiempo que tarda la termorresistencia en responder.
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Podríamos haber escogido otro aparato de medida más preciso como el termistor,
pero el intervalo de temperaturas de aplicación no se ajustaba al deseado, así como un
pirómetro, que son mucho más exactos y precisos, aunque para nuestro proceso la
termorresistencia se ajusta bien y económicamente más eficiente que un pirómetro
cuyo precio es más elevado.
4.2. Medidor de presión:
Ilustración 9. Medidor de presión. (Fuente: vega.com)
Para realizar la medición de la presión en el reactor utilizaremos el EI VEGABAR 81.
Esto es un transmisor de presión. Este instrumento trasmite la presión aplicada en una
señal eléctrica. Esta señal es evaluada por el controlador y en función de la presión
obtenida se variará el caudal de la corriente que entra al reactor. El VEGABAR 81
dispone de un sistema de aislamiento completamente soldado con fluido interno de
transferencia, lo que asegura una gran garantía y duración del elemento.
Los rangos de temperatura y presión en los que trabaja este instrumento se adecuan
perfectamente a nuestras necesidades. Pues en el caso de la temperatura este oscila
entre -90ºC y 400ºC, en el reactor tendremos un rango de temperatura de 200-300ºC.
En el caso de la presión abarca un amplio margen que es de -1 a 1000 bar en el cual se
incluye el rango de presión con el que trabajaremos en nuestro reactor, que va de 5 a
10MPa.
En el anexo podremos ver la ficha completa del instrumento con todas sus
características.
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5. Bibliografía.
Creus Solé, Antonio (2005). Instrumentación Industrial, Marcombo, (7a.ed)
Bohnet, M; (2003). Ullmann's encycopedia of industrial chemistry, Wiley-VCH, (6a.ed)
www.vega.com (9/11/2016)
www.ge-iic.com (17/10/2016)
www.químa.laguia2000.com (1//10/2016)
www.textoscientificos.com (27/10/2016)
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