Proceso de formaldehído apartir de metanol, Resúmenes de Química Organometálica

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B. MEMORIA

B.1. MEMORIA DESCRIPTIVA

ÍNDICE

• 1. Antecedentes
     • 1.1. Proceso en planta
     • 1.2. Interacciones entre ambos procesos
  • 1.3. Características globales de la planta
• 2. Introducción
     • 2.1. Gas natural y su industria
     • 2.2. Aplicaciones del formaldehido
  • 2.3. Comercio del formaldehido y empresas..........................................................................
  • 2.4. Perspectivas de futuro
• 3. Objeto del proyecto
• 4. Viabilidad del proyecto
     • 4.1. Viabilidad técnica - 4.1.1.Proceso y alternativas del proceso - 4.1.1.1. Planta basada en catalizadores de plata - 4.1.1.2. Planta basada en catalizadores de óxidos metálicos - 4.1.2.Comparativa de ambas plantas - 4.1.3. Desviaciones frente al proceso general
  • 4.2. Viabilidad económica.......................................................................................................
  • 4.3. Viabilidad legal.................................................................................................................
• 5. Localización de la planta
     • 5.1. Elección de la localización
       • 5.2. Ventajas de la zona escogida
       • 5.3. Características de la zona
• 6. Distribución del proceso.................................................................................................
     • 6.1. Distribución en planta
     • 6.2. Distribución del proceso en estudio................................................................................
     • 6.3. Distancias mínimas entre equipos
• 7. Materias primas y productos
     • 7.1. Materias primas - 7.1.1. Metanol - 7.1.2. Catalizador............................................................................................................
  • 7.2. Servicios generales - 7.2.1. Agua - 7.2.2. Aire - 7.2.3. Electricidad............................................................................................................. - 7.2.4. Material de aislamiento - 7.3. Producto
• 8. Proceso de obtención de formaldehido
     • 8.1. Descripción del proceso - 8.1.1. Recepción y almacenamiento de materias primas - 8.1.2. Acondicionamiento de materias primas - 8.1.3. Reacción - 8.1.4. Enfriamiento.......................................................................................................... - 8.1.5. Acondicionamiento del producto - 8.1.6. Almacenamiento del producto
• 9. Diseño del intercambiador IC-01.....................................................................................
     • 9.1. Criterios para el diseño del intercambiador - 9.1.1. Elección del tipo de intercambiador - 9.1.2. Normativa y código de diseño de intercambiadores de carcasa y tubos.............. - 9.1.3. Selección de la trayectoria de flujo
       • 9.2. Diseño del intercambiador IC-01 - 9.2.1.Elementos fundamentales del intercambiador - 9.2.2. Características del intercambiador
• 10. Diseño del intercambiador IC-02
      • 10.1..Elementos fundamentales del intercambiador
      • 10.2. Características del intercambiador
• 11. Diseño del reactor R-01
      • 11.1. Tipo de reactor
        • 11.2. Catalizador - 11.2.1.Características del catalizador............................................................................. - 11.2.2. Condiciones de operación - 11.2.3. Cinética
        • 11.3. Diseño del reactor......................................................................................................... - 11.3.1. Selección de la trayectoria de flujo y caracterización de las corrientes - 11.3.2. Elementos fundamentales del reactor - 11.3.3. Características del reactor - 11.3.4. Comprobación del correcto funcionamiento
• 12. Diseño del intercambiador IC-03
      • 12.1..Elementos fundamentales del intercambiador
      • 12.2. Características del intercambiador
• 13. Diseño del absorbedor A-01
      • 13.1. Tipo de absorbedor
      • 13.2. Cinética
      • 13.3. Diseño del absorbedor - 13.3.1. Elementos fundamentales del absorbedor - 13.3.2. Características del absorbedor
• 14. Diseño del intercambiador IC-04 - 14.1..Elementos fundamentales del intercambiador - 14.2. Características del intercambiador
• 15. Diseño del mezclador M-01
• 16. Diseño del sistema de almacenamiento - 16.1. Diseño de los depósitos - 16.2. Cubeto de retención
• 17. Diseño del sistema de tuberías y accesorios - 17.1. Diseño de tuberías
      • 17.2. Accesorios
• 18. Diseño del sistema de impulsión................................................................................. - 18.1. Bombas
      • 18.2. Soplantes
• 19. Control e Instrumentación.......................................................................................... - 19.1. Variables de operación
      • 19.2. Lazos de control en la planta - 19.2.1.Control en la Sección de Reacción.................................................................. - 19.2.2. Control en la Sección de Acondicionamiento................................................ - 19.2.3. Instrumentación.............................................................................................
• 20. Seguridad
  • 20.1. Fundamentos teóricos de la seguridad - 20.1.1. Legislación aplicable - 20.1.2. Análisis de riesgos y establecimiento de medidas preventivas - 20.1.2.1. Tipos de riesgos básicos.................................................................... - 20.1.3 Protección individual - 20.1.4. Alumbrado - 20.1.5. Gestión de la seguridad - 20.1.6. Higiene industrial - 20.1.7. Planes de emergencia y evacuación...............................................................
    • 20.2. Seguridad en el proceso - 20.2.1. Riesgo químico - 20.2.2. Riesgo físico - 20.2.3. Riesgo de incendio y explosión - 20.2.4. Riesgo eléctrico - 20.2.5. Riesgo en la manipulación de máquinas y herramientas de trabajo............. - 20.2.6. Riesgo en la línea de proceso - 20.2.7. Riesgo en el almacenamiento de productos químicos
• 21. Mantenimiento
      • 21.1. Funciones del mantenimiento......................................................................................
  • 21.2. Tipos de mantenimiento
    • 21.3. Política de mantenimiento
  • 21.4. Costes de mantenimiento
  • 21.5. Plan de mantenimiento
    • 21.6. Plan de mantenimiento del proceso - 21.6.1. Priorización de equipos - 21.6.2.Mantenimiento de los equipos
  • 21.7. Puesta en marcha
• 22. Medio Ambiente
  • 22.1. Definiciones de conceptos importantes
    • 22.2. Normativa
  • 22.3. Contaminación atmosférica.........................................................................................
  • 22.4. Contaminación de las aguas
    • 22.5. Residuos
  • 22.6. Ruido
  • 22.7. Evaluación de impacto ambiental - 22.7.1. Evaluación de impacto ambiental de la línea de proceso
• BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................

Figura 1.1. Proceso simplificado de obtención de metanol a partir de gas natural

Figura 1.2. Proceso simplificado de obtención de formaldehido a partir de metanol

El proceso comienza con la línea de proceso explicada en el Proyecto Fin de Carrera “ Diseño de una planta de producción de formaldehido. Parte 1: Diseño del proceso de obtención de metanol a partir de gas natural ”. El proceso se inicia con el suministro de gas natural que es mezclado con vapor de agua, y dicha mezcla se comprime y se calienta hasta unas condiciones adecuadas para que dichas sustancias reaccionen formando gas de síntesis (CO y H 2 ). Para dicha reacción, al ser endotérmica, se necesita un aporte de calor continuo, por lo que existe un generador de gases calientes (alimentado con gas natural) que envía dichos gases a la carcasa del reactor para su calefacción. Dichos gases se producen al llevarse a cabo la combustión del gas natural con el aire atmosférico.

En dicho reactor circula por la carcasa los gases calientes, y por los tubos reacciona la mezcla de agua y gas natural. Los gases producidos en la combustión, después de ser acondicionados, se emiten a la atmósfera.

Posteriormente al paso de la mezcla por el reactor, se produce una recirculación parcial de dicha corriente, y la mayor parte de ella se enfría y acondiciona para llegar a un absorbedor.

La reacción del agua y el gas natural, además de no ser completa, posee una reacción paralela no deseada, siendo el producto de esta reacción el CO 2 y el hidrógeno. Debido a que el CO 2 es perjudicial para procesos posteriores, se debe eliminar. Para ello se usa una columna de absorción donde la corriente de salida del reactor se pondrá en contracorriente con una corriente de agua con sosa. Dicha corriente líquida será la responsable de la captación del CO 2.

Posteriormente, la corriente gaseosa para por una membrana donde se dividirá el CO y el H 2. Ambas corrientes se enviarán a depósitos esféricos donde se almacenarán, comercializándose parte del hidrógeno almacenado debido a que se encuentra en exceso con respecto al CO para la consecución de la siguiente reacción.

Las corrientes de CO e H 2 se mezclan en una determinada proporción y se acondicionan para entrar en un reactor donde se producirá la conversión de ambos en metanol. Dicha corriente de metanol se enfriará y se pasará por un condensador donde el metanol condensará saliendo como líquido del proceso, y la parte gaseosa de la corriente será recirculada otra vez al reactor.

El metanol se almacenará en depósitos, y parte se comercializará, pero otra parte será enviada al segundo proceso, donde se obtendrá el formaldehido.

A partir de aquí comienza el proceso diseñado en el presente Proyecto Fin de Carrera “ Diseño de una planta de producción de formaldehido. Parte 2: Diseño del proceso de obtención de formaldehido a partir de metanol ”. Así, ese metanol que se destina a la producción de formaldehido se mezcla con el aire atmosférico y se calentará para alimentar un reactor donde el metanol y el oxígeno del aire reaccionarán obteniéndose formaldehido. Dicha corriente de salida del reactor se enfriará y se mandará a un absorbedor.

El formaldehido es una gas a temperatura ambiente, pero en contacto con el agua reacciona formando metilenglicol, que es un compuesto muy soluble en agua. Por ello se usa la columna de absorción, donde la corriente gaseosa de salida del reactor se pone en contacto en contracorriente con una corriente líquida formada por agua y formaldehido disuelto. Dicha corriente líquida será la responsable de captar el formaldehido gaseoso. La corriente gaseosa de salida del absorbedor será enviada a antorcha.

Después de haber sido captado el formaldehido por la corriente líquida, dicha corriente se enfría (la reacción entre agua y formaldehido es exotérmica) y se recircula parcialmente al absorbedor. Esa corriente que se va a recircular, se mezcla con agua fresca previamente a su entrada al absorbedor.

La parte de la corriente no recirculada se enviará a un mezclador con agitación, donde se le adicionará agua a la disolución para alcanzar la concentración deseada de formaldehido en agua. Finalmente, la mezcla de agua y formaldehido se envía a unos depósitos de almacenamiento para su posterior distribución y venta.

El proceso diseñado en el presente Proyecto Fin de Carrera será explicado con mucho mayor detalle durante todo los documentos de los que consta.

Existen otras cuestiones que han sido estudiadas para la elección de la ubicación de la planta, comunes a ambos procesos y otras particulares de cada uno. Para más información véase el Capítulo 5 de la presente Memoria Descriptiva.

Otra cuestión que es general en la planta es la distribución de equipos, edificios e instalaciones en la planta. Por ello, se ha realizado una distribución de toda la planta en su conjunto, realizando alguna apreciación particular a cada proceso (condiciones debidas a la presencia de productos inflamables y tóxicos). En dicha distribución se han representado, además de las instalaciones comunes, ambos procesos de forma simbólica, pero en el presente Proyecto Fin de Carrera sólo se va a profundizar en la distribución de los equipos que componen el proceso en estudio.

Para observar dicha distribución, tanto la de la planta en conjunto como la del proceso en estudio, véase el Capítulo 6 de la presente Memoria Descriptiva.

Además, existen instalaciones que son comunes a la planta (suministro y tratamiento de aguas, suministro y transformación eléctrica, gestión de residuos, etc.). Estas instalaciones se construirán con la capacidad suficiente para soportar los requisitos que les impongan ambos procesos en conjunto. La construcción y el diseño de dichas instalaciones no es el objeto del presente Proyecto Fin de Carrera.

Además de todo ello, existen cuestiones que son generales a toda la planta como son los requisitos legales y la normativa, fundamentos teóricos del mantenimiento, seguridad y medio ambiente, etc.

1.3. Características de la planta

En este apartado se expondrán las características generales de la planta.

La planta en estudio se encontrará localizada en el municipio de San Roque, provincia de Cádiz, estando enfocada la producción a la fabricación de formaldehido al 37% en agua, aunque se comercializarán como productos intermedios hidrógeno y metanol. La materia prima empleada es el gas natural proveniente de los gaseoductos que existen por la zona.

La planta en estudio funcionará durante 330 días al año, 24 horas cada uno de dichos días. Por tanto, el periodo de parada se prolongará durante un mes aproximadamente (30 días y 5 días para puesta en marcha).

Debido al horario de la planta habrá puestos de trabajo que estarán divididos en turnos, así existirán para dichos puestos tres turnos distintos (mañana, tarde y noche) de 8 horas laborables diarias cada uno. En cambio, existirán otros puestos de trabajo, debido a la no necesidad de presencia en la planta en todo momento, que serán de un solo turno en horario partido o continuo de 8 horas diarias (el modelo de horario de dichos puestos será escogido por la Dirección de la planta).

En los puestos de trabajo que están por turnos se encuentran los operarios de proceso y producción, los operarios de mantenimiento, los técnicos de control y el médico de la empresa, además de los encargados de los turnos (habrá 4, uno por turno y uno de reserva).

En cuanto a los puestos de trabajo con un turno diario se encuentran los puestos directivos (Dirección general, gerente, jefe/a de producción, jefe/a de personal, jefe/a de mantenimiento, jefe/a de ingeniería y diseño, jefe/a de control, y jefe/a de calidad y medio ambiente), los técnicos de seguridad (2 técnicos superiores en prevención de riesgos laborales y 2 de rango intermedio que formarán el servicio de prevención propio), los operarios de administración, ingeniería, compras, almacén, calidad-medio ambiente, laboratorios y secretarios/as.

El resto de puestos de trabajo serán adquiridos mediante subcontratas, becarios y alumnos en prácticas y otros métodos. Entre los puestos de trabajo que ocuparán dichos contratas ajenas a la empresa se encuentran los encargados de limpieza de los edificios, transportistas, seguridad de la planta, operarios de proceso y producción, personal contra incendios, personal contratado para el periodo de parada y puesta en marcha, etc.

En cuanto a los puestos para becas y prácticas en empresas se ofertarán dependiendo de la necesidad en las siguientes áreas: laboratorios, seguridad, compras y gerencia, control, calidad-medio ambiente, administración, ingeniería, y proceso.

En total existirán 100 puestos de trabajo fijos en la planta, llegando a 150 trabajadores contando con los puestos ocupados por subcontratas y personal de prácticas y becarios. En periodo de parada dicha cifra de puestos puede alcanzar los 200 trabajadores.

La planta buscará la acreditación por la serie de normas ISO 9000 (Calidad) y 14000 (Medio Ambiente), y cumplirá todos los requisitos legales de la Ley 31/95 de Prevención de Riesgos Laborales. Para ello poseerá las necesarias medidas de seguridad (contra incendios y contra fugas debido a las inflamabilidad y toxicidad de algunas sustancias químicas usadas), de higiene industrial, ergonómicas y psicosociales, y de vigilancia de la salud; medidas de calidad del producto y servicios, y de gestión de la producción; medidas de evaluación de impacto ambiental y las medidas de disminución de dicho impacto, medidas de gestión de residuos, de vigilancia del entono natural, etc.

Por último, al comercializarse tres productos distintos (hidrógeno, metanol y formaldehido), la planta es muy versátil, pudiéndose adaptar fácilmente a las necesidades del mercado. Además, los tres productos son muy demandados y tienen muchas aplicaciones, lo que facilita enormemente la labor de venta.

Desde esa época hasta la actualidad, la industria ha visto la gran cantidad de aplicaciones en las que se puede emplear el gas natural además de su uso como combustible; de ahí aparecen todas las industrias químicas derivadas del gas natural (si bien no existe un nombre comúnmente aceptado para estas industrias como ocurre con las industrias petroquímicas).

Del gas natural se pueden obtener casi los mismos productos que con la industria del petróleo (mediante reformado o craqueo), pero gran parte de ellos se obtienen con mayor dificultad a partir de gas natural que a partir de petróleo, por lo que en estos casos se usa el crudo para producir estos productos.

En cambio existen otros productos en los que la obtención a partir de petróleo es dificultosa, siendo el proceso y la producción a partir de gas natural mucho más sencilla, por lo que se opta por el gas natural en este caso.

El proceso en estudio es uno de estos procesos en los que es más sencillo el uso de gas natural, además de que posee otras ventajas ya citadas como son el respeto al Medio Ambiente, la menor cantidad de impurezas y sustancias que son inertes o venenos para los catalizadores, el buen suministro de éste mediante gaseoductos, etc.

2.1. Gas natural y su industria

El gas natural está compuesto básicamente por metano, etano, propano y nitrógeno en diferentes proporciones dependiendo del origen de éste. A pesar de ello, el metano suele ser siempre superior al 85% de la corriente. Además de estas sustancias, existen impurezas de azufre, CO 2 , agua, hidrocarburos pesados, etc. que hacen necesaria su eliminación previa a su transporte y su distribución. Tabla 2.1. Composición típica del gas natural

Así, el primer proceso al que se lleva a cabo con el gas natural posteriormente a su extracción es la eliminación de condensados y restos del petróleo mediante sistemas LTX (“Low Temperature Separator”) o mediante una separación sencilla por despresurización.

Posteriormente se elimina el azufre y el CO 2 mediante tratamiento con aminas, y después se elimina el agua mediante deshidratación con glicoles o por deshidratación con sólidos desecantes.

Finalmente se eliminan los líquidos del gas natural por absorción o absorción criogénica. Ya listo el gas natural para su transporte o distribución, se presuriza y se le adiciona mercaptanos. Los mercaptanos son compuestos de azufre con un olor característico que se le añaden al gas natural debido a que este carece de olor. Así, en caso de fugas o escapes, es fácilmente detectable dicha avería, evitando así males mayores. Dichos mercaptanos se eliminan antes de entrar en la planta.

Entre las industrias que usan gas natural para la obtención de diferentes sustancias se pueden nombrar la fabricación de acetileno, etileno, hidrógeno, metanol, ácido acético, formaldehido, urea, dimetiléter, amoniaco, etc.

2.2. Aplicaciones del formaldehido

El formaldehido en sí mismo no tiene aplicaciones, excepto la de conservante de tejidos (en medicina se usa ampliamente, aunque sólo se usa un 1% del formaldehido producido mundialmente para dicho propósito). En cambio, posee muchas aplicaciones en cuanto a elaboración de otros productos que sí son útiles.

Así, el formaldehido que se obtiene en la planta puede ser usado en multitud de aplicaciones, como son la obtención de resinas, adhesivos, desinfectantes, fertilizantes, jabones y detergentes, vacunas, medicinas, etc. y por industrias, en la industria textil y del cuero, farmacéutica, cosmética, maderera, papelera, del corcho, de fertilizantes, eléctrica y electrónica, etc.

La principal aplicación del formaldehido es la obtención de resinas que se usan ampliamente en la industria papelera, del corcho, maderera y de adhesivos. Dichas resinas tiene como uso principal el ser aglutinantes de partículas o porciones de material (es decir, actúan como adhesivos). Así aglutinan las cadenas de celulosa para la formación de papel, las partículas de madera para formar conglomerados, las láminas de madera para formar laminados y trozos de corcho para obtener corchos de diferentes formas y volúmenes.

Las resinas son polímeros termoestables (son duros y rígidos, pero no se pueden volver a moldear usando un aumento de la temperatura) que se producen por la reacción directa del formaldehido con otra sustancia. Las resinas se nombran a partir de las sustancias de las que parten; así los tres tipos básicos de resinas son las resinas urea-formol, las resinas fenol-formol y las resinas melanina-formol.

2.3. Comercio del formaldehido y empresas

La producción y el comercio del formaldehido en el mundo han ido variando conforme el paso del tiempo. Así, en 1998, los mayores productores eran Europa (32%), Estados Unidos (30%) y Japón (8%), mientras que en la actualidad el mayor productor mundial es China, seguida de Europa y EEUU.

Según estudios recientes, a principio de 2006 existían en China 300 industrias productoras de formaldehido con una capacidad total de 11 millones de toneladas al año y un consumo de 6- millones de toneladas. Se ha observado que en el año 2009 China ha tenido una sobreproducción de formaldehido, exportándose todo el producto sobrante a distintos países.

En cuanto a EEUU, sobre el 75% del formaldehido producido se destina a la producción de resinas para maderas laminadas y conglomeradas. En EEUU en el año 2000 el formaldehido era el compuesto químico número 26 en volumen de producción (Wittcoff et al., 2002). Existían en EEUU 40 plantas que producían formaldehido, y 11 en Canadá en 2006. Alrededor de dos terceras partes del los productos de madera manufacturados en EEUU se exportan a otros países.

El crecimiento del mercado en EEUU se predijo que sería del 1% al año hasta 2010 de acuerdo con ICB Americas (el estudio es de 2007), creciendo la demanda en los EEUU de 4,76 millones de toneladas en 2006 a 4,96 millones de toneladas en 2010.

En la siguiente tabla se puede observar la producción de formaldehido en el año 2003 (véase como había aumentado la producción del año 2003 al 2006 (el dato anteriormente citado de 4,76 millones de toneladas)): Tabla 2.2. Producción en el año 2003 en EEUU de formaldehido (Global Insight, Marzo 2006)

Sustancia

Cantidad (Millones de Tm) Aplicaciones Principales Dicloruro de etileno 9952 PVC MTBE 7375 Aditivo de gasolinas Etilbenceno 5575 Obtención de estireno Estireno 5239 Poliestireno

Formaldehido 4325

Resinas termoestables y otros productos químicos

Las transacciones económicas que se mueven en torno al formaldehido en EEUU, los trabajos que generan las industrias que lo fabrican y otros términos económicos se pueden observar en la siguiente tabla:

Tabla 2.3. Parámetros económicos en el año 2003 en EEUU generados por la producción de formaldehido (Global Insight, Marzo 2006)

Sustancia Unidades

Industria del formaldehido

Economía de EEUU

Tanto por ciento del total Ventas 109 $/año 127,3 11000 1,2 % Empleos totales 106 trabajadores 3,6 108 3,3 % Salarios totales 109 $/año 112,1 6300 1,8 % Inversión en capital fijo

En la siguiente tabla se pueden observar los principales destinos del formaldehido producido y el dinero generado en dichas actividades en el año 2003 en EEUU:

Tabla 2.4. Destinos y beneficios de la producción de formaldehido en EEUU en el año 2003 (Global Insight, Marzo 2006)

Uso final del formaldehido Valor económico en 2003 (10^9 $/año) Resinas urea-formaldehido (UF) 3, Resinas fenol-formaldehido (PF) 4, Resina poliacetal 0, 1,4-Butenodiol (BDO) 0, MDI 2, Pentaeritritol 0, Control de Ventas de Fertilizantes 0, Resinas melanina-formaldehido (MF) 0, Otros productos y derivados 5, Beneficios totales 17,

Como se puede observar en la tabla anterior, la mayor parte de la producción de formaldehido se destina a las resinas de urea-formol y fenol-formol, y otros compuestos importantes son las resinas MDI (resinas muy novedosas que se usan en la industria automovilística) y las resinas melanina-formol.

En cuanto a Europa, al ser un mercado maduro, los crecimientos son bajos (un 2% al año), pero en zonas del Este de Europa los crecimientos son del 5% y en Rusia del 7% al ser mercados recientes.

Las principales empresas productoras de formaldehido en el mundo son:

• Hexion, multinacional que posee varias plantas en el mundo (en Europa posee una fábrica en Rotterdam, Países Bajos, y tiene otras fábricas en Australia, Latinoamérica, Asia y Norteamérica).
• Borden, EEUU