PRODUCCIÓN_DE_AMONIACO A PARTIR DE GAS NATURAL.pptx
1. Universidad Nacional del Centro del Perú
Facultad de Ingeniería Química
PRODUCCIÓN DE AMONIACO A PARTIR DE GAS
NATURAL
Estudiantes:
• GASPAR NUÑEZ RAÚL JESÚS
• GOMEZ CERNA, DILVER BRANDON
Cátedra: MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS
FECHA DE PRESENTACIÓN: 26/01/2024
HUANCAYO – PERÚ
2024
Catedrático: Guevara Yanqui Pascual Víctor
2. OBJETIVO GENERAL:
• Desarrollar el diseño de un proceso productivo para
la producción de amoniaco a partir de gas natural
para su posterior simulación
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Realizar un estudio de mercado para la producción de
amoniaco en Perú
• Determinar la capacidad a la que operará la planta
• Determinar el proceso que se usará para la producción de
amoniaco
• Realizar el diagrama de flujo
• Realizar los balances de materia y energía
• Realizar el análisis termodinámico del proceso
4. El amoniaco es un gas incoloro y tóxico, comercializado en forma líquida como amoniaco anhidro. Es altamente
soluble en agua y actúa como una base fuerte, siendo corrosivo y reaccionando violentamente con ácidos,
oxidantes fuertes y halógenos. Su molécula (NH3) tiene una geometría piramidal trigonal y, en solución acuosa,
puede comportarse como una base, formando el ion amonio (NH4
+
)
Descripción del producto: Amoniaco
Propiedades físicas y termodinámicas
Generalidades:
Peso molecular Condiciones Valor
Peso molecular 0°C, 1 atm 17.03 g/mol
Olor --- Pungente y sofocante
Estado 0°C Gas
Aspecto --- Gas o líquido incoloro
Densidad líquida 1 atm 683 kg/m3
Densidad del gas 20°C, 1 atm 0.723 kg/m3
Punto de ebullición 1 atm -33.4°C
Punto de congelación 1 atm -77,7°C
Presión crítica --- 114.5 bar
Temperatura crítica --- 132°C
Presión de vapor 0°C 4.15 bar
Calor específico 0°C 2097.2 J/kgK
Calor de vaporización --- 5.581 kcal/mol
Solubilidad en agua 02°C 51 g/100g
Viscosidad 35°C 0.255cP
Temp. Autoignición --- 651°C
pH 0.02-1.7% sol. acuosa 10.6-11.6
5. • Úrea
• Nitrato de amonio
• Sulfato de amonio
• Fosfatos de amonio
• Ácido nítrico
• Soluciones nitrogenadas
A escala mundial, 85-90% del
amoniaco se consume como
fertilizantes nitrogenados.
Aplicaciones:
6. Descripción de la materia prima
El amoniaco se produce mediante la reacción catalizada de nitrógeno e hidrógeno. El nitrógeno proviene del
aire atmosférico, mientras que el hidrógeno, esencial para el proceso, se obtiene principalmente a través de la
reformación con vapor de combustibles fósiles.
9. Producción nacional
Dado que el 85% del consumo mundial de nitrógeno se destina a fertilizantes, se espera un crecimiento proporcional a la
población mundial en la producción de amoniaco. En Perú, la ley de promoción del gas natural impulsa inversiones en
proyectos que utilizan este recurso como materia prima. Con grandes reservas energéticas, Perú podría convertirse en un
productor clave de amoniaco, siendo potenciales clientes países vecinos importadores. Aunque existe la opción de
exportar amoniaco, el enfoque se centra en satisfacer la demanda interna de fertilizantes para evitar la salida de divisas
del país.
Importaciones históricas de fertilizantes nitrogenados:
Año Nitrato de amonio (ton) Urea
(ton)
Sulfato de amonio (ton)
2006 62 459 295 422 63 128
2007 123 541 368 191 94 830
2008 118 367 277 036 113 473
2009 24 186 425 205 104 745
2010 32 415 317 628 128 037
2011 31 140 383 547 121 989
2012 44 614 405 676 145 472
2013 53 326 367 542 181 552
2014 94 586 341 863 134 223
2015 101 090 424 277 188 024
Fuente: Gutiérrez, 2019 (datos hasta el 2018. p. 18
https://repositorio.unprg.edu.pe/bitstream/handle/20.500.12893/8621/Chuquimbalqui_Arellanos_Oscar_Enrique_y_Ramos_Chunga_Diana_Briggite.pdf?sequen
ce=3&isAllowed=y
10. Proyección de la demanda
Año Nitrato de
amonio (ton)
Urea
(ton)
Sulfato de
amonio (ton)
2016 64565.5 408481.6 189430
2017 63837 417180.2 200681
2018 63108.5 425878.8 211932
2019 62380 434577.4 223183
2020 61651.5 443276 234434
2021 60923 451974.6 245685
2022 60194.5 460673.2 256936
2023 59466 469371.8 268187
2024 58737.5 478070.4 279438
2025 58009 486769 290689
Año Nitrato de
amonio (ton)
Urea
(ton)
Sulfato de
amonio (ton)
2016 130000.4 391516.12 182698.68
2017 164964.6 390959.68 190278.52
2018 205877.6 388860.68 197246.52
2019 212739.4 385219.12 203602.68
2020 235550 380035 209347
2021 264309.4 373308.32 214479.48
2022 219017.6 365039.08 219000.12
2023 249674.6 355227.28 222908.92
2024 226280.4 343872.92 226205.88
2025 257 573 330976 228 891
Pronostico a través de un ajuste lineal:
Pronostico a través de un ajuste polinomial:
11. y = -728.5x + 72579
R² = 0.0034
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Nitrato de Amonio
y = 8698.6x + 312797
R² = 0.2567
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Urea
y = 11251x + 65669
R² = 0.8089
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Sulfato de amonio
Gráficos del pronostico a través de un ajuste lineal:
13. Con los datos históricos de las importaciones de los fertilizantes nitrogenados se proyecto la demanda de estos
productos para dentro de 1 año en nuestro país.
Para el año 2025 se obtuvo las siguientes proyecciones:
• Nitrato de amonio fertilizante: 257 573 toneladas
• Urea: 330 976 toneladas
• Sulfato de amonio: 228 891 toneladas
Por lo tanto se producirá 272 480 TN en promedio de amoniaco anualmente, trabajando aproximadamente 8 000 horas
al año
Como se analizó en la proyección de demanda para el periodo 2025, existirá una demanda anual promedio de 272
480 TN. Por ello el presente proyecto tendrá una capacidad definida en una operación continua de 8 000 horas al
año, lo cual corresponde a una producción horaria de 3 406 kg/dia, el proyecto además, abarcará el 20 % de esta
demanda de importaciones dentro del territorio peruano, es decir, se fabricará unas 680 kg/h que es igual a una
producción de 200 kmol/h de amoniaco líquido.
Demanda a satisfacer
14. Según reporte de QuimiNet.com al 2016 el precio del amoniaco puesto en puerto Callao varía entre 400 a 500 dólares
americanos la tonelada.
Sin embargo debe tenerse en cuenta que este precio está influenciado por la disminución en el precio del barril del crudo
y del gas natural.
En el mercado americano el precio de agosto 2018 llego a un valor de 512 dólares la tonelada. El precio promedio desde
2009 al 2018 tiene una variación de 620 a 660 dólares la tonelada, actualmente el precio varia entre los 1500 y 1700
dólares.
PRECIO DEL AMONIACO
15. Determinación de la capacidad de la planta
• Empresa Fertiberia: con posibilidad de ubicar una planta en Piura o en Pampa Melchorita en Pisco,
proyecta producir 1,1 millones de toneladas al año de amoniaco, de las cuales 700 000 ton se usaría
para producir urea y 400 000 ton para producir nitrato de amonio grado ANFO. Para urea contempla
mercados de Perú, Ecuador, Colombia, México y Estados Unidos. Para el ANFO el mercado seria la
minería peruana y chilena.
• Nitratos del Perú: tiene en proyecto 700 000 toneladas de amoniaco por año para producir 925
ton/día de ácido nítrico y 1 050 ton/día de nitrato de amonio (350 000 toneladas/año). Inversión
estimada de 650 millones de dólares. El proyecto se localiza en el distrito de Paracas, provincia de
Pisco, Región Ica.
• Olympic: tiene un proyecto a desarrollarse en Piura, con una inversión de 45 millones de dólares
para procesar 3,8 MMpc por día de gas para producir 50 000 toneladas de amoniaco al año, que
servirán para producir 70 000 toneladas de urea.
16. Ubicación de la planta
El factor principal para la ubicación de una planta de producción
de amoniaco es la cercanía a la fuente de materia prima que en
este caso es el gas natural.
En la actualidad existen gaseoductos como el que llega a San
Juan de Marcona y la provincia de Ica y transporta 200 MMPCD.
Otro gaseoducto es el Andino del Sur que lleva gas desde
Camisea a Cuzco, Arequipa, Puno, Ilo, Moquegua y Tacna.
De acuerdo a la distribución de gas natural se tiene que Pisco,
Ica, Marcona, Arequipa, Mollendo e Ilo tendrían asegurado el
abastecimiento de materia prima para el desarrollo del
proyecto.
18. Análisis de tecnologías
El proceso Haber-Bosch es utilizado para la síntesis de
amoníaco a partir de nitrógeno y hidrógeno gaseosos
en presencia de un catalizador de hierro. Aunque la
reacción es exotérmica, a temperatura ambiente la
velocidad de formación de NH3 es casi nula debido a
una alta energía de activación relacionada con la
estabilidad del N2. Haber superó esto usando un
catalizador y aumentando la presión. Modificaciones
incluyen la fuente del gas de síntesis y las condiciones
de obtención del NH3. El 77% de la producción
mundial de amoníaco utiliza gas natural, con el 85%
empleando procesos de reformado con vapor.
Métodos para la manufactura de amoniaco
Gasificación
Conversión de CO
Purificación del gas
Síntesis
19. Procesos tradicionales de producción de
amoniaco
• Proceso de Electrolisis
• Oxidación parcial de hidrocarburos
• Pre-reformado adiabático
• Proceso de gasificación del carbón
• Reformado con vapor
Nuevos desarrollos en la tecnología de
amoniaco
• Proceso LCA (Leading Concept Ammonia) de ICI
• Proceso Haldor Topsoe A/S
• Proceso de Amoniaco Avanzado de Kellogg Brown & Roots-
KAAP
• El proceso de amoniaco con el Concepto de Amoniaco de
Linde (LAC)
20. La tecnología más extendida y eficiente para producir hidrógeno a gran escala es el reformado catalítico de
gas natural con vapor (SMR, Steam Methane Reforming). Este proceso opera a temperaturas de 800-900ºC
y presiones de 15-30 bar, siendo energéticamente eficiente y rentable en comparación con otras
tecnologías de producción de hidrógeno.
Selección del proceso
21. Descripción del proceso
Reformado de gas natural y preparación del gas de síntesis
El reformado de gas natural con vapor de agua involucra reacciones endotérmicas a temperaturas de 700-950 ºC y
presiones de 3-25 bar. La corriente de gas resultante se enfría, condensa y seca para eliminar el agua mediante un
intercambiador de calor y un separador flash.
Síntesis de amoniaco
El proceso de síntesis de amoníaco combina nitrógeno del aire e hidrógeno del reformado de gas natural, catalizado
por hierro a 400-500 °C, generando amoníaco con liberación de energía.
Compresores
En la síntesis de amoníaco, el gas de síntesis purificado se comprime a presiones mayores, típicamente entre 8 y 45
MPa (80 a 450 bar), aunque la mayoría de las plantas operan en el rango de 15 a 25 MPa (150 a 250 bar).
Separadores Flash
Los separadores flash separan eficientemente líquidos de vapores al reducir la presión de una corriente líquida a través
de una válvula. Ubicados al final de los reactores para gas de síntesis y amoníaco, estos separadores logran una clara
separación con vapor en la parte superior y líquido en la inferior.
Recirculación y purga
En el proceso de síntesis de amoníaco, una porción de la corriente del reactor no se separa adecuadamente en el
separador flash, quedando reactivos sin reaccionar. Para mantener el equilibrio y prevenir la acumulación de metano y
argón en el ciclo de síntesis, se realiza una recirculación, donde parte de la corriente se purga.
24. 24
CONDICIONES DE OPERACIÓN
• Síntesis de amoniaco
𝑵𝟐 + 𝟑𝑯𝟐 → 𝟐𝑵𝑯𝟑, ∆𝐻°298 ≈ (−92
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
)
𝑛 = 0.3
Pardo, G (1999). Introducción a la Ingeniería Química-1.ed
• Aumento de conversión a bajas temperaturas y altas
presiones
• A menor temperatura, menor velocidad de
reacción
• Para que la reacción transcurra con suficiente rapidez, las
temperaturas de operación más favorables (400-550 ºC), en las
que la conversión por paso resulta del 15-30%,
• En la práctica actual se suele trabajar a presiones intermedias
entre 200-300 atm (procesos Fauser-Montecatini y Haber Bosch,
entre otros). Se elegirá una presión de 200
atm, y temperatura de 450°C
• El reactor opera adiabáticamente
25. 25
• Reformado del gas natural
𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑶 → 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐, ∆𝐻°298 = 206.3 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙
• Al ser un proceso endotérmico, resulta necesario un
aporte suplementario de calor.
• A fin de evitar reacciones competitivas de craqueo, que ocasionan la
formación de carbón, la relación vapor de agua/metano debe
mantenerse lo más alta posible (entre 3 y 5), a temperaturas cercanas
a los 800 ºC y presiones entre 20 y 30 bar.
Felder & Rousseu (2004). Principios elementales de
los procesos químicos-3.ed
Diagrama esquemático a la entrada del reformador
Temperatura de la corriente
de Gas natural:
Temperatura de la corriente
de Vapor:
Temperatura al ingreso del
reactor:
Temperatura a la salida del
reactor:
30°𝐶
210°𝐶
450°𝐶
855°𝐶
Presión: 20 bar
26. 26
BALANCE DE MATERIA
• Balance en el reactor de síntesis de amoniaco (R-102)
𝑵𝟐 + 𝟑𝑯𝟐 → 𝟐𝑵𝑯𝟑, ∆𝐻°298 ≈ (−92
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
)
𝑛 = 0.3
31. 31
• Balance en el reactor de reformado de gas natural (R-101)
𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑶 → 𝑪𝑶 + 𝟑𝑯𝟐
Cantidad de agua en la corriente 2:
𝑯𝟐𝑶𝟐 = 𝑯𝟐
𝟐
= 𝟑𝟎𝟕 𝒌𝒎𝒐𝒍
Cálculo de la cantidad de agua y metano que reaccionan:
𝟑𝟎𝟕
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑯𝟐 ∗
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑪𝑯𝟒
𝟑 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐
= 𝟏𝟎𝟐. 𝟑𝟑
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑪𝑯𝟒
𝟑𝟎𝟕
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑯𝟐 ∗
𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐𝑶
𝟑 𝒎𝒐𝒍 𝑯𝟐
= 𝟏𝟎𝟐. 𝟑𝟑
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑯𝟐𝑶
La cantidad de vapor de agua en la alimentación será la suma de la
cantidad que reacciona con la que queda en la corriente 2.
𝑯𝟐𝑶𝟏
= 𝑯𝟐𝑶𝒓𝒆𝒂𝒄𝒄 + 𝑯𝟐𝑶𝟐
= 𝟏𝟎𝟐. 𝟑𝟑 + 𝟑𝟎𝟕 = 𝟒𝟎𝟗. 𝟑𝟑
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑪𝑯𝟒
𝟏
= 𝟏𝟎𝟐. 𝟑𝟑
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
Se formará una cantidad equivalente en moles de monóxido:
𝑪𝑶.
𝟐
= 𝟏𝟎𝟐. 𝟑𝟑
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
32. 32
• Balance en el separador flash (V-101)
El separador flash remueve el 99% de la cantidad de agua en la corriente 1
𝑯𝟐𝑶𝟑
= 𝟏% ∗ 𝟑𝟎𝟕
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑯𝟐𝑶 = 𝟑. 𝟎𝟕
𝒌𝒎𝒐𝒍
𝒉
𝑯𝟐𝑶
33. 33
• Balance en el reactor de síntesis de amoniaco (R-102)
𝑵𝟐 + 𝟑𝑯𝟐 → 𝟐𝑵𝑯𝟑
Ecuación de balance:
Calor estándar de la
reacción (25 °C o a 298 K)
BALANCE DE ENERGÍA
∆𝐻 = 𝜀∆𝐻°𝑟 + 𝑛𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 . 𝐻𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 . 𝐻𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0
Grado de avance de la reacción:
𝜀 =
𝑁𝐻3 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑁𝐻3 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑣𝑁𝐻3
=
200 𝑘𝑚𝑜𝑙 − 0 𝑘𝑚𝑜𝑙
2
= 100 𝑘𝑚𝑜𝑙
Cálculo de la entalpía de entrada:
𝐻1 =
298.𝟏𝟓
𝟔𝟕𝟑.𝟏𝟓
𝐶𝑝𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂𝑑𝑇 Escriba aquí la ecuación.
Primero calculamos la capacidad calorífica de la mezcla
𝑦𝑁2
=
333.33
333.33 + 1000
= 0.25
𝑦𝐻2
=
1000
333.33 + 1000
= 0.75
43. 43
Se empleará el software Aspen Plus para determinar el proceso más eficiente en la obtención de
amoniaco a partir del gas natural.
Modelo termodinámico
La ecuación de estado Peng Robison (1976) es
una modificación de la ecuación de Redich-
Kwong (RK) para representar mejor los
cálculos de los equilibrios líquido-vapor. Esto
es lo apropiado para los sistemas de
hidrocarburos tanto en fase gaseosa como
líquida y en equilibrio entre ellas (parafínico,
olefinas y aromáticos) para sistemas gaseosos
con especies que contengan CO2, CO, H2S,
óxidos nitrosos y presiones menores a 20MPa.
Además, tiene aplicaciones en petróleo, gas y
petroquímica, por lo tanto la ecuación de estado
PR es el paquete de propiedades recomendado
para realizar este tipo de simulación
49. 49
A partir del estudio de las proyecciones de demanda y la demanda a satisfacer
se deduce que el Estado Peruano requiere aproximadamente 3 406 kg/h que
equivale a 200 kmol/h de amoniaco, es por ello que mediante la simulación de
procesos en Aspen Plus se determinara la producción de amoniaco mediante un
balance de materia y energía en la fase liquida y fase vapor.
En la simulación se determinó que se obtiene 200.043 kmol/h de amoniaco
(resultado obtenido por el método de Haber-Bosch), los cuales se obtienen a
partir de 223.37 kmol/h de gas natural.
DISCUSIÓN
50. 50
• Se realizó el estudio de mercado a nivel nacional para la producción de
amoniaco a partir de gas natural en el que el análisis de la demanda dio una
producción de 272480TN/año o 200 kmol/h de amoniaco.
• Para la obtención del gas de síntesis (H2) se eligió el proceso de reformado
con vapor de gas natural debido a que presenta menos costes energéticos y
es el más usado en la industria. Para la síntesis de amoniaco a partir de gas
de síntesis se empleó el método de Haber-Bosh
• Se realizó los balances de materia y energía que dieron una producción de
200.043 kmol/h de amoniaco a partir de 223.37 kmol/h de gas natural.
CONCLUSIÓN
51. 51
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