UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

TRABAJO DE PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES

OBTENCIÓN DE FORMALDEHÍDO A PARTIR DE METANOL

Manuel Machin HernándezSantiago Hernández López

Nacho Monguiluz López

21/05/2015

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Índice

Introducción:................................................................................................................................2

Formaldehido:..............................................................................................................................2

Análisis del proceso y posibles variantes...................................................................3

Proceso de obtención de formaldehido a partir de metanol con catalizadores de óxidos de metales..................................................................................................................4

Presentación del proceso.............................................................................................6

Cálculo de formaldehido...............................................................................................7

MEZCLADOR-CALENTADOR:................................................................................7

REACTOR:.................................................................................................................8

INTERCAMBIADOR 1:..............................................................................................9

INTERCAMBIADOR 2:............................................................................................11

COLUMNA DE ABSORCIÓN:................................................................................12

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Introducción:Hoy en día el principal motor de la industria, transporte y de casi cualquier aplicación

que requiera un combustible para funcionar son los combustibles fósiles.

Sin embargo con el paso de los años el combustible utilizado ha ido variando. Primero

fue la madera, luego el carbón, petróleo… El motivo de este cambio continuo en el tipo

de combustible es la capacidad calorífica. Además existen otro tipo de razones que no

tienen que ver con su eficiencia como la facilidad de transporte, políticas

medioambientales, respeto por el medio ambiente, etc.

Así, uno de los combustibles más usados en la actualidad es el gas natural, ya no solo

por poseer el mayor índice de poder calorífico, sino por ser el más respetuoso con el

Medio Ambiente, por estar más distribuido que el petróleo por el mundo y por la

cantidad de reservas (aunque es menos abundante y esta menos distribuido por el

planeta que el carbón), y por la facilidad de transporte (en gaseoductos o en barcos

metaneros).

Esto hace que la industria del gas natural esté en alza y debido a esto podemos

obtener metanol de forma “sencilla” y posteriormente con el proceso que se explicará

en este texto se podrá obtener formaldehido.

Formaldehido:El objetivo del trabajo que se va a realizar es exponer el proceso de formación de

formaldehido a partir de metanol.

El formaldehido es un producto que de forma directa no tiene casi ninguna aplicación,

excepto la de conservantes de tejidos y un pequeño porcentaje en medicina. Sin

embargo se puede utilizar para producir numerosos productos como desinfectantes,

jabones, fertilizantes, detergentes y resinas que es su aplicación más importante.

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Análisis del proceso y posibles variantes

En cuanto al proceso cabe destacar que hasta el final de la segunda guerra mundial se

producía el 20% del formaldehido en fase gaseosa por oxidación no catalítica del

propano y el butano obteniendo muchos co-productos que era necesario separarlos.

En la actualidad la mayor parte del formaldehido se obtiene a partir del metanol. La

materia prima es el gas de síntesis que se obtiene del metano.

Este proceso tiene dos formas principales de llevarse a cabo:

Con exceso de metanol en la mezcla con el aire, en este caso en un principio se

usaban catalizadores de cobre y que ha sido casi completamente reemplazados por

catalizadores de plata que suelen desarrollarse a presión atmosférica y a temperaturas

entre 600 – 650 ºC. Este proceso suele ser más complejo y necesitan más equipos

además de tener el reactor un rendimiento no demasiado alto y emitir a la atmósfera

en la torre de destilación mayor cantidad de formaldehido siendo necesario, en su

favor cabe destacar que son más versátiles. En la actualidad este proceso se realiza

en el 30% de estas empresas.

En el caso en que se realice con exceso de aire se usan catalizadores de óxidos

metálicos el proceso es mucho más simple y con un rendimiento en el evaporador del

98-99% e incluso más siendo la selectividad mayor que en el proceso anterior, otra

cuestión es que la vida del catalizador que ronda el año es mayor que el de plata

siendo esta de 3 a 8 meses. En cuanto a las condiciones de operación son también

presión atmosférica y con temperatura menor de entorno a 270 – 330 ºC con lo que

minimiza una posible corrosión.

Por las razones anteriores y debido a que la producción de formaldehido se realiza en

el 70% de las empresas con catalizador de óxidos metálicos.

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Proceso de obtención de formaldehido a partir de metanol con catalizadores de óxidos de metales

A continuación se va a explicar como ocurre el proceso de formación de formaldehido

una vez se introduce el metanol.

El metanol se va a mezclar con aire atmosférico y se va a calentar en un

intercambiador para posteriormente introducirlo en el reactor multitubular donde este

metanol previamente calentado reaccionará con el oxígeno obteniéndose

formaldehido.

Posteriormente esta corriente se va a enfriar con agua y se va a mandar a un

absorbedor. El motivo del uso del absorbedor es que el formaldehido es un gas a

temperatura ambiente, pero si este se encuentra en contacto con el agua va a

reaccionar dando metilenglicol que es muy soluble en agua. Por esto con el

absorbedor, la corriente gaseosa de salida del reactor se va poner en contacto a

contracorriente con una corriente de agua y formaldehido disuelto que proviene de la

recirculación. Esta será la responsable de captar el formaldehido gaseoso. Después la

corriente gaseosa se enviará a una antorcha.

Tras haber sido absorbido el formaldehido por la corriente líquida que circula por el

absorbedor, esta se enfriará y, como se ha indicado antes, parte se recirculará.

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Al final la parte de la corriente que no se ha recirculado se enviará a un mezclador con

agitación, donde se le va a añadir agua a la corriente para alcanzar la concentración

deseada de formaldehido en agua.

Una vez acabado esto el producto (mezcla de agua y formaldehido) se envía a unos

depósitos de almacenamiento para su posterior distribución y venta.

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Presentación del proceso

Caracterización de proceso:

El reactor trabaja a 1,25 atm y a una temperatura de 570 K

Rendimiento es del 98 %

El formaldehido vamos a suponer un 55% en peso de formaldehido

Mezcla metanol con oxígeno en proporción 1 a 3

Efectividad columna del 99,95%

Composición del aire: 21% de O2 y 79% N 2

Se usa como catalizador Molibdeno de hierro III Fe2(MoO 4)3 Agua de Refrigeración:

o Reactor: Entrada 298 K (líquido) - Salida 393 K (vapor)

o Mezclador-Calentador: Entrada 610 K (vapor)

o Intercambiador 1: Entrada 298 K (líquido) – Salida 310 K (líquido)

o Intercambiador 2: Entrada 298 K (líquido)

o

Temperaturas de trabajo:

o Mezclador-Calentador: Entrada 298 K – Salida 544.07 K

o Reactor: Entrada 570 K forzándole a trabajar a forma isoterma

La bifurcación J será el 50% de H.

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Cálculo de formaldehido

Base de cálculo: 20000 toneladas/año

MEZCLADOR-CALENTADOR:BdM:

maire+mCH 3OH=mmezcla=167671∗106+11737∗106=1,79408∗1011 g

BdE:H E+Q=H S

H E=maire [C p (T−T ref ) ]+mCH 3OH [C p (T−T ref ) ]Como T=T ref

H E=0

H S=nCH 2O [C p (T−T ref ) ]+nH 2O [C p (T−T ref 1 )+Cp (T−T ref 2 )+λ ]H S=167671∗10

6 [29,682 (297−25 ) ]+11737∗106 [ 82,59 (64,7−25 )+64,273 (297−64,7 )+35,27∗103 ]

H S=1,9814∗1015 J

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(CH 3OH ,44,85 º C)=82,59 J/molºC ;

C p(CH 3OH ,180,85 ºC)=64,273 J/molºC; C p(aire)=29,682 J/molºC

Cálculos de λ:

De la TABLA B.1 => λ=35,27∗103 J/mol ;

Luego,

Q=H s

Q=1,9814∗1015J

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REACTOR:BdM:Como en el reactor se produce reacción química, planteamos el BdM por especies

atómicas.

C:nCH 3OH=nCH 2O

H:

nCH 3OH∗4=nCH 2O∗2+nH 2O∗2

nCH 3OH=nH 2O

O:

nCH 3OH+nO 2=nCH 2O+nH 2O

nCH 3OH=nO2

Luego,

nCH 3OH=mM

=11737∗106

32,04=366323345,8moles

BdE:

H E=H S+Q

H E=nCH 3OH [C p (T−T ref )+∆hfo ]+n02 [C p (T−Tref ) ]

H E=366323345,8 [67,2123 (297−25 )−201,2∗103 ]+366323345,8 [32,2142 (297−25 ) ]H E=−6,3797∗1013 J

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(CH 3OH )=67,2123 J/molºC ; C p(02)=32,2142 J/molºC

Cálculos de ∆ hfo:

De la TABLA B.1 => ∆ hfo(CH 3OH )=−201,2∗103 J/mol ;

8

H S=nH 2O [C p (T−T ref )+∆h fo ]+nCH 20 [Cp (T−T ref )+∆h f

o ]H S=366323345,8 [36,3066 (340−25 )−241,83∗103 ]+366323345,8 [47,5927 (340−25 )−115,9∗103 ]

H S=−1,2137∗1014 J

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=36,3066 J/molºC ; C p(CH 2O)=47,5927 J/molºC

Cálculos de ∆ hfo:

De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O)=−241,83∗103 J/mol ; ∆ hf

o(CH 2O)=−115,9∗103

J/mol ;

Luego,

Q=H E−H S

Q=−6,3797∗1013+1,2137∗1014

Q=5,7568∗1013 J

INTERCAMBIADOR 1:BdM:

magua=magua=Q

C p (T f−T eb )+C p (T eb−T i )+λ= 5,7568∗1013

34,304 (120−100 )+75,4 (100−25 )+40,656∗103=1224927166moles

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(H 2O ,110 ºC )=34,304 J/molºC; C p(H 2O ,62,5º C)=75,4

J/molºC

Cálculos de λ:

De la TABLA B.1 => λ=40,656∗103 J/mol ;

BdE:

9

H E=H S+Q

H E=nH 2O [Cp (T−T ref )+∆h fo ]

H E=1224927166 [33,9974 (120−25 )−241,83∗103 ]H E=−2,9227∗103 J

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=33,997 J/molºC

Cálculos de ∆ hfo:

De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O(g))=−241,83∗103 J/mol ;

H S=nH 2O [C p (T−T ref )+∆h fo ]

Como T=T ref

H S=1224927166 [−285,84∗103 ]

H S=−3,5∗1015 J

Cálculos de ∆ hfo:

De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O(l))=−285,84∗103 J/mol ;

Luego,

Q=H E−H S

Q=−2,9227∗103+3,5∗1015

Q=3,20782∗1015 J

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INTERCAMBIADOR 2:BdM:

mmezcla=mmezcla=nCH 20∗MCH 20+nH2O∗MH 2O=nCH 20∗(MCH 20+MH 20 )=¿

¿366323345,8∗(30,026+18 )=1,7593∗1010g

BdE:

H E=H S+Q

H E=nCH 2O [C p (T−T ref )+∆h fo ]+nH2O [C p (T−T ref )+∆hf

o ]H E=366323345,8 [43,784 (340−25 )−115,9∗103 ]+366323345,8 [35,352 (340−25 )−241,83∗103 ]

H E=−1,219∗1014 J

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=35,352 J/molºC ; C p(C H 2O)=43,784 J/molºC

Cálculos de ∆ hfo:

De la TABLA B.1 => ∆ hfo(H 2O)=−241,83∗103 J/mol ; ∆ hf

o(C H 2O)=−115,9∗103

J/mol

H S=nCH 2O [C p (T−T ref )+∆hfo ]+nH 2O [C p (T−T ref )+∆hf

o ]H S=366323345,8 [43,784 (110−25 )−115,9∗103 ]+366323345,8 [35,352 (110−25 )−241,83∗103 ]

H S=−1,2858∗1014 J

Cálculos de C p:

De la TABLA B.2 => C p(H 2O)=35,352 J/molºC ; C p(C H 2O)=43,784 J/molºC

Luego,

Q=H E−H S

Q=−1,219∗1014+1,2858∗1014

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Q=6,68∗1012 J

COLUMNA DE ABSORCIÓN:BdM:

mmezcla+magua=mgases+m producto

Suponiendo mproducto=100g de los cuales 55g son formaldehido y 45 g agua, como

tenemos 366323345,8∗30,026=1,1∗1010 g de formaldehido tendremos

(1,1∗1010∗45)55

=8999365730 g de agua.

mproducto=nCH 20∗MCH 20+magua=366323345,8∗30,026+8999365730=2∗1010g=20000 t

mgases=nH 20∗M H20=366323345,8∗18=65933820224g

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Conclusiones

Aunque en España no hay empresas de grandes producciones de formaldehido

hemos visto que con catalizador de óxido de hierro se obtiene un gran rendimiento y

sin grandes especificaciones de presión ni temperatura, además de una reducida

maquinaria por lo que resulta lógico que muchas empresas lo produzcan aunque

resulta interesante por su alta producción y número de utilidades.

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Bibliografía

DATOS DE ENTALPIAS Y CAPACIDADES CALORÍFICAS, EINA, CODIGO 190

http://www.textoscientificos.com/quimica/formaldehido/obtencion

Tinoco Rivas, Miguel. Proyect Engineering: Diseño de una planta de producción

de formaldehido.

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