Introducción Tarea PQI

 

1. Descripción de la unidad de proceso: Producción de propileno por deshidrogenación de propano

La deshidrogenación de propano (PDH, por sus siglas en inglés) es un proceso clave en la producción de propileno, un compuesto ampliamente utilizado en la industria petroquímica. Este proceso consiste en eliminar átomos de hidrógeno del propano para formar propileno (C₃H₆) y gas hidrógeno (H₂). La reacción química básica es endotérmica:

$\text{C}_3\text{H}_8 \rightarrow \text{C}_3\text{H}_6 + \text{H}_2$

Etapas principales del proceso:

• Alimentación y precalentamiento: El propano se introduce en el reactor después de haber sido comprimido y calentado. El precalentamiento a temperaturas entre 500 °C y 700 °C es necesario para favorecer la reacción endotérmica.
• Reacción en el reactor: En el reactor de lecho fluidizado o fijo, el propano pasa sobre un catalizador que puede ser a base de platino o cromito, que facilita la eliminación de hidrógeno. La reacción debe llevarse a cabo en condiciones controladas de presión (entre 1 y 3 bares) para optimizar el rendimiento de propileno y evitar la formación de subproductos no deseados.
• Separación y purificación: Una vez terminada la reacción, los productos (propileno, hidrógeno y propano no reaccionado) se enfrían y se separan mediante procesos de destilación y absorción. El propileno se purifica en torres de fraccionamiento, mientras que el hidrógeno se extrae para posibles usos o reciclaje.

El propileno es una materia prima clave para la producción de polímeros, como el polipropileno, que es ampliamente utilizado en plásticos, fibras, productos químicos y otros materiales esenciales en sectores industriales.

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2. Puntos de emisión de CO2 en el proceso

En el proceso de deshidrogenación de propano, las emisiones de CO2 están principalmente asociadas al consumo energético y a la combustión de combustibles fósiles utilizados en la generación de calor necesario para las etapas de reacción y regeneración de catalizadores. Los puntos clave de emisión incluyen:

• Hornos de calentamiento: Los hornos utilizados para precalentar el propano requieren grandes cantidades de energía térmica, que suele provenir de la quema de gas natural u otros hidrocarburos. Esta combustión libera CO2 directamente a la atmósfera.
• Regeneración de catalizadores: El catalizador utilizado en el reactor puede desactivarse con el tiempo debido a la acumulación de coque. Para regenerarlo, es necesario quemar este coque, lo que también genera CO2 como subproducto.
• Procesos auxiliares: Las unidades auxiliares, como calderas o sistemas de compresión, que utilizan energía procedente de fuentes fósiles, también contribuyen a las emisiones de CO2.

La cantidad total de CO2 emitido depende de la eficiencia energética del proceso y del tipo de combustible utilizado. Además, el calor residual del proceso podría reutilizarse para mejorar la sostenibilidad, reduciendo las emisiones.

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3. Reducción electroquímica de CO2

La reducción electroquímica de CO2 es una tecnología emergente que tiene como objetivo convertir el dióxido de carbono en productos químicos útiles o combustibles, utilizando energía eléctrica. Este proceso tiene el potencial de mitigar el impacto de las emisiones de CO2 al transformarlo en compuestos como monóxido de carbono (CO), metano (CH₄), o incluso hidrocarburos de cadena larga.

Principio de funcionamiento:

• El CO2 se disuelve en un electrolito y se aplica una corriente eléctrica a través de electrodos especializados. Estos electrodos, que suelen estar recubiertos con catalizadores metálicos (como cobre, plata o níquel), facilitan la reducción del CO2.
• Dependiendo del catalizador utilizado y de las condiciones del proceso (como el voltaje, pH y temperatura), se pueden obtener diferentes productos. Por ejemplo, el cobre es eficaz para la producción de hidrocarburos y alcoholes, mientras que la plata favorece la producción de monóxido de carbono.

Ventajas:

• Captura y reutilización de CO2: Este proceso permite capturar el CO2 emitido y convertirlo en productos de valor agregado, como combustibles sintéticos o productos químicos.
• Compatibilidad con energías renovables: Al utilizar electricidad, el proceso puede integrarse con fuentes de energía renovable, como la solar o eólica, para hacerlo más sostenible.

Desafíos:

• La eficiencia energética y económica de esta tecnología todavía es un área de investigación activa. Los costos de producción y la durabilidad de los catalizadores son factores clave que deben mejorarse para una implementación industrial a gran escala.

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4. Métodos industriales de producción de hidrógeno: Craqueo de amoniaco y metanol

El hidrógeno es una materia prima fundamental en muchos procesos industriales, y su producción puede realizarse mediante diversas rutas. Dos métodos importantes incluyen el craqueo del amoniaco y el metanol.

Craqueo de amoniaco:

• El craqueo de amoniaco (NH₃) implica su descomposición térmica en hidrógeno (H₂) y nitrógeno (N₂). Esta reacción es endotérmica y se realiza generalmente a temperaturas superiores a 800 °C en presencia de un catalizador, como el hierro: $2 \text{NH}_3 \rightarrow 3 \text{H}_2 + \text{N}_2$
• Este método es eficiente en cuanto a la pureza del hidrógeno producido, ya que el único subproducto es nitrógeno. Sin embargo, el costo energético es elevado debido a las altas temperaturas requeridas.

Craqueo de metanol:

• El reformado de metanol implica la reacción del metanol (CH₃OH) con vapor de agua para producir hidrógeno y monóxido de carbono, seguido de una reacción de cambio de agua-gas para obtener más hidrógeno: $\text{CH}_3\text{OH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 3 \text{H}_2 + \text{CO}_2$
• Este proceso requiere temperaturas moderadas (250-300 °C) y es eficiente en términos de consumo energético. Sin embargo, uno de los subproductos es CO2, lo que requiere estrategias de mitigación si se desea minimizar el impacto ambiental.

Comparación:

• El craqueo de amoniaco produce hidrógeno sin generar emisiones de CO2, lo que lo hace atractivo desde una perspectiva ambiental. Sin embargo, es más costoso energéticamente debido a las altas temperaturas requeridas.
• El reformado de metanol, por otro lado, es más eficiente en términos energéticos, pero genera CO2 como subproducto, lo que puede ser una desventaja si no se implementan tecnologías de captura de carbono.