trabajo final quimica organica
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
1.- INTRODUCCIÓN
La química orgánica es la disciplina científica que estudia la estructura,
Neurotransmisor humano propiedades, síntesis y reactividad de compuestos
químicos formados principalmente por carbono e hidrógeno, los cuales pueden
contener otros elementos, generalmente en pequeña cantidad como oxígeno,
azufre, nitrógeno, halógenos, fósforo, silicio.
El término “orgánico” procede de la relación existente entre estos compuestos y
los procesos vitales, sin embargo, existen muchos compuestos estudiados por
la química orgánica que no están presentes en los seres vivos, mientras que
numerosos compuestos inorgánicos forman parte de procesos vitales básicos,
sales minerales, metales como el hierro que se encuentra presente en la
hemoglobina, cis-retinal compuesto responsable de la visión.
Los compuestos orgánicos presentan una enorme variedad de propiedades y
aplicaciones y son la base de numerosos compuestos básicos en nuestras
vidas, entre los que podemos citar: plásticos, detergentes, pinturas, explosivos,
productos farmacéuticos, colorantes, insecticidas, energía.
La síntesis de nuevas moléculas nos proporciona nuevos tintes para dar color a
nuestras ropas, el Benomil (Fungicida) perfumes, nuevas medicinas con las
que curar enfermedades. Por desgracia existen compuestos orgánicos que han
causado daños muy importantes, contaminantes como el DDT, fármacos como
la Talidomida.
Para entender la vida tal como la conocemos, primero debemos entender un
poco de química orgánica. Las moléculas orgánicas contienen carbono e
hidrógeno. Mientras que muchos químicos orgánicos también contienen otros
elementos, es la unión del carbono - hidrógeno lo que los define como
orgánicos. La química orgánica define la vida. Así como hay millones de
diferentes tipos de organismos vivos en este planeta, hay millones de
moléculas orgánicas diferentes, cada una con propiedades químicas y físicas
diferentes. Hay químicos orgánicos que son parte del pelo, piel, uñas, etc. La
diversidad de químicos orgánicos tiene su origen en la versatilidad del átomo
1
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
de carbono. ¿Por qué el carbono es un elemento tan especial? Mas adelante
se detallaran algunas ideas de porque se lo considera un gas especial.
En tal sentido en esta oportunidad como ya se ha mencionado veremos uno de
los compuestos muy importante para distintas áreas como lo es la económica,
la reactivación de proyectos sociales y de alternativa energética, un compuesto
que es uno de los mayores causantes para lo que es el problema del
calentamiento global, un compuesto que se encuentra en todas partes y que es
de muy fácil obtención. Estamos hablando del gas metano compuesto que
contiene un carbono y cuatro hidrogeno,.
Este trabajo muestra una visión general de lo que puede derivar en un estudio
mas profundo de los que es el llamado biogás, mas al contrario el trabajo no
entra en detalles técnicos debido a las limitaciones que tiene elaborar tan
minucioso y estupendo trabajo de investigación
El carbono (C) aparece en la segunda hilera de la tabla periódica y tiene cuatro
electrones de enlace en su envoltura de valencia. Al igual que otros no metales,
el carbono necesita ocho electrones para completar su envoltura de valencia.
Por consiguiente, el carbono forma cuatro enlaces con otros átomos (cada
enlace representa a uno de los electrones de carbono y uno de los electrones
del átomo que se enlazan). Cada valencia de electrón participa en el enlace,
por consiguiente el enlace del átomo de carbono se distribuirá parejamente
sobre la superficie del átomo. Estos enlaces forman un tetradrón (una pirámide
con una punta en la parte superior), como se ilustra en el siguiente dibujo:
El carbono forma 4 enlaces Los químicos orgánicos toman su diversidad de
muchas diferentes maneras en las que el carbono puede enlazarse con otros
átomos. Los químicos orgánicos más simples, llamados hidrocarbonos,
contienen sólo carbono y átomos de hidrógeno; el hidrocarbóno más simple
(llamado metano contiene un sólo átomo de carbono enlazado a cuatro átomos
de hidrógeno:
2
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
2.- OBJETIVO
2.1.-Objetivo general
El objetivo general del trabajo de investigación es hacer un énfasis en lo que es
la química orgánica la importancia de Conocer algunas características del gas
metano como energía alternativa y las propiedades de este compuesto.
2.2.- Objetivo especifico
2.2.1.- Conocer cual es la forma de obtención del metano
2.2.2.- Conocer las propiedades físicas del metano
2.2.3.- Conocer las propiedades químicas del metano
2.2.4.- Conocer algunos usos y aplicaciones del metano
2.2.5.- establecer algunas conclusiones del trabajo de investigación
2.2.6.- establecer algunas recomendaciones finales acerca de el trabajo
3.- MARCO TEÓRICO
3.1.- ¿Que es el BIOGAS?
El biogás es una fuente de energía renovable cuyo componente principal es el
gas metano. Este se genera a través de la descomposición anaeróbica de la
materia orgánica. Es un proceso natural que ocurre en todos los ámbitos
donde se descompone biomasa en un entorno húmedo y anóxico a través de
la actividad bacteriológica.
Para la generación de biogás y de energía eléctrica se puede utilizar cualquier
tipo de desechos orgánicos como se indica a continuación:
- Estiércol de ganado, cerdos, gallinaza, etc.
-Todo tipo de desechos orgánicos agrícolas:
Pulpa de café, restos de maíz, de frutas, bagazo de caña, restos de papas,
hortalizas, desechos bananeros, etc.
- Desechos agroindustriales producidos en:
Fabricas de conservas, empacadoras de frutas y extractoras de jugos,
extractoras de aceite de palma africana etc.
- Grasas orgánicas, restos de procesadoras de pollos y carne, desechos
de procesadoras de camarón, frutos del mar, pescado etc.
3
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Fuentes orgánicas en rellenos sanitarios, depósitos de basura, plantas
depuradoras
- Deshechos de la producción de azúcar, alcoholes y licores
-Desechos forestales Florícolas y plantaciones agroindustriales
3.2.- El biogás por descomposición anaeróbica
La producción de biogás por descomposición anaeróbica es un modo
considerado útil para tratar residuos biodegradables ya que produce un
combustible de valor además de generar un efluente que puede aplicarse como
acondicionador de suelo o abono genérico. El biogás tiene como promedio un
poder calorífico entre 4.500 a 5.600 kilocalorías por m³. Este gas se puede
utilizar para producir energía eléctrica mediante turbinas o plantas generadoras
a gas, en hornos, estufas, secadores, calderas, u otros sistemas de combustión
a gas, debidamente adaptados para tal efecto.
Se llama biogás a la mezcla constituida por metano (CH4) en una proporción
que oscila entre un 40% a un 70% y dióxido de carbono (CO2), conteniendo
pequeñas proporciones de otros gases como hidrógeno (H2), nitrógeno (N2),
oxígeno (O2) y sulfuro de hidrógeno ( H2S
3.3.- Bio - digestor
Equipamiento para reciclaje de estiércol u materia orgánica de fácil
construcción, es un sistema natural que aprovecha la digestión anaerobia (en
ausencia de oxigeno) de las bacterias que ya habitan en el estiércol, para
transformar éste en biogás y fertilizante. El biogás puede ser empleado como
combustible en las cocinas, o iluminación, y en grandes instalaciones se puede
utilizar para alimentar un generador que produzca electricidad. El fertilizante,
llamado biól, inicialmente se ha considerado un producto secundario, pero
actualmente se esta considerando de la misma importancia, o mayor, que el
biogás ya que provee a las familias campesinas de un fertilizante natural que
mejora mucho el rendimiento de las cosechas.
4
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
3.4.- El metano
El metano es el gas de efecto invernadero que tiene el segundo mayor efecto
sobre el clima, después del dióxido de carbono. La concentración de metano en
la atmósfera casi se ha triplicado en los últimos 150 años. El metano es mejor
conocido como "gas natural", actualmente una importante fuente de energía..
Hasta ahora, se había supuesto que el metano biogénico se formaba sólo por
procesos anaeróbicos, es decir, a través de los microorganismos y en ausencia
de oxígeno. Las mayores fuentes de metano anóxico son los pantanos y los
campos de arroz, así como la digestión de los rumiantes y las termitas, los
vertederos, y el gas producido por las plantas de tratamiento de aguas
residuales. Según estimaciones previas, estas fuentes constituyen las dos
terceras partes de los 600 millones de toneladas de la producción mundial
anual de metano.
4.- CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS
El metano es un ejemplo de compuesto molecular, cuyas unidades básicas son
grupos de átomos unidos entre sí. La molécula de metano consta de un átomo
de carbono con cuatro átomos de hidrógeno unidos a él. La forma general de la
molécula es un tetraedro, una figura con cuatro caras triangulares idénticas, con un
átomo de hidrógeno en cada vértice y el átomo de carbono en el centro.
Propiedades
Generales
Nombre Metano
Estructura de Lewis:
5
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
H
|
H-C-H
|
H
Fórmula química CH4
Peso atómico 16.04 uma
Otras denominaciones Gas del pantano; Hidruro de metilo
Cambios de fase
Punto de fusión 90.6 K (-182.5°C)
Punto de ebullición 111.55 K (-161.6°C)
Punto triple90.67 K (-182.48°C)
0.117 bar
Punto crítico190.6 K (-82.6°C)
46 bar
Propiedades del gas
ΔfH0gas -74.87 kJ/mol
ΔfG0gas -50.828 kJ/mol
S0gas 188 J/mol·K
Cm 35.69 J/mol·K
Seguridad
Efectos agudos
Asfixia; en algunos casos inconsciencia, ataque cardíaco o
lesiones cerebrales. El compuesto se transporta como
líquido criogénico. Su exposición causará obviamente la
congelación.
6
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Flash point -188°C
Temperatura de autocombustión 600°C
Límite explosivos 5-15%
Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.
5.- Fórmula molecular: su importancia fundamental
En este capítulo nos hemos ocupado de la estructura del metano: el modo de
juntarse los átomos para formar la molécula de metano. Antes, sin embargo, es
necesario conocer de qué átomos se trata y cuántos de ellos conforman la
molécula: es primordial saber que el metano es CH4. Antes de poder asignar
una fórmula estructural a un compuesto, debemos conocer su fórmula
molecular.
Se ha invertido mucho de este capítulo en el estudio de la sustitución del cloro
por el hidrógeno en el metano, pero antes fue necesario saber que había
sustitución, que cada paso de la reacción genera un producto que contiene un
hidrógeno menos y un átomo de cloro más que el reactivo; debíamos saber que
el CH4 es convertido, sucesivamente, en CH3CI, CH2CI2, CHCI3 y CCI4.
Antes de poder estudiar las reacciones de un compuesto orgánico, debemos
conocer las fórmulas moleculares de los productos.
Revisemos un poco lo que sabemos acerca de cómo asignar una fórmula
molecular a un compuesto. Debemos realizar:
(a) un análisis elemental cualitativo , para determinar que tipos de átomos
contiene la molécula;
(b) un análisis elemental cuantitativo , para determinar el número relativo de
los distintos tipos de átomos presentes en la molécula, es decir, para
establecer su fórmula empírica;
(c) una determinación del peso molecular , que indica (combinado con la
fórmula empírica) el verdadero número de los distintos átomos, es decir, nos da
la fórmula molecular.
7
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
6.- PESO MOLECULAR, FÓRMULA MOLECULAR
Sabemos ahora qué átomos conforman la molécula que estudiamos y en qué
proporciones se encuentran, lo que se resume en la fórmula empírica.
Esto no es suficiente, sin embargo; basándose solamente en su fórmula
empírica, por ejemplo, el metano podría tener un carbono y cuatro hidrógenos,
o dos carbonos y ocho hidrógenos, o cualquier múltiplo de CH4. Aún nos resta
encontrar la fórmula molecular: que indica el número verdadero de cada clase
de átomo en una molécula.
Para encontrar la fórmula molecular, debemos determinar el peso molecular:
hoy seguramente se haría por espectrometría de masas, la que da un valor
exacto. El etano, por ejemplo, tiene la fórmula empírica CH3: se le encuentra
un peso molecular de 30, lo que indica que C2 H6 debe ser la única fórmula
molecular correcta entre todas las posibles.
7.- CARACTERÍSTICAS FÍSICAS
La unidad de un compuesto no iónico, sea sólido, líquido o gaseoso, es la
molécula. Como la molécula de metano es muy simétrica, las polaridades de
los enlaces carbonos-hidrógenos individuales se anulan, de lo que resulta que
la molécula en sí no es polar.
La atracción entre tales moléculas no polares queda limitada a las fuerzas de
Van der Wasls; para moléculas tan pequeñas, estas fuerzas atractivas deben
ser muy débiles, comparadas con las intensísimas entre iones sodio y cloruro,
por ejemplo. No debe ser sorprendente, por tanto, que esas fuerzas atractivas
sean vencidas con facilidad por la energía térmica, de modo que la fusión y
ebullición se producen a temperaturas muy bajas: p.f. -183ºC, p.e. -161.5ºC.
(Compárense estos valores con los correspondientes para el cloruro de sodio:
p.f. 801ºC, p.e. 1413ºC.) En consecuencia, el metano es un gas a temperatura
ordinaria.
El metano es incoloro y, en estado líquido, menos denso que el agua (densidad
relativa 0.4); de acuerdo con la regla de que < < una sustancia disuelve a otra
similar> > , es apenas soluble en agua, pero muy soluble en líquidos orgánicos,
8
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
como gasolina, éter y alcohol. Con respecto a sus propiedades físicas, el
metano fija la pauta para los demás miembros de la familia de los alcanos.
Sin embargo, el ataque de los átomos de yodo al metano es un paso
propagador de cadena,
Y si es lento, toda la reacción debe ser lenta; en estas circunstancias, los pasos
que la terminan (por ejemplo, la unión de dos átomos de yodo) pasan a ser tan
importante que, de hecho, no hay cadena.
7.1.- Propiedades caloríficas
Calorías por gramo: 12 Kcal
Calorías por gramo de CO2: 4,5 Kcal
7.2.- Estado de transición
El concepto de Estado de transición debe ser nuestra clave para la
comprensión de la reactividad química, pero para hacerla útil necesitamos un
concepto adicional: el estado de transición.
Probablemente una reacción química es un proceso continuo que implica una
transición gradual de reactivos a productos. Sin embargo, ha resultado útil
considerar la disposición de los átomos en una etapa intermediaria de la
reacción, como si se tratara de una molécula real. Esta estructura intermedia se
denomina estado de transición; su contenido de energía corresponde al
máximo de la curva de energía
Tal como D H es la diferencia en contenido energético entre reactivos y
productos, el estado de transición es la diferencia en contenido de energía
entre reactivos y estado de transición.
El concepto de estado de transición es útil por esta razón: podemos analizar su
estructura como si se tratara de una molécula e intentar estimar su estabilidad.
Todo factor que estabiliza el estado de transición en relación con los reactivos
tiende a disminuir la energía de activación; es decir, todo factor que rebaja la
cima de la colina energética más que el valle de los reactivos reduce la altura
neta que debe vencer durante la reacción. En este libro, la estabilidad del
9
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
estado de transición será la base - explícita o implícita - de, prácticamente, todo
estudio de la reactividad.
8.- FORMA DE OBTENCIÓN DEL METANO
Originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de
madera. Esta materia prima condujo a su nombre de alcohol de madera. Este
proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire a unos 400 °C
formándose gases combustibles (CO, C2H4, H2), empleados en el
calentamiento de las retortas; un destilado acuoso que se conoce como ácido
piroleñoso y que contiene un 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol y un
0.5% de acetona; un alquitrán de madera, base para la preparación de
antisépticos y desinfectantes; y carbón vegetal que queda como residuo en las
retortas.
Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un
proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción
emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales
grandes y complicados.
CO + CO2 + H2 CH3OH
La reacción se produce a una temperatura de 300-400 °C y a una presión de
200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr2O3.
El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los
distintos procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este
hecho. Actualmente el proceso más ampliamente usado para la obtención del
gas de síntesis es a partir de la combustión parcial del gas natural en presencia
de vapor de agua.
Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2
10
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Sin embargo el gas de síntesis también se puede obtener a partir de la
combustión parcial de mezclas de hidrocarburos líquidos o carbón, en
presencia de agua.
Mezcla de Hidrocarburos Líquidos + Agua CO + CO2 + H2
Carbón + Agua CO + CO2 + H2
En el caso de que la materia prima sea el carbón, el gas de síntesis se puede
obtener directamente bajo tierra. Se fracturan los pozos de carbón mediante
explosivos, se encienden y se fuerzan aire comprimido y agua. El carbón
encendido genera calor y el carbono necesarios, y se produce gas de síntesis.
Este proceso se conoce como proceso in situ. Este método no tiene una
aplicación industrial difundida.
Los procesos industriales más ampliamente usados, usando cualquiera de las
tres alimentaciones (gas natural, mezcla de hidrocarburos líquidos o carbón)
son los desarrollados por las firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries
Ltd. (ICI).
11
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
8.1.- Proceso Lurgi
Se denomina proceso de baja presión para obtener metanol a partir de
hidrocarburos gaseosos, líquidos o carbón.
El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas.
8.2.- Reforming
Es en esta etapa donde se produce la diferencia en el proceso en función del
tipo de alimentación.
En el caso de que la alimentación sea de gas natural, este se desulfuriza antes
de alimentar el reactor. Aproximadamente la mitad de la alimentación entra al
primer reactor, el cual está alimentado con vapor de agua a media presión.
Dentro del reactor se produce la oxidación parcial del gas natural. De esta
manera se obtiene H2, CO, CO2 y un 20% de CH4 residual.
12
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2
Esta reacción se produce a 780 °C y a 40 atm.
El gas de síntesis más el metano residual que sale del primer reactor se mezcla
con la otra mitad de la alimentación (previamente desulfurizada). Esta mezcla
de gases entra en el segundo reactor, el cual está alimentado por O2. Este se
proviene de una planta de obtención de oxígeno a partir de aire.
CH4 + CO + CO2 + O2 CO + CO2 + H2
Esta reacción se produce a 950 °C.
En caso de que la alimentación sea líquida o carbón, ésta es parcialmente
oxidada por O2 y vapor de agua a 1400-1500 °C y 55-60 atm. El gas así
formado consiste en H2, CO con algunas impurezas formadas por pequeñas
cantidades de CO2, CH4, H2S y carbón libre. Esta mezcla pasa luego a otro
reactor donde se acondiciona el gas de síntesis eliminándose el carbón libre, el
H2S y parte del CO2, quedando el gas listo para alimentar el reactor de
metanol.
8.3.- Síntesis
El gas de síntesis se comprime a 70-100 atm. y se precalienta. Luego alimenta
al reactor de síntesis de metanol junto con el gas de recirculación. El reactor
Lurgi es un reactor tubular, cuyos tubos están llenos de catalizador y enfriados
exteriormente por agua en ebullición. La temperatura de reacción se mantiene
así entre 240-270 °C.
CO + H2 CH3OH ΔH < 0
CO2 + H2 CH3OH ΔH < 0
Una buena cantidad de calor de reacción se transmite al agua en ebullición
obteniéndose de 1 a 1.4 Kg. de vapor por Kg. de metanol. Además se protege
a los catalizadores.
13
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
8.4.- Destilación
El metanol en estado gaseoso que abandona el reactor debe ser purificado.
Para ello primeramente pasa por un intercambiador de calor que reduce su
temperatura, condensándose el metanol. Este se separa luego por medio de
separador, del cual salen gases que se condicionan (temperatura y presión
adecuadas) y se recirculan. El metanol en estado líquido que sale del
separador alimenta una columna de destilación alimentada con vapor de agua
a baja presión. De la torre de destilación sale el metanol en condiciones
normalizadas.
En la página siguiente se puede observar el flow-sheet del proceso Lurgi de
baja presión para obtener metanol líquido a partir de gas natural. Mientras que
en la página siguiente se podrá observar el mismo proceso pero en caso de
usar alimentación líquida o carbón.
8.5.- Proceso ICI
La diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya
que los procesos de obtención de gas de síntesis y purificación de metanol son
similares para todos los procesos.
En este caso la síntesis catalítica se produce en un reactor de lecho fluidizado,
en el cual al gas de síntesis ingresa por la base y el metanol sale por el tope. El
catalizador se mantiene así fluidizado dentro del reactor, el cual es enfriado por
agua en estado de ebullición, obteniéndose vapor que se utiliza en otros
sectores del proceso.
La destilación se realiza en dos etapas en lugar de realizarse en una sola.
Todas las demás características son similares al proceso Lurgi antes descrito.
8.6.- Ammonia-Casale
El reactor posee múltiples catalizadores de lecho fluidizado, con gas
refrigerante, flujos axiales y radiales y bajas caídas de presión. La producción
en este tipo de reactores puede llegar a 5.000 t/día.
14
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
8.7.- Topsoe
Se caracteriza por desarrollar un flujo radial a través de tres catalizadores de
lecho fluidizado en distintos compartimentos. El intercambio de calor es externo
9.- ORÍGENES Y YACIMIENTOS
9.1.- Orígenes
El metano se produce por la descomposición de substancias vegetales,
principalmente celulosa, por la acción de microorganismos, y se desprende del
cieno de algunos pantanos, por lo que también suele denominarse gas de los
pantanos.
El metano se desprende también, más o menos puro, de los volcanes de fango
y de algunas aguas y fuentes no cenagosas.
Se produce asimismo en las minas de carbón de piedra y de lignito, por
descomposición lenta de las materias orgánicas, acumulándose en las
hendeduras y cavidades mezclado con nitrógeno y anhídrido carbónico. Este
compuesto al contacto con el aire, gas grisú, produce terribles explosiones, que
causan numerosas muertes entre los trabajadores del sector minero, a pesar
del uso de la lámpara de seguridad Davy y del metanómetro.
9.2.- Yacimientos
En algunos lugares mana naturalmente de la tierra, como en Italia, Irán, la
República Popular China, América del Norte, etc.
Los Fuegos Sagrados de Baku (en el mar Caspio) no son más que metano que
arde y que va mezclado con nitrógeno, gas carbónico y vapores de petróleo.
Asimismo por formar parte del petróleo y del gas natural se encuentra en todos
aquellos lugares ricos en dichos compuestos.
15
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
10.- OBTENCIÓN
10.1.- Petróleo
El petróleo, al igual que el gas natural que le acompaña en bolsas, constituye la
principal fuente de alcanos hasta el C40, así como de otras sustancias
orgánicas.
El petróleo crudo carece de utilidad comercial, pero por destilación pueden
separarse de él multitud de productos útiles, denominados fracciones. El
metano se desprende, al igual que otros hidrocarburos como el etano, el
propano y el butano, en la primer fracción de la destilación del petróleo,
consistente en calentarlo por debajo de los 20ºC.
10.2.- Gas Natural
Está compuesto por hidrocarburos muy bajos, desde C1 a C8
aproximadamente. Los porcentajes máximos corresponden a los más volátiles.
Así al metano suele corresponderle un 80% de la mezcla. El propano y butano
se separan por licuefacción y se expenden en el comercio en cilindros a
presión. El resto, conducido por gaseoductos a las ciudades, se emplea
también como combustible. Aunque una buena parte de él se utiliza en la
fabricación de negro de humo siguiendo un procedimiento de pirólisis:
CH4 > 1200ºC > C + 2H2
10.3.- Procedimientos Sintéticos
-Proceso Bergius: se hidrogena carbón en presencia de catalizadores a
altas temperaturas y presiones.
-Proceso Fischer-Tropsch: se parte de gas de agua enriquecido con
hidrógeno y se le hace pasar por un catalizador en caliente.
-Destilación Seca: de esta forma se obtiene metano de muchas
sustancias orgánicas, como la madera, turba, hulla, rocas bituminosas, etc.
-Síntesis Directa: se hace actuar el hidrógeno sobre el carbono a
1200ºC.
16
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
10.4.- Nomenclatura
El gran número de moléculas orgánicas presenta un formidable problema en
cuanto a su nomenclatura. Muchas moléculas orgánicas conocidas tienen
nombres comunes basados en su origen biológico, en el capricho de su
descubridor o en algún otro accidente histórico. Hay métodos sistemáticos para
nombrar a los compuestos que, como base de nomenclatura común, emplean
los caracteres estructurales distintivos de la molécula para su identificación.
Se designa el número de átomos de carbono de la cadena mediante un prefijo
derivado del griego, y se le añade el sufijo ano de Alcano. De esta manera la
designación del metano procede del griego méthy con el sufijo ano.
Como expliqué anteriormente, la molécula de metano está formada por cuatro
enlaces equivalentes de carbono - hidrógeno, quedando los cuatro átomos de
carbono en los vértices de un tetraedro regular, con el átomo de carbono en el
centro. La equivalencia de los átomos de hidrógeno es un carácter estructural
importante del metano, y se debe observar cuidadosamente, no siendo válida
la práctica común de representar al metano y a otras moléculas orgánicas por
fórmulas que desfiguran esta propiedad, tales como CH4. Se admiten como
válidas las siguientes representaciones:
17
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
11.- BIODIGESTOR
BIODIGESTOR SIN HOMOGENIZADOR (Modelo Artesanal)
18
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Autor: Peter Cremer - Alemania
12.- USOS Y APLICACIONES
Primeramente veremos algunas características que no se han mencionado
anteriormente
CARACTERÍSTICAS DEL BIOGÁS
El BIOGAS está compuesto en un 50 a 70% de METANO y un 30 a 50% de
dióxido de carbono, además de contener hidrógeno sulfurado y otros gases de
menor importancia.
PRODUCCION Y COMPOSICION TEORICA DEL BIOGAS
SUBSTRATO
PRODUCCION DE GAS (L/Kg. de materia seca)
CONTENIDO DE METANO (CH4) %
CONTENIDO DE
CO2 %
Carbohidratos 800 50 50
Proteínas 700 70 30
Grasas 1,200 67 33
19
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
ENERGÍA EQUIVALENTE (en Volumen) BIOGAS vs. OTRAS FUENTES
USOS del Biogas en actividades productivas
ENERGÍA EQUIVALENTE (valor energético) BIOGAS vs. OTRAS FUENTES
VALORES BIOGAS*GAS NATURAL
GAS PROPANO
GAS METANO
HIDROG.
Valor Calorífico (Kwh/ m3)
7.0 10 26 10 3
Densidad (Kq/m3) 1.08 0.7 2.01 0.72 0.09
Densidad con respecto al aire
0.81 0.54 1.51 0.55 0.07
Limite de explosión (% de gas en el aire)
6-12 5-15 2-10 5-15 4-80
Temperatura de encendido
687 650 470 650 585
Máxima velocidad de encendido en el aire (m/s)
0.31 0.39 0.42 0.47 0.43
Requerimiento teórico de aire (m3/m3)
6.6 9.5 23.9 9.5 2.4
13.- LOS BIO-DIGESTORES FAMILIARES DE BAJO COSTO
20
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Este modelo de bio-digestor consiste en aprovechar el polietileno tubular (de
color negro en este caso) empleado en su color natural transparente en carpas
solares, para disponer de una cámara de varios metros cúbicos
herméticamente aislada. Este hermetismo es esencial para que se produzca la
reacciones biológicas anaeróbias.
El film de polietileno tubular se amarra por sus extremos a tuberías de
conducción, de unas seis pulgadas de diámetro, con tiras de liga recicladas de
las cámaras de las ruedas de los autos. Con este sistema, calculando
convenientemente la inclinación de dichos tuberías, se obtiene un tanque
hermético. Al ser flexible el polietileno tubular es necesario construir una ‘cuna’
que lo albergue, ya sea cavando una zanja o levantando dos paredes
paralelas. Una de las tuberías servirá como entrada de materia prima (mezcla
de estiércol con agua de 1:4). En el bio-digestor se alcanza finalmente un
equilibrio de nivel hidráulico, por el cual, tanta cantidad de estiércol mezclado
con agua es agregada, tanta cantidad de fertilizante sale por la tubería del otro
extremo.
Debido a la ausencia de oxígeno en el interior de la cámara hermética, las
bacterias anaerobias contenidas en el propio estiércol comienzan a digerirlo.
Primeramente se produce una fase de hidrólisis y fermentación, posteriormente
una acetogénesis y finalmente la metanogénesis por la cual se produce
metano. El producto gaseoso llamado biogás, realmente tiene otros gases en
su composición como son dióxido de carbono (20-40%), nitrógeno molecular
(2-3%) y sulfhídrico (0,5-2%), siendo el metano el más abundante con un 60-
80%.
La conducción de biogás hasta la cocina se hace directa, manteniendo todo el
sistema a la misma presión: entre 8 y 13 cm de columna de agua dependiendo
la altura y el tipo de fogón. Esta presión se alcanza incorporando en la
conducción una válvula de seguridad construida a partir de una botella de
refresco. Se incluye un ‘tee’ en la conducción, y mientras sigue la línea de gas,
el tercer extremo de la tubería se introduce en el agua contenido en la botella
de 8 a 13 cm. También se añade un reservorio, o almacén de biogás, en la
conducción, permitiendo almacenar unos 2 a 3 metros cúbicos de biogás.
21
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Estos sistemas adaptados para altiplano han de ser ubicados en ‘cunas’
enterradas para aprovechar la inercia térmica del suelo, o bien dos paredes
gruesas de adobe en caso que no se pueda cavar. Además se les encierra a
los biodigestores en un invernadero de un sola agua, soportado sobre las
paredes laterales de adobe. En el caso de biodigestores de trópico o valle, el
invernadero es innecesario pero se ha de proteger el plástico con una
semisombra.
Los costes en materiales de un biodigestor pueden variar de 110 dólares para
trópico a 170 dólares para altiplano, ya que en la altura tienen mayores
dimensiones y requieren de carpa solar.
14.- ADAPTACIÓN DE LOS BIO-DIGESTORES
Los biodigestores han de ser diseñados de acuerdo a su finalidad, a la
disposición de ganado y tipo, y a la temperatura a la que van a trabajar. Un
biodigestor puede ser diseñado para eliminar todo el estiércol producido en una
granja de cerdos, o bien como herramientas de saneamiento básico en un
colegio. Otro objetivo sería el de proveer de cinco horas de combustión en una
cocina a una familia, para lo que ya sabemos que se requieren 20 kilos de
estiércol fresco diariamente. Como se comentó anteriormente, el fertilizante
líquido obtenido es muy preciado, y un biodigestor diseñado para tal fin ha
permitir que la materia prima esté mayor tiempo en el interior de la cámara
hermética así como reducir la mezcla con agua a 1:3.
La temperatura ambiente en que va a trabajar el biodigestor indica el tiempo de
retención necesario para que las bacterias puedan digerir la materia. En
ambientes de 30 ºC se requieren unos 10 días, a 20 ºC unos 25 y en altiplano,
con invernadero, la temperatura de trabajo es de unos 10 ºC de media, y se
requieren 55 días de tiempo de retención. Es por esto, que para una misma
cantidad de materia prima entrante se requiere un volumen cinco veces mayor
para la cámara hermética en el altiplano que en el trópico.
22
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
Digestores anaeróbicos en Tel-Aviv, Israel
23
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
15.- CONCLUSIONES
Viendo toda la información que se ha podido estudiar se puede llegar a la
conclusión siguiente:
a) el compuesto metano es un gas de mucha importancia que se puede
encontrar en la naturaleza y que es de muy fácil obtención
almacenamiento y puede ser implementado como proyectos en pequeñas
comunidades donde no cuenten con energía.
b) Gracias a las propiedades físicas y químicas se puede contar con una
infraestructura adecuada para el almacenamiento de este gas comercial
c) El metano es un gas de efecto invernadero en segundo lugar después del
dióxido de carbono en consiguiente como este gas se forma de forma
natural en los pantanos, erupciones volcánicas, lagunas de oxidación,
granjas, y otros, al tener programas de captura y manejo de este gas seria
de gran importancia y un aporte a la preservación y conservación del
medio ambiente.
d) Este pequeño trabajo de investigación puede dar las nociones necesarias
para incursionar en lo que es un estudio mas profundo de lo que es el gas
metano.
e) La captura de este gas se puede hacer mediante bio-digestores
construidos manualmente lo que es viable la instalación en pequeñas
comunidades y apuntar a la industrialización del gas como se hace en
otros países desarrollados.
f) Seria una buena forma de que los gobiernos locales de las comunidades
donde hace falta energía podrían ver la forma del conseguir estudios mas
24
UNIVERSIDAD PRIVADA DOMINGO SAVIO TRABAJO FINAL DE QUIMICA ORGANICA BIOGAS – METANO NH4
detallados y un análisis de factibilidad para la implementación de estos
sistema de recuperación de energía
g) Se cumplió con los objetivos específicos que se mencionan al comienzo
del trabajo
16.- RECOMENDACIONES
a) el estudio no debe ser tomado en cuenta para realizar la implementación
ya que no se cuenta con un estudio técnico donde pueda verse cuales
son las capacidades de los materiales ni las dimensiones de los bio-
digestores, hay que tener en cuenta ya que el gas es un gas volátil
explosivo y que si es mal manejado puede ocasionar accidentes.
b) Hay que consultar la bibliografía recomendada ya que solo se obtiene
información del Internet. Es decir consultar libros donde se tenga la
veracidad de que la información es verídica y confiable.
c) Se necesita contar con mas esquema para poder tener una idea clara
de lo que es en si un bio- digestor y ser asesorado por personas que ya
hayan realizado este tipo de trabajo.
d) Hay que tener todas las recomendaciones técnicas para la construcción
de bio-digestores
25