jueves, 22 de junio de 2017

5 FUENTES NATURALES DE LOS ALCANOS E IMPORTANCIA ALIMENTARIA

Las tres principales fuentes de alcanos en todo el mundo son los combustibles fósiles, a saber, el gas natural, el petróleo y el carbón. Los combustibles fósiles representan aproximadamente el 80% de la energía total consumida en los Estados Unidos. La energía eléctrica nuclear, la energía hidroeléctrica, y las fuentes de energía renovables tales como energía solar y eólica componen la mayor parte del 20% restante. Además, los combustibles fósiles proporcionan la mayor parte de las materias primas utilizadas para fabricar productos químicos orgánicos como los omnipresentes plásticos, además, muchos fertilizantes se sintetizan a partir del petróleo, por lo que algunos autores sostinen que el nombre para el siglo XX y lo que llevamos del XXI en los libros de historia del futuro bien podrá ser “La edad del Petróleo y los Combustibles Fósiles” (García-Olivares & Turiel, 2013; Huber, 2009; Quilley, 2009).

5.1 Gas natural

El gas natural consiste en aproximadamente 90% -95% de metano; 5% -10% de etano; Y una mezcla de otros alcanos de punto de ebullición relativamente bajo, principalmente propano, butano y 2-metilpropano. El uso generalizado actual del etileno como el bloque de construcción más importante de la industria química orgánica es en gran parte el resultado de la facilidad con la cual el etano se puede separar del gas natural y craqueado en el etileno. El craqueo es un proceso mediante el cual un hidrocarburo saturado se convierte en un hidrocarburo insaturado más H2. El etano se craquea calentándolo en un horno a una temperatura de 800 ° C a 900 ° C durante una fracción de segundo. La producción de etileno en los Estados Unidos en 2010 fue de 49.800 millones de libras, lo que lo convierte en el compuesto orgánico número uno producido por la industria química de los EE.UU., sobre una base de masa. La mayor parte del etileno producido de esta manera se utiliza para crear polímeros orgánicos.


5.2 Petróleo

El petróleo es una mezcla líquida espesa y viscosa de miles de compuestos, la mayoría hidrocarburos, formados por la descomposición de plantas y animales marinos. El petróleo y los productos derivados del petróleo alimentan automóviles, aviones y trenes. Proporcionan la mayoría de las grasas y lubricantes requeridos para la maquinaria de nuestra sociedad altamente industrializada. Además, el petróleo, junto con el gas natural, proporciona casi el 90% de las materias primas orgánicas para la síntesis y fabricación de fibras sintéticas, plásticos, detergentes, drogas, tintes y una multitud de otros productos. De los miles de hidrocarburos diferentes en la mezcla líquida, la tarea de la industria de refinación de petróleo es producir productos utilizables con un mínimo de residuos. Los diversos procesos físicos y químicos para este propósito se dividen en dos grandes categorías: procesos de separación que separan la mezcla compleja en varias fracciones y procesos de reforma que alteran la estructura molecular de los componentes hidrocarbonados mismos.

El proceso de separación fundamental en el refinado de petróleo es la destilación fraccionada (figura siguiente). La mayor parte del petróleo crudo que entra en una refinería va a las unidades de destilación, donde se calienta a temperaturas tan altas como 370 ° C a 425 ° C y se separan en fracciones. Cada fracción contiene una mezcla de hidrocarburos que hierve dentro de un rango particular.

Los dos procesos de reformado más comunes son el craqueo, como se ilustra por la conversión térmica de etano en etileno  y el reformado catalítico. El reformado catalıtico se ilustra mediante la conversión de hexano en primer lugar en ciclohexano y luego en benceno.

5.3 Carbón

Para entender cómo se puede utilizar el carbón como materia prima para la producción de compuestos orgánicos, es necesario discutir el gas de síntesis. El gas de síntesis es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno en proporciones variables dependiendo de los medios por los que se fabrica. El gas de síntesis se prepara haciendo pasar vapor sobre carbón caliente; También se prepara mediante oxidación parcial de metano con oxígeno.

Dos compuestos orgánicos importantes producidos casi exclusivamente a partir de monóxido de carbono e hidrógeno son el metanol y el ácido acético. En la producción de metanol, la relación de monóxido de carbono a hidrógeno se ajusta a 1: 2 y la mezcla se hace pasar sobre un catalizador a temperatura y presión elevadas.

El tratamiento del metanol, a su vez, con monóxido de carbono sobre un catalizador diferente da ácido acético.

Debido a que los procesos para la fabricación de metanol y ácido acético directamente del monóxido de carbono están probados comercialmente, las próximas décadas probablemente verán el desarrollo de rutas a otros químicos orgánicos del carbón a través del metanol.

5.4 Científicos locos y alimentación mundial

En la actualidad el metano es la principal fuente de materia prima para la síntesis de fertilizantes, por medio de la combinación de dos procesos, la síntesis de hidrógeno y el proceso de Haber-Bosch.  Hay cuatro fuentes principales para la producción comercial de hidrógeno: gas natural, petróleo, carbón y electrólisis; Que representan el 48%, 30% 18% y 4% de la producción mundial de hidrógeno, respectivamente (Press et al., 2009). Los combustibles fósiles son la fuente dominante de hidrógeno industrial (Häussinger, Lohmüller, & Watson, 2000). El hidrógeno puede generarse a partir de gas natural con una eficiencia de aproximadamente 80%, o de otros hidrocarburos a un grado variable de eficiencia. Específicamente, el hidrógeno a granel se produce generalmente mediante el reformado con vapor de metano o gas natural.   

La producción de hidrógeno a partir del gas natural “metano” es la fuente de hidrógeno más barata en la actualidad. Este proceso consiste en calentar el gas en presencia de vapor y un catalizador de níquel. La reacción exotérmica resultante rompe las moléculas de metano y forma monóxido de carbono CO e hidrógeno H2. El gas de monóxido de carbono puede entonces pasar con vapor sobre óxido de hierro u otros óxidos y experimentar una reacción de cambio de gas de agua. Esta última reacción produce aún más H2. La desventaja de este proceso es que sus subproductos principales son CO, CO2 y otros gases de efecto invernadero. Dependiendo de la calidad de la materia prima (gas natural, gases ricos, nafta, etc.), una tonelada de hidrógeno producido también producirá de 9 a 12 toneladas de CO2 (Press et al., 2009).

Para este proceso a altas temperaturas (700-1100°C), el vapor (H2O) reacciona con metano (CH4) en una reacción endotérmica para producir gas de síntesis (reacción c1). En una segunda etapa, se genera hidrógeno adicional a través de la reacción de cambio de gas de agua, exotérmica, de temperatura más baja, realizada a aproximadamente 360ºC (reacción c2). 

Esencialmente, el átomo de oxígeno (O) se separa del agua adicional (vapor) para oxidar CO a CO2. Esta oxidación también proporciona energía para mantener la reacción. El calor adicional requerido para conducir el proceso generalmente se suministra quemando parte del metano. La reforma del vapor genera dióxido de carbono (CO2). Dado que la producción se concentra en una instalación, es posible separar el CO2 y disponer de él sin liberación atmosférica, por ejemplo inyectándolo en un depósito de petróleo o gas, aunque actualmente no se hace en la mayoría de los casos por lo que es un proceso contaminante (Cormos, Petrescu, & Cormos, 2014).

Ahora, una vez se tiene hidrógeno se puede dar inicio al proceso de Haber.  A lo largo del siglo XIX la demanda de nitratos y amoníaco para su uso como fertilizantes y materias primas industriales había ido aumentando constantemente. La fuente principal fue la minería de depósitos de nitratos. A principios del siglo XX se estaba prediciendo que estas reservas no podrían satisfacer la demanda futura (Laylin, 1993) y la investigación sobre nuevas fuentes potenciales de amoníaco se hizo más importante. La fuente obvia era el nitrógeno atmosférico (N2), que comprende casi el 80% del aire, sin embargo el N2 es excepcionalmente estable y no reaccionará fácilmente con otros productos químicos. La conversión de N2 en amoníaco planteó un desafío para los químicos a nivel mundial.

El proceso de Haber, también llamado el proceso de Haber-Bosch, es un proceso artificial de la fijación del nitrógeno y es el procedimiento industrial principal para la producción del amoníaco en la actualidad. Se nombra por sus inventores, los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch, que lo desarrollaron en la primera mitad del siglo XX. El proceso convierte el nitrógeno atmosférico (N2) en amoníaco (NH3) mediante una reacción con hidrógeno (H2) usando un catalizador metálico bajo altas temperaturas y presiones.

Haber “que admitámoslo, encaja en la idea de un científico loco y malvado pues estuvo involucrado en el uso del dicloro gaseoso como arma en la I guerra mundial”, con su ayudante Robert Le Rossignol, desarrolló los dispositivos de alta presión y los catalizadores necesarios para demostrar el proceso de Haber a escala de laboratorio (Charles, 2005; Haber, n.d.; Modak, 2002). Ellos demostraron su proceso en el verano de 1909 produciendo amoníaco del aire, gota a gota, a razón de aproximadamente 125 ml por hora. El proceso fue adquirido por la compañía química alemana BASF, que asignó a Carl Bosch la tarea de ampliar la máquina de mesa de Haber a la producción a nivel industrial (Hager, 2008, 2009).  Haber y Bosch recibieron premios Nobel en 1918 y 1931, respectivamente, por su trabajo en la superación de los problemas químicos y de ingeniería de la tecnología a gran escala, de flujo continuo y de alta presión. El amoniaco se fabricó por primera vez utilizando el proceso Haber a escala industrial en 1913 en la fábrica de Oppau de BASF en Alemania, alcanzando 20 toneladas al día al año siguiente. Durante la Primera Guerra Mundial, la producción de municiones requirió grandes cantidades de nitrato. Los Aliados tenían acceso a grandes yacimientos de nitrato de sodio en Chile (denominados "salitre de Chile") controlados por empresas británicas. Alemania no tenía tales recursos, así que el proceso de Haber demostró ser esencial al esfuerzo de guerra alemán. El amoníaco sintético del proceso Haber se utilizó para la producción de ácido nítrico, un precursor de los nitratos utilizados en explosivos (Hager, 2008, 2009).

Referencias generales de libros

(Brown et al., 2018; Brown & Poon, 2014; Bruice, 2011, 2014a, 2014b, 2016; Carey & Giuliano, 2011; Clayden et al., 2012; Favre & Powell, 2013; Klein, 2015; McMurry et al., 2007; McMurry, 2012; Ouellette & Rawn, 2015; Solomons et al., 2014; Solomons & Fryhle, 2000, 2004, 2007, 2011; Vollhardt & Schore, 2014; Wade, 2009, 2013)

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