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7/30/2019 Monografia Gas de Sintesis1
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERA DE PETRLEO
CURSOS ESPECIALES DE GRADO
EVALUACIN TCNICA Y ECONMICA DEL PROCESO
DE OBTENCIN DE GAS DE SNTESIS, RICO EN
HIDRGENO, POR REFORMADO CON VAPOR DEL GAS
NATURAL A PARTIR DEL METANO
REALIZADO POR:
Br. BENTEZ LPEZ, Lilibeth del Valle C.I.: 15.036.475
Br. GONZLEZ RODRGUEZ, Adriana Coromoto C.I.: 13.936.634
Trabajo Especial de Grado como Requisito Parcial para Optar el Ttulo de:
INGENIERO DE PETRLEO
Puerto la Cruz, Octubre 2008
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERA DE PETRLEO
CURSOS ESPECIALES DE GRADO
EVALUACIN TCNICA Y ECONMICA DEL PROCESO
DE OBTENCIN DE GAS DE SNTESIS, RICO EN
HIDRGENO, POR REFORMADO CON VAPOR DEL GAS
NATURAL A PARTIR DEL METANO
REALIZADO POR:
Br. BENTEZ LPEZ, Lilibeth del Valle C.I.: 15.036.475
Br. GONZLEZ RODRGUEZ, Adriana Coromoto C.I.: 13.936.634
_________________________
Ing. JOS RONDNAsesor Acadmico
Trabajo Especial de Grado como Requisito Parcial para Optar el Ttulo de:
INGENIERO DE PETRLEO
Puerto la Cruz, Octubre 2008
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERA DE PETRLEO
CURSOS ESPECIALES DE GRADO
EVALUACIN TCNICA Y ECONMICA DEL PROCESO
DE OBTENCIN DE GAS DE SNTESIS, RICO EN
HIDRGENO, POR REFORMADO CON VAPOR DEL GAS
NATURAL A PARTIR DEL METANO
_________________________ ______________________
Ing. CARMN VELSQUEZ Ing. ARTURO RODULFOJurado Principal Jurado Principal
Trabajo Especial de Grado como Requisito Parcial para Optar el Ttulo de:
INGENIERO DE PETRLEO
Puerto la Cruz, Octubre 2008
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RESOLUCIN
IV
RESOLUCIN
DE ACUERDO AL ARTCULO 44 DEL REGLAMENTO DE
TRABAJO DE GRADO: LOS TRABAJOS DE GRADO SON
DE EXCLUSIVA PROPIEDAD DE LA UNIVERSIDAD DE
ORIENTE Y SLO PODRN SER UTILIZADOS PARA
OTROS FINES CON EL CONSENTIMIENTO DEL CONSEJO
DE NCLEO RESPECTIVO, QUIN LO PARTICIPAR AL
CONSEJOUNIVERSITARIO.
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DEDICATORIA
V
DEDICATORIA
Mi monografa la dedico con todo mi amor y cario.
A ti Dios que me distes la oportunidad de vivir, de guiarme en cada
uno de mis pasos en el transcurso de mi vida, por mantenerme en el buen
camino y regalarme este sueo de ser una profesional, y por ayudarme a
cumplir esta gran meta.
Con mucho cario principalmente a mis padres Mara Lpez y Eddy
Bentez, que me dieron la vida y han estado conmigo en todo momento, ya
que ellos son lo ms hermoso que tengo. Gracias por todo pap y mam por
darme una carrera para mi futuro y por creer en m, aunque hemos pasado
momentos difciles, siempre han estado apoyndome y brindndome todo su
amor, por todo esto, le agradezco el que estn conmigo a mi lado. Los amo
con todo mi corazn, y este trabajo es para ustedes, por ser la ms grande
de sus hijas aqu est lo que ustedes me brindaron, solamente les estoydevolviendo lo que me dieron en un principio. A mi hermana, Liliana por estar
conmigo y por apoyarme siempre. Te quiero mucho.
A mis abuelos maternos, Isbelia y Benjamn, que ya no estn conmigo
les doy gracias porque siempre recuerdo sus sabios consejos, no importa
donde se encuentren se que desde donde estn me llenarn de sus
bendiciones y siempre los llevar en mi corazn, los adoro. A mis abuelos
paternos, Carmen y Jos, que estn presentes en m da a da, que los adoro
por todo lo que me han dado y apoyado.
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DEDICATORIA
VI
A mis tos y tas, por todo el apoyo que me brindaron, por estar
pendiente de m, cuando los necesit. A mis primos y primas porque se que
viven conmigo esta gran alegra.
A mi novio, D. Gregorio B., por estar all y vivir da a da el transcurrir
de mi carrera, por ayudarme, por apoyarme y brindarme los mejores y ms
bellos consejos, a l le debo muchas cosas lindas, Te quiero mi vida.
A mi gran amiga, A. Maholys lvarez, porque luche con ella, pas
momentos tristes y alegres, le doy gracias a Dios por tenerla an conmigo, te
quiero amiga. A mi padrino Williams Chvez, lo adoro.
A mis compaeras(os) de estudio y amigas(os), Nai, Mara J., Yudci,
Migue, Caleta, Dani, Gabo, Evo, Vane, Harold, Yezmn, y muchos otros ms
que no los nombro no porque no los quiera sino porque son muchos, muchas
gracias por estar conmigo en todo este tiempo, recuerden que siempre los
llevar en mi corazn.
A los Docentes de Petrleo, Moncho, Ivn, Castro, Salas, Quintero,Lennys F., Simn (tcnico) y Pedro (tcnico), que me brindaron su confianza
y me dieron su amistad, gracias.
A Mario, Isvelia, ngel, y Jos, mis profesores de reas de grado por
sus conocimientos impartidos.
A la universidad de Oriente (Ncleo Anzotegui), a la que le debo mi
formacin profesional. Y no me puedo ir sin antes decirles, que sin ustedes a
mi lado no lo hubiera logrado, tantas desveladas sirvieron de algo y aqu est
el fruto.
Lilibeth del Valle Bentez Lpez.
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DEDICATORIA
VII
DEDICATORIA
Dedico esta monografa
A mi Amigo que nunca falla Jess Misericordioso, por que haz
estado conmigo, a mi lado, nunca me dejaste caer y me diste
fortaleza en todo momento, Jess Confo y Confiar Siempre En Ti!
A mi Madre del Cielo Mara Auxiliadora de los Cristianos, por ser ella
quien me mantiene por el camino del bien, hacia su amadsimo hijo
Nuestro Seor Jesucristo, por ser ella quien intercede por mi ante
Dios y me protege con su manto.
Especialmente a mis queridos padres Jess y Carmen, quienes con
muchos sacrificios lograron llevarme hasta lo que soy actualmente,
a mi esposo Antonio quien fue mi apoyo y el hombro de consuelo
en la ltima fase de mi carrera.
Al Profesor Flix Acosta, Juan Quintero y a todos los Ingenieros que
desempean su trabajo docente en el Departamento de Ingeniera
de Petrleo de la Universidad de Oriente que fueron mis formadores
a ellos les debo lo que he aprendido a lo largo de mi carrera.
A todos mis compaeros de estudios, en forma especial a Jhary,
Alexander, Victor y Yudciry.Que Dios los bendiga por siempre!
Adriana C. Gonzlez R.
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DEDICATORIA
IX
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AGRADECIMIENTOS
X
AGRADECIMIENTOS
Para mi Dios que puso los medios para estar y llegar a donde estoy, ya que
me dio la fortaleza espiritual y fsica.
A mi mam y mi pap porque me proporcionaron todo su apoyo total y
su Fe en m de que podra terminar. A mi hermana que confi en que lo
lograra. Y para mis abuelos (as), tos (as), primos (as) y dems familiares
allegados.
A mi novio que siempre me deseo lo mejor.
Para mi amiga Maholys, mis comadres Yamilena, y Gaudys por su
amistad incondicional y sus oraciones.
A mis grandes amigos (as) y compaeros de universidad que siempre
me dieron las mejores palabras de aliento.
Para mis profesores de reas, Mario Briones, Jos Rondn, Isvelia
Avendao y ngel Pereira por su apoyo y su confianza. Admiro su calidad
humana.
A mis compaeros de monografa Elio, Alfredo y Adriana. Por ser
grandes amigos. A Jesmir, Erika, Mancha, Sergio, Lois y Mara, por su gran
amistad y bueno a todos mis compaeros de reas.
Para mi profesora Lennys Fernndez, la quiero mucho, gracias por su
apoyo y confianza.
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AGRADECIMIENTOS
XI
A Yalinet, Yamileth, Evelyn, Marielvys, por estar conmigo siempre, les
agradezco su ayuda amigas.
A Josmary Mendoza, mi otra gran amiga te quiero mucho.
A todos Uds., mil gracias de corazn, que Dios los bendiga, porque
han sido una bendicin en mi vida.
Lilibeth Del Valle Bentez Lpez.
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AGRADECIMIENTOS
XII
AGRADECIMIENTOS
A Jess Misericordioso y Mara Auxiliadora de los Cristianos, sin
ustedes que sera de mi?, gracias por ser mi fortaleza, todo esto
es obra de vosotros.
A todas aquellas personas que fueron trabas y problemas en mi
camino, sin ustedes la emocin de alcanzar esta maravillosa
meta no fuera tan grande.
A mis queridos padres Jess y Carmen, por todos los sacrificios,
la dedicacin y los buenos consejos que siempre obtuve de
ustedes.
A mi esposo Antonio, sin ti a mi lado difcilmente hubiese
alcanzado esta meta, te desvelaste, estudiaste y sufriste
conmigo, todo esto tambin te lo gaste t.
Al Profesor Flix Acosta, quien durante su funcin como jefe de
departamento, siempre supo ayudarme y prestar el apoyo
necesario a los problemas que se me presentaron, igualmente
por toda su labor docente en Perforacin y Seminario.
Al Profesor Juan Quintero, quien no solo me formo en simulacin
de yacimientos, si no que siempre me dijo: Tu puedes hacerlo!.
A Jhary, por que te levantaste amiga y fuiste mi ejemplo a
seguir.
Adriana C. Gonzlez R.
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AGRADECIMIENTOS
XIII
AGRADECIMIENTOS
A Dos por guiarme por el buen camino y darme salud, fuerza y pacienciapara sobreponerme a todas las adversidades que se me han presentado
en la vida.
A mis padres, Elio Coraspe y Reina Figuera de Coraspe, por el apoyo
moral, fsico, emocional y econmico que me han brindado a la largo de
mi dichosa y fructfera vida. Sin ustedes no sera quien soy. Gracias por
sus consejos y por hacer de mi una valiosa persona. Muchas y miles deGracias. Nunca encontrare la manera de agradecerles todo lo que han
hecho por m. Los amo con todas mis fuerzas y siempre sern mis
grandes y nicos hroes.
A mis hermanos, Alexander, Mara y Reina, quienes fueron mi ejemplo a
seguir y quienes me brindaron su apoyo incondicional y estuvieron
conmigo en las buenas y en las malas, en mi felicidad y en mis desdichas.Gracias por su comprensin sin ustedes no sera quien soy ahora. Los
quiero muchsimo.
A mi novia preciosa Elizmar Karina, quien le brindo su amor a este
extrao y lleg a mi vida para convertirla en algo indescriptible. Su amor
fue mi sostn para soportar todas las dificultades que atraves en esta
dura y tortuosa carrera. Te Amo y no tengo palabras para expresar ese
amor tan inmenso y ojala la vida nos lleve por el mismo camino y
podamos concretar lo que hasta ahora es un bello y prometedor proyecto
de nuestras vidas. Te Amo y te seguir amando el resto de mis das.
Gracias por todo mi chimita.
A mis sobrinos Elio Efran, Alejandrito, Thaitsha, y Azael quienes
brindaron en mi vida ese momento de paz, risas y tranquiladad que todo
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AGRADECIMIENTOS
XIV
estudiante necesita para poder llegar esta carrera con toda la cordura
posible. A ustedes los quiero mucho.
A una niita que se robo mi corazn de una manera impresionante todo
mi corazn y que con su dulzura cautivo todo mi ser. Para ti Isabella
Valentita todas las bendiciones del mundo y Gracias por hacerme tan
feliz.
A mis compaeros de mi grupo de las reas de grado, Lili, Adriana y
Alfredo, por comportarse a la altura de grandes ingenieros y brindarme
muchos momentos de grata alegra y felicidad.
A mis compaeros de la Seccin 02 de las reas de grado, con especial
nfasis a mis queridos amigos Mancha, Sergio, Lois, Mara, Jesmir y Erika
quienes enriquecieron mi vida con cada una de sus experiencias. Gracias
por todo muchachos y que Dios los bendiga a todos.
A mis queridos profesores Isbelia Avendao, Mario Briones, ngel Pereiray Jos Rondn, por dedicarme todo su tiempo y tomarse la molestia de
nutrirme con sus conocimientos y experiencias personales. Mil gracias y
siempre estarn presente en cada uno de mis pasos.
A todas aquellas personas que s que son muy valiosas en mi vida y que
por motivos ajenos a mi no he podido nombrar. Muchas gracias por su
apoyo y comprensin.
Elio J. Coraspe F.
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AGRADECIMIENTOS
XV
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CONTENIDO
XVI
CONTENIDO
Pginas
TTULO DEL TRABAJO DE GRADO I
RESOLUCIN IV
DEDICATORIAS V
AGRADECIMIENTOS X
CONTENIDO XVI
LISTA DE TABLAS XX
LISTA DE FIGURAS XX
RESUMEN XXII
CAP TULO I:
1.1.- Introduccin.
1.2.- Planteamiento del Problema
1.3.- Objetivos (General y Especficos)
3
5
7
CAPTULO II: MARCO TERICO
2.1.- Gas Natural.
2.2.- Ventajas.
2.3.- Caractersticas y propiedades del Gas Natural.
2.4.- Gas de Sntesis.
2.4.1.- Produccin gas de sntesis.
2.4.2.- Gas de sntesis por gasificacin de carbn.2.4.2.1.- Factores de operacin.
2.4.2.2.- Factores dependientes del residuo gasificado.
2.4.3.- Gas de sntesis por disociacin de gas natural y de
petrleo.
2.4.4.- Purificacin y aplicacin del gas de sntesis.
xxxxx
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9
10
12
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CONTENIDO
XVII
2.5.- Anlisis Econmico.
2.5.1.- Costos.
2.5.1.1.- Costos directos.
2.5.1.2.- Costos indirectos.
2.5.2.- Indicador de costos.
2.5.3.- Estimados de costos
30
30
30
30
30
31
CAPTULO III: METODOLOGA
3.1.- Recopilacin de informacin.
3.2.- Distincin de los componentes principales del gas de
sntesis.3.3.- Establecimiento de las reacciones que se llevan a cabo en
el proceso de obtencin de gas de sntesis a partir del gas
natural.
3.4.- Enfoque del proceso de obtencin de gas de sntesis
mediante un diagrama de campo.
3.5.- Estudio del proceso de obtencin de gas de sntesis a
travs del simulador Hysys Plant.3.6.- Dimensionamiento de los equipos ms importantes
presentes en el proceso de obtencin de gas de sntesis
utilizando como materia prima el gas natural.
3.7.- Estimacin de costos clase V de los equipos que se
utilizarn en el proceso de obtencin de gas de sntesis, a travs
del gas natural.
3.8.- Redaccin del trabajo de grado.
33
33
33
34
34
35
35
35
CAPTULO IV: DESARROLLO
4.1.- Obtencin de los componentes puros del gas de sntesis.
4.1.1.- Monxido de Carbono.
4.1.2.- El Hidrgeno.
4.1.2.1.- El hidrgeno como nueva fuente de energa.
4.1.2.2.- Utilizacin del hidrgeno.
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CONTENIDO
XVIII
4.1.2.3.- Obtencin del hidrgeno.
4.5.- Diagrama de campo.
4.6.- Simulacin Hysys Plant.
4.6.1- Proceso en estudio.
4.6.2.- Paquete Fluido.
4.6.3.- Reacciones del Modelo.
4.6.4.- Conjuntos de Reacciones.
4.6.5.- Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido.
4.6.6.- Simulacin en estado estacionario.
4.6.6.1.- Reactor Reformador.
4.6.6.2.- Corrientes.4.2.6.3.- Reactor de conversin.
4.6.6.4.- Reactor de combustin.
4.6.6.4.1.- Corrientes.
4.7.- Reactor de conversin.
4.8.- Reactores de sntesis.
4.8.1.- Reactor de equilbrio R-102.
4.8.2.- Reactor de equilbrio R-103.4.8.3.- Reactor de equilbrio R-104.
4.9.- Ajuste de Condiciones de Operacin.
4.9.1.- Ajuste del Flujo de vapor.
4.9.2.- Ajuste del Flujo de aire.
4.9.3.- Casos de estudio.
4.10.- Estimados de costos clase V
4.10.1.- Mtodo de estimacin basado en el coste de equipos.Mtodos factoriales.
4.10.1.1.- Mtodo de Lang.
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61
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66
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67
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78
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81
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86
CAP TULO V: DISCUSI N DE RESULTADOS
CAPTULO VI:
6.1.-Conclusiones
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CONTENIDO
XIX
6.2.- Recomendaciones.
6.3.- Bibliografa.
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LISTA DE TABLAS
XX
LISTA DE TABLAS
Pginas
Tabla N 1.- Componentes y caractersticas del gas natural.
Tabla N 2.- Caractersticas fisicoqumicas del hidrgeno.
Tabla N 3.- Temas relevantes en el rea de produccin
(obtencin) de hidrgeno.
Tabla N 4.- Composicin tpica del gas producido por los
diferentes tipos de gasificadores.
Tabla N 5.- Costos anuales que la planta de obtencin de gas de
sntesis genera. (Anlisis econmico).
Tabla N 6.- Costos de maquinarias y equipos.
Tabla N 7.- Costos de produccin para reformado de metano por
vapor con o sin secuestro.
Tabla N 8.- Eficiencia y costos anuales de la produccin de
hidrgeno.
Tabla N 9.- Clasificacin de los estimados de costos segnPDVSA.
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83
83
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LISTA DE FIGURAS
XXI
LISTA DE FIGURAS
Pginas
Figura N 1.- Diagrama de flujo de una planta de produccin de
gas de sntesis.
Figura N 2.- Proceso Lurgi.
Figura N 3.- Diagrama de flujo del proceso para obtener metanol
por hidrogenacin Del CO.
Figura N 4.- Diagrama de flujo de reacciones qumicas con
monxido de carbono
Figura N 5.- Diagrama de obtencin de hidrgeno.
Figura N 6.- Reformador de gas natural con vapor de agua.
Figura N 7.- Equilibrio entre componentes del gas reformado en
funcin de la Temperatura.
Figura N 8.- Representacin isomtrica de un horno de steam
reforming..
Figura N 9.- Posicin alternativa de los mecheros en los hornosde reformado con vapor.
Figura N 10.- Reformado com vapor de metanol y etanol.
Figura N 11.-Esquema simplificado del proceso de gas de
sntesis con reformador secundario.
Figura N 12.- Diagrama de obtencin de hidrogeno por
oxidacin parcial de hidrocarburos.
Figura N 13.- Ciclo combinado, pila de combustible.Figura N 14.- Diagrama de Flujo para la obtencin del gas de
sntesis.
Figura N 15.- Diagrama de flujo de una planta de produccin de
gas de sntesis.
Figura N 16.- Estequiometria de La reaccin Rxn-1 del conjunto
global Rxn Set.
Figura N 17.- Fase y conversin de La reaccin Rxn-1 del
13
15
25
38
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47
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LISTA DE FIGURAS
XXII
conjunto global Rxn Set.
Figura N 18.-Conjunto de reacciones Reformador Rxn Set
Figura N 19.-Conjunto de reacciones Combustor Rxn Set
Figura N 20.-Conjunto de reacciones Equilibrio Rxn Set
Figura N 21.- Especificacin de igualdad de presiones entre gas
y vapor.
Figura N 22.- Especificacin del gas.
Figura N 23.- Especificacin del vapor.
Figura N 24.- Especificacin entre el gas y el vaporC.
Figura N 25.- Especificacin entre el gas y el aire.
Figura N 26.- Especificacin del vaporC.Figura N 27.- Especificacin del aire.
Figura N 28.- Especificacin del Vr.
Figura N 29.- Especificacin del Vc.
Figura N 30.- Especificacin del Ve2.
Figura N 31.- Especificacin del Ve3.
Figura N 32.- Ajuste de flujo de VaporC para el control de
temperatura de R-102.
67
68
68
69
70
70
72
72
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74
75
76
76
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RESUMEN
XXIII
RESUMEN
En este trabajo se estudiar la evaluacin tcnica y econmica del
proceso de obtencin del gas de sntesis, rico en hidrgeno, por
reformado con vapor del gas natural a partir del metano, el objetivo del
reformado es convertir el gas natural (principalmente metano) en una
mezcla de hidrgeno, nitrgeno y xidos de carbono, a travs del
agregado de vapor de agua y de aire, el reformado tiene lugar en dos
etapas: en un reformador primario calentado mediante fuego directo y en
un reformador secundario, cataltico y autotrmico, luego el gas natural
proveniente de la seccin de desulfurizacin se mezcla con vapor de
agua. Con este fin se realizar la simulacin del proceso de obtencin del
gas de sntesis, utilizando el simulador comercial HYSYS PLANT, se
dimensionarn los equipos y se estimaran los costos Clase V de los
equipos presentes en el proceso de obtencin de gas de sntesis del gas
natural.
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CAPTULO I. INTRODUCCIN
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1.1.- INTRODUCCIN
El gas de sntesis est compuesto principalmente de H2 y CO. Este gas
puede ser usado para la generacin de energa o como precursor para la
produccin de hidrgeno, compuestos qumicos y combustibles sintticos.
Puede ser producido a partir de cualquier fuente de hidrocarburos como
son el gas natural, aceites residuales, coque de petrleo, carbn o
biomasa. Sin embargo, hoy en da la forma ms barata de producir gas de
sntesis es a partir del gas natural. La tecnologa predominante es el
reformado con vapor, aunque existen otras tecnologas alternativas como
la oxidacin parcial o el reformado auto-trmico de metano.
De todos los procesos posibles de produccin los ms comunes
son los descritos a nivel de formulacin en el apartado anterior, que son el
reformado de hidrocarburos con vapor y la oxidacin parcial. A pesar de
que estos procesos pueden funcionar perfectamente con gas natural, gas
de refinera o otras mezclas de gases hidrocarbonatos su gran ventaja esque pueden producir hidrogeno a partir de hidrocarburos lquidos como
gas oil, diesel, y en ocasiones fuel oil. Estas son tres versiones
comerciales del proceso.
El proceso de reformado con vapor consiste en exponer al gas
natural, de alto contenido de metano, con vapor de agua a alta
temperatura y presin. Se obtienen como resultado de la reaccinqumica; hidrgeno y dixido de carbono, y dependiendo el compuesto
reformado, tambin monxido de carbono, este proceso tiene una
eficiencia de 65%, y en el caso de que el gas natural contenga azufre,
este debe ser eliminado mediante la desulfuracin.
El proceso de obtencin de gas de sntesis utilizando como materia
prima el gas natural lo desarrollaremos en nuestra monografa, al ser de
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CAPTULO I. INTRODUCCIN
- 4 -
mayor aplicacin en la industria pues el uso del gas natural tiene mayores
ventajas que el uso del carbn (combustin sin cenizas, se transporta por
gasoducto, economa de la materia prima, y otras consideraciones).
De ese gas de sntesis, se obtiene una fuente de energa, el
hidrgeno, que se utiliza en muchas ramas de nuestra vida y una muy
importante como lo es en la construccin de motores para automviles.
Tecnologa que va creciendo poco a poco y se ha ido convirtiendo en la
principal punta de lanza para movilizar los nuevos autos.
Adems en esta monografa tambin describiremos las reaccionesque ocurren en el proceso, los equipos que se utilizan normalmente, para
posteriormente mostrar la simulacin del proceso y su posterior balance
econmico.
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CAPTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
- 5 -
1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La demanda energtica mundial, estimada en unos 10.000 millones detoneladas equivalentes de petrleo (BP, 2004), se ve cubierta en ms de
un 87% por combustibles fsiles como el carbn, petrleo y gas natural.
Esta dependencia tiene importantes repercusiones tanto econmicas
como ambientales. Por el lado econmico cabe destacar que su
produccin centralizada en determinadas zonas del mundo, est
gobernada por factores esencialmente polticos, lo que resulta en precios
voltiles y elevados. As mismo, en ausencia de alternativas viables, elagotamiento de las reservas de petrleo, estimadas en no ms de 40
aos (BP, 2004), resultar en un encarecimiento progresivo hasta niveles
tales que afecten el desarrollo econmico global.
En todo el mundo se apunta de forma insistente desde las
administraciones pblicas a la necesidad de preparar una transicin
controlada hacia una nueva forma de produccin y consumo energticoque sea limpio, seguro y fiable (DOE, 2004; Comisin Europea, 2003).
Una de las respuestas a esta crisis que se avecina es el uso de hidrgeno
como fuente de energa.
El hidrgeno es una fuente de energa que puede ser usado en
muchas reas, entre las que se encuentra: automvil (los cuales se
encuentran ya en existencia y en pleno funcionamiento en muchos
pases, como: Estados Unidos, Espaa y muy recientemente en
Argentina), procesamiento de amonaco, entre otras. De all que resulta
muy importante buscar las herramientas necesarias para su produccin.
El Hidrgeno del gas natural es muy factible, ya que en Venezuela
cuentan con muchsimas reservas de gas, por lo que la materia prima se
encuentra cercanamente.
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CAPTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
- 6 -
La importancia de este trabajo radica, en la creacin de nuevas
alternativas viables que permitan sustituir al petrleo como principal
fuente de energa para muchos procesos y aportar nuevos avances
tecnolgicos que permitan el desarrollo sostenible de forma econmica,
con menos impactos ambientales y facilidades de distribucin a lo largo
del mundo.
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CAPTULO I. OBJETIVOS
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1.3.- OBJETIVOS
1.3.1.- OBJETIVO GENERAL
Evaluar tcnica y econmicamente el proceso de obtencin de gas de
sntesis, rico en hidrgeno, por reformado con vapor a partir del gas
natural.
1.3.2.- OBJETIVOS ESPECFICOS
1. Distinguir los componentes principales del gas de sntesis.
2. Establecer las reacciones que se llevan a cabo en el proceso de
obtencin de gas de sntesis del gas natural.
3. Enfocar el proceso de obtencin de gas de sntesis mediante un
diagrama de campo.
4. Estudiar el proceso de obtencin de gas de sntesis a travs del
simulador Hysys Plant, utilizando data extrada de fuentes
bibliogrficas.
5. Dimensionar los equipos ms importantes presentes en el proceso
de obtencin de gas de sntesis, utilizando como materia prima el
gas natural.
6. Estimar los costos clase V de los equipos presentes en el proceso
de obtencin de gas de sntesis del gas natural.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
- 9 -
2.- MARCO TERICO
2.1.- GAS NATURAL.
El gas natural es una mezcla de gases que se encuentra
frecuentemente en yacimientos fsiles, no-asociado (solo), disuelto o
asociado con (acompaando al) petrleo o en depsitos de carbn.
Aunque su composicin vara en funcin del yacimiento del que se extrae,
est compuesto principalmente por metano en cantidades que
comnmente pueden superar el 90 95%, y suele contener otros gases
como nitrgeno, etano, CO2, H2S, butano, propano, mercaptanos y trazas
de hidrocarburos ms pesados. [1]
2.2.- VENTAJAS.
Combustible ecolgico, limpio y menos contaminante. El gas natural
es el combustible que menos contamina el ambiente, debido a que en
su combustin no se generan gases txicos, cenizas ni residuos.
Su transporte y distribucin se realiza mediante tuberas subterrneas
por lo que no daa el paisaje ni atenta contra la vida animal o vegetal.
A diferencia del GLP, que en nuestro pas es distribuido principalmente
en balones haciendo uso de vehculos pesados que circulanconstantemente por la ciudad incrementando el trfico, deteriorando el
pavimento y contaminando el ambiente.
Con el gas natural usted cuida su salud, la de su familia y tambin su
ciudad. [2]
http://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Metanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Etanohttp://es.wikipedia.org/wiki/CO2http://es.wikipedia.org/wiki/CO2http://es.wikipedia.org/wiki/CO2http://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/Butanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Propanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburohttp://es.wikipedia.org/wiki/Propanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Butanohttp://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/CO2http://es.wikipedia.org/wiki/Etanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Metanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carb%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Petr%C3%B3leohttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas7/30/2019 Monografia Gas de Sintesis1
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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2.3.- CARACTERSTICAS Y PROPIEDADES DEL GAS
NATURAL.
La composicin real de un determinado gas se obtiene y aprecia
por medio de anlisis cualitativos y cuantitativos. Estos anlisis enumeran
los componentes presentes y el porcentaje de cada componente en la
composicin total. Adems de los hidrocarburos presentes, por anlisis
se detecta la presencia o no, de otras sustancias que merecen atencin
debido a que pueden ocasionar trastornos en las operaciones de manejo,
tratamiento y procesamiento industrial del gas.
El gas natural, est constituido por hidrocarburos de bajo punto de
ebullicin; el componente principal aproximadamente el 85% es metano.
En menores proporciones est presente el etano, aproximadamente un
10% y el propano que puede llegar a porcentajes de hasta un 3%. A
manera de ilustracin, en la (Tabla N 1) se muestran las variaciones de
porcentajes que podran tener los componentes del gas. Sin embargo,
por medio del porcentaje real que ensee el anlisis de muestra de gas
de un yacimiento se podr calcular la cantidad de lquidos susceptibles
de extraccin y las posibilidades de comercializacin.
Adems, se notar tambin que el gas natural puede contener
otros gases fuera de la serie parafnica de hidrocarburos. El sulfuro de
hidrgeno aparece en el gas de muchos yacimientos petrolferos y
gasferos, generalmente desde trazas hasta 10% pero tambin encantidades excepcionalmente mayores. Este gas en muy txico y en
pequesimas cantidades desde 0,01 hasta 0,10% en la atmsfera puede
causar severa y dolorosa irritacin de la vista y hasta la muerte rpida.
De all, que si en las operaciones hay que manejar gas y/o crudos que
contengan sulfuro de hidrgeno se deben tomar las precauciones y
medidas de seguridad correspondientes. El gas natural de ciertos
yacimientos puede contener pequeas cantidades de helio. Este gas por
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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su incombustibilidad es de mucha utilidad en la aeronutica para llenar
globos aerostticos.
Se han dado casos de algunos yacimientos de gas que no
contienen casi nada de hidrocarburos pero si ms de 90 % de dixido de
carbono (CO2). Este gas se usa mucho en la fabricacin de bebidas
gaseosas, en la industria qumica y en otras aplicaciones industriales.
Solidificado se llama hielo seco.[3]
Tabla N 1. Com po nen tes y Carac terst icas del Gas Natural .
COMPONENTE FRMULA
QUMICA
ESTADO VARIACIN
DEL %
MOLECULAR
Metano CH4 Gas 55,00 - 98,00
Etano C2H6 Gas 0,10 20,00
Propano C3H8 Gas 0,05 12,00
n-Butano C4H10 Gas 0,05 3,00
Iso-Butano C4H10 Gas 0,02 2,00
n-Pentano C5H12 Lquido 0,01 0,80
Iso-Pentano C5H12 Lquido 0,01 0,80
Hexano C6H14 Lquido 0,01 0,50
Heptano + C7H16 Lquido 0,01 0,40
Nitrgeno N Gas 0,10 - 0,50
Dixido de
Carbono
CO2 Gas 0,20 30,00
Oxgeno O2 Gas 0,09 0,30
Sulfuro de
Hidrgeno
H2S Gas TRAZAS 28,00
Helio He Gas TRAZAS 4,00
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CAPTULO II. MARCO TERICO
- 12 -
2.4.- GAS DE SNTESIS
Actualmente se designa preferiblemente "gas de sntesis" a una
mezcla de gases en la que predominan monxido de carbono (CO) ehidrgeno (H2) en proporciones variables y que son adecuadas para
sntesis especiales de productos qumicos o suelen ser utilizados como
fuentes de energa. Este gas puede ser usado para la generacin de
energa o como precursor para la produccin de hidrgeno, compuestos
qumicos y combustibles sintticos.
La forma ms habitual de obtenerlo es a partir de metano, aunque
tambin puede obtenerse con facilidad a partir de etano, propano o
butano. [4]
La reaccin a conseguir cuando se utiliza el metano es:
(2.1)
2.4.1.- PRODUCCIN DEL GAS DE SNTESIS.
El proceso para la obtencin del gas de sntesis se basa
primeramente en la gasificacin del coque de hulla o de la destilacin de
lignitos con aire y vapor de agua. Despus de la Segunda Guerra Mundial
se introdujeron combustibles fsiles lquidos y gaseosos, petrleo y gas
natural, especialmente adecuados para el proceso, fciles de manejar y
que dan valiosos resultados y productos nuevos cuyo valor reside en su
contenido de hidrgeno. (Ver Figura N 1)
En la actualidad, han recuperado importancia los histricos
procesos de gasificacin en la moderna tecnologa, no obstante ser su
participacin en la produccin total slo del tres por ciento (3%) entre
todas las instalaciones del gas de sntesis del mundo en 1976. [4]
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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FIGURA N 1 Diagrama de f lujo de un a planta de p rodu ccin de
gas de sntes is .
2.4.2.- GAS DE SNTESIS POR GASIFICACIN DE
CARBN.
Varias reacciones parcialmente interdependientes son la
importancia en el proceso de gasificacin del carbn con vapor de agua y
oxgeno (O2), de las cuales la combustin parcial del carbn, exotrmica y
la formacin del gas de agua, endotrmica, constituyen propiamente las
reacciones de gasificacin:
2C + O2 2CO
mol
kjkcal/
22253 (2.2)
2C + H2O CO + H2
mol
kj
kcal/
130
31(2.3)
Adems de estas se producen otras transformaciones que se
estudiaran ms adelante.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
- 14 -
Las caractersticas generales de los procesos de gasificacin del
carbn son la elevada necesidad de energa para producir las reacciones
parciales endotrmicas y adems las elevadas temperaturas necesarias
no inferiores a 900 1000 C, para conseguir alcanzar una velocidad de
reaccin satisfactoria.
Los diferentes procesos de gasificacin se caracterizan por la clase
de carbn utilizada, ya sea hulla o lignito, y por sus propiedades fsicas y
qumicas.
Por otra parte se diferencian entre s por la tecnologa empleada,
como por ejemplo, el suministro de calor (alotrmico o autotrmico), la
forma del reactor (lecho esttico, lecho en torbellino, polvo volante). Sobre
la propia reaccin de gasificacin y la composicin del gas tienen una
influencia importante, adems del medio de gasificacin (H2O, O2 y
respectivamente, aire, CO2 y H2), las condiciones del proceso (presin,
temperatura y cantidad de carbn) y la conduccin de reaccin (corriente
paralela o contracorriente).
Entre los procesos tcnicamente comprobados son conocidos los
denominados procesos de gasificacin industrial convencional, como:
Proceso de Gasificacin Winkler: Este utiliza un carbn de
granos pequeos, que no funden y se clasifica en un lecho de
torbellino (generador de Winkler) con O2 o aire y vapor de agua
sin presin y entre temperaturas de 800 y 1100 C que
dependen de la reactividad del carbn empleado.
Proceso Koppers-Totzek: En este proceso se gasifica carbn
pulverizado o cok de petrleo en lecho fluidizado (nube de
polvo volante) con O2 y H2O sin presin a 1400 hasta 1600 C,
con formacin de llama. Por medio de esta alta temperatura de
gasificacin se evita la formacin de hidrocarburos
condensables y el gas de sntesis as obtenido tiene un
contenido de 85-90% de CO y H2.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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Proceso Lurgi: Se denomina proceso de baja presin para
obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, lquidos o
carbn. Trabaja segn el principio de un lecho slido movido
por aletas giratorias, al principio se encuentra con una presin
de 20-30 bars y 600-750 C, con lo que se produce una
desgasificacin.
Este proceso se est perfeccionando por muy diferentes
empresas con el fin de aumentar el rendimiento de sus reactores.
(Ver figura 2). [4]
Figu ra N 2. Proc eso L urg i.
Tambin existen nuevos procesos semitrmicos probados como:
Rheinbraun (H2), Bergbau- Forschung (vapor H2O) y Kellog (magma
Na2CO3), los dos primeros son empleados y siguen siendo
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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investigados en la Repblica Federal Alemana y el ltimo que ha
alcanzado un notable desarrollo en los EE.UU.
Despus de stos se han venido desarrollando en los EE.UU, unosprocesos en varias etapas que estn concebidos principalmente para la
produccin de un gas natural de sntesis (SNG = Susbtituto Natural Gas)
(Synthane = Us Bureau Of Mine) (Bi-Gas = Bituminous Coal Res.) (Hy-
Gas = Instuitute Of Gas Technology) y (Hydrane = Us Energy Res. Y Dev.
Adm.).
Existen una serie de factores que influyen en el proceso de
gasificacin, pudiendo distinguirse entre los que se refieren al modo de
operacin y al slido gasificado, y los que son inherentes al diseo del
gasificador y de los equipos auxiliares. Iremos pues examinando estos
grupos de factores uno a uno. [4]
2.4.2.1.-FACTORES DE OPERACIN.
Temperatura: La temperatura es un parmetro importante en todas
las etapas, y por tanto en el rendimiento final del proceso. En concreto,
una alimentacin nica puede dar distribuciones de productos distintos
segn la velocidad de calentamiento, el tiempo de permanencia de los
gases en el reactor y de la temperatura final alcanzada.
En los gasificadores de lecho fluidizado se tiene normalmente
velocidades de calentamiento altas (hasta miles de EC/seg), mientras que
en los reactores de lecho mvil las velocidades de calentamiento suelen
ser moderadas (del orden de 0,2 - 0,5 EC/seg).
En la etapa de gasificacin propiamente dicha, dada la
reversibilidad de la mayora de las reacciones, la temperatura influye en
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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los equilibrios de reaccin. En general para distintos combustibles puede
decirse que el aumento de temperatura favorece el aumento del contenido
en el gas producto de H2 y CO en detrimento del CH4 y del H2O.
Presin: En general el aumento de la presin desfavorece las
reacciones de gasificacin, aumentando las proporciones de
hidrocarburos y alquitranes. Los gasificadores de lecho mvil suelen
trabajar a presin atmosfrica y los de lecho fluidizado suelen trabajar
a presin, alcanzndose hasta los 30 bars en algunos casos.
Relacin agente gasificante/residuo: Es uno de los parmetros msimportantes en la gasificacin, especialmente cuando est se
autoabastece energticamente mediante la oxidacin parcial, con aire
u oxgeno del residuo tratado. Valores excesvamente bajos de este
parmetro pueden no generar la cantidad suficiente de energa para
mantener el proceso en las condiciones adecuadas, produciendose
una disminucin del rendimiento.
Por otro lado, cuando el agente gasificante es aire, existe adems
un efecto de dilucin por parte del N2. Por ello hay un valor ptimo de la
relacin gasificante/residuo para cada proceso, que depende bsicamente
de la composicin del residuo gasificado.
As, por ejemplo, cuando se trata de biomasa forestal la relacin
ptima en peso de aire/biomasa se ha comprobado que est entre 0,5 y1,6 para los gasificadores de lecho fluido, y alrededor de 1,5 para los
gasificadores de lecho mvil. S se conjuga, por un lado el aumento de
temperatura que produce una disminucin de la proporcin de residuo
slido y condensables generados en la etapa de pirlisis, y por otro la
disminucin de la calidad del gas. [4]
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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2.4.2.2.- FACTORES DEPENDIENTES DEL RESIDUO
GASIFICADO.
Anlisis elemental: El contenido en Carbono, Hidrgeno, Nitrgeno,
Azufre, Cloro y Oxgeno. Influye en la proporcin agente
gasificante/resduo ptima, adems de delimitar la produccin de
contaminantes del tipo de xidos de Nitrgeno y/o Azufre, o de Cloruro
de Hidrgeno.
Anlisis inmediato: Nos da el contenido en cenizas, material voltil y
carbono fijo. El material voltil sera el que abandona el slido durante
un proceso de pirlisis. El carbono fijo y las cenizas constituiran el
slido residual. El contenido en cenizas nos dice la cantidad de slidos
que ser necesario retirar del gasificador por unidad de masa
procesada. Aunque se han gasificado residuos con hasta un 24% de
cenizas, no es deseable sobrepasar un contenido del 10 %. Estas
cenizas se han de retirar del gasificador para evitar su acumulacin.
En los gasificadores de lecho mvil esto se hace extrayndolas por
la parte inferior, y en los de lecho fluidizado la velocidad del gas ha de
garantizar el arrastre de las cenizas. Propiedad importante de las cenizas
es su punto de fusin. Si este se sobrepasa se pueden formar escorias
que obstruyan los equipos.
As mismo, las cenizas, al ser inertes, no intervienen en los
equilibrios qumicos de las reacciones de gasificacin, pero pueden tener
un efecto cataltico acelerando la reaccin de gasificacin del residuo
carbonoso con vapor de agua, especialmente al existir xidos metlicos
como K2O, CaO, MgO, P2O5, etc.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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Poder Calorfico: Puede indicarse el superior o el inferior. Es el
parmetro que determina la mxima energa aprovechable de un
residuo desde el punto de vista de su uso como combustible.
Tamao y caractersticas de partcula: Hay que tener presente que
en el proceso va a tener lugar un calentamiento de las partculas, la
difusin de reactivos hacia la partcula y de productos desde esta
hacia el media gaseoso que la rodea, y reacciones slido-gas en la
superficie slida. Por esto el tamao de partcula influye en el tiempo
necesario para que el proceso tenga lugar y en el volumen de reactor
adecuado para ello.
En el caso de los lechos fluidos este parmetro incide adems
sobre la velocidad mnima de fluidizacin. Para variar el tamao de
partcula se pueden considerar la densificacin y la molienda, pero estas
posibilidades incurren en unos costes adicionales. Por otro lado residuos
poco densos pueden crear problemas de formacin de canalizaciones
preferenciales o dificultar la fluidizacin. En los lechos fijos puedencrearse problemas de perdida de carga y el colapso del movimiento del
lecho, dependiendo de la forma de las partculas.
Humedad: Influye sobre la viabilidad del proceso. Influye sobre el
balance trmico del proceso pues una parte del calor producido debe
utilizarse para evaporar esa cantidad de agua. Tambin influye sobre
la composicin del gas de salida, incluso desplazando algunasreacciones. En general se aceptan humedades de entre 10 y 20 %
para lechos mviles y hasta el 40 % para lechos fluidos. [4]
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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2.4.3.- GAS DE SNTESIS POR DISOCIACIN DE GAS
NATURAL Y DE PETRLEO.
La preparacin del gas de sntesis a partir del gas natural y
petrleo en presencia de vapor de agua es anloga a la gasificacin del
carbn y consiste en un conjunto de reacciones de gasificacin
exotrmica y endotrmica:
- CH2- + 0.5 O2 CO + H2
mol
kj
kcal/
92
22(2.4)
- CH2- + H2O CO + 2H2
mol
kj
kcal/
151
36(2.5)
El establecimiento simultaneo de los equilibrios de Boudouard, gas
de agua y formacin de metano, corresponden en principio a la
gasificacin del carbn. Las fracciones de destilacin del petrleo y el gas
natural se pueden trasformar en gas de sntesis por dos mtodos
diferentes en principio:
1. Segn el mtodo de escisin de vapor (Steam Reforming) se
produce una disociacin cataltica en presencia de H2O. el calor
necesario se suministra del exterior (proceso alotrmico).
2. En el proceso de escisin autotrmico el calor necesario procede
de la combustin parcial del producto a gasificar, por disociacin
trmica en la que puede tambin participar el H2O.
Principio del proceso 1: El proceso de reformacin con vapor
ms conocido actualmente y empleado en grandes instalaciones
industriales, fue introducido por primera vez en 1962 por la ICI. En el
que se pueden emplear hidrocarburos con puntos de ebullicin hasta
200 C (nafta). El Proceso ICI consta de tres etapas y la diferencia
entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya que
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CAPTULO II. MARCO TERICO
- 21 -
los procesos de obtencin de gas de sntesis y purificacin de metanol
son similares para todos los procesos.
En este caso la sntesis cataltica se produce en un reactor delecho fluidizado, en el cual al gas de sntesis ingresa por la base y el
metanol sale por el tope. El catalizador se mantiene as fluidizado dentro
del reactor, el cual es enfriado por agua en estado de ebullicin,
obtenindose vapor que se utiliza en otros sectores del proceso.
La destilacin se realiza en dos etapas en lugar de realizarse en
una sola. Todas las dems caractersticas son similares al proceso Lurgi
antes descrito.
Las etapas son:
Desulfuracin hidrogenante con CoO-MoO3/Al2O3 a 350-450 C hasta
alcanzar un contenido de S < 1ppm. Las oleofinas se hidrogenan
simultneamente.
Escisin cataltica en el reformador primario, con Ni-k2O/ Al2O3 700-
830 C y 15-40 bars.
Reescisin autotrmica de CH4 en el reformador secundario, es decir
repetida combustin parcial de los gases cuando se requiere un
levado gasto de calor.
Ventaja del proceso ICI: Ningn holln y por ello apenas
disminucin de actividad del catalizador.
Principio del Proceso 2: La obtencin del gas de sntesis por
oxidacin parcial de las fracciones del petrleo ha sido realizada, entre
otros, por la BASF, Texaco e Hydrocarbon-Research, as como por una
modificacin de la Shell. Como materia prima son adecuados todos los
hidrocarburos desde el metano hasta los residuos del petrleo (fueloil
pesado). Las materias de partida precalentadas reaccionan con
cantidades de O2 subestequiomtricas y H2O sin catalizador a unos 30-80
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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bars y 1200-1500 C en el sector de combustin del reactor. El calor
generado se utiliza en la escisin con vapor de los aceites. De una
pequea parte de aceite se forma holln. ste se separa del gas de
sntesis por lavado con H2O o aceite y se pelletiza. El proceso de
gasificacin Shell se introdujo en 1975 en 34 instalaciones de gas de
sntesis. [4]
2.4.4.- PURIFICACIN Y APLICACIN DEL GAS DE
SNTESIS.
El gas de sntesis obtenido por gasificacin de combustibles fsiles
est impurificado por algunas combinaciones gaseosas, que, para su
posterior empleo, son molestas en varios aspectos. El azufre en forma de
H2S y COS es veneno para muchos catalizadores, cuya actividad puede
bloquear parcial o completamente. El CO2 puede intervenir directamente
en procesos qumicos o constituir rellenos de gas inerte perjudiciales.
Para la purificacin del gas de sntesis de los mencionados
componentes, se dispone de numerosos procedimientos diferentes. Como
por ejemplo el CH3OH (Proceso Rectisol), que consiste en un lavado a
presin con metanol. Poliglicol-dimetilter (Proceso Selexol) que
aprovecha la dependencia de la solubilidad de los gases cidos en teres
dimetlicos de poliglicoles en funcin de la presin.
Sulfolan/diisipropanolamina/H2O (Proceso Sulfinol), utiliza la mezclade Sulfolan/diisipropanolamina/H2O. NMP (Proceso Purisol), utiliza N-
metilpirrolidona. Tambin se emplean tamices moleculares. [4]
Unas de las aplicaciones ms importantes del gas de sntesis es
la preparacin de amoniaco (NH3) mediante el proceso de Haber:
(2.6)
http://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/H2Shttp://es.wikipedia.org/wiki/H2S7/30/2019 Monografia Gas de Sintesis1
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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El amoniaco y sus sales inorgnicas son los fertilizantes
nitrogenados de mayor importancia. A partir del amoniaco se obtienen la
urea y la melamina. La urea reacciona con formaldehido produciendo
resinas duroplsticas de urea-formaldehido. La melamina reacciona con
formaldehido para dar resinas duroplsticas de melamina-formaldehido.
La resina de melamina-formaldehido se emplea para la capa superior de
laminados como la "formica" y en recubrimientos industriales. Tanto la
resina de urea-formaldehido como la de melamina-formaldehido de
emplean tambin en tratamientos textiles, tratamiento del papel,
adhesivos y polvos para moldeado. [5]
El amoniaco se puede oxidar a cido ntrico que se utiliza para
obtener diferentes compuestos nitrogenados. Casi todos los explosivos
son compuestos nitrogenados. El amoniaco interviene en reacciones para
la obtencin de aminas y tambin se utiliza como disolvente. Despus de
la produccin de amoniaco, la segunda aplicacin en importancia del gas
de sntesis es la obtencin de metanol, la cual se realiza en dos pasos:
(2.7)
El metanol se usa fundamentalmente para la obtencin de
formaldehido. Y es el componente primario del C1.
(2.8)
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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El metanol se emplea tambin en varios compuestos como:
tereftalato de dimetilo para fibras de polister, metacrilato de metilo,
acrilato de metilo, ftalato de dimetilo, cloruro de metilo y metilaminas.
La mayor parte de la produccin de formaldehdo se utiliza para la
obtencin de resinas de fenol-formaldehdo, urea-formaldehdo y
melamina-formaldehdo. Adems es la materia prima de resinas
poliacetlicas como "Delrin " y "Zelcon". Los poliacetales son plsticos
que se utilizan, fundamentalmente, en ingeniera. Del formaldehdo se
obtiene, asimismo, pentaeritrol y combinado con acetileno produce
butinodiol. Al combinarlo con amoniaco se obtiene hexametilentetramina.
[5]
Es decir; originariamente se produca metanol por destilacin
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 formndose gases
combustibles (CO, C2H4, H2), empleados en el calentamiento de las
retortas; un destilado acuoso que se conoce como cido piroleoso y que
contiene un 7-9% de cido actico, 2-3% de metanol y un 0.5% de
acetona; un alquitrn de madera, base para la preparacin de antispticos
y desinfectantes; y carbn vegetal que queda como residuo en las
retortas.
Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza
mediante un proceso cataltico a partir de monxido de carbono ehidrgeno. Esta reaccin emplea altas temperaturas y presiones, y
necesita reactores industriales grandes y complicados.
CO + CO2 + H2 CH3OH (2.9)
La reaccin se produce a una temperatura de 300-400 C y a una
presin de 200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr2O3. (Ver
figura N 3)[4]
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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Figura N 3. Diagrama de f lujo del pro ceso p ara obtener m etanol por
hidro genacin del CO
El gas de sntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas.
Los distintos procesos productivos se diferencian entre s precisamente
por este hecho. Actualmente el proceso ms ampliamente usado para la
obtencin del gas de sntesis es a partir de la combustin parcial del gas
natural en presencia de vapor de agua.
Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2 (2.10)
Sin embargo el gas de sntesis tambin se puede obtener a partir
de la combustin parcial de mezclas de hidrocarburos lquidos o carbn,
en presencia de agua.
Mezcla de Hidrocarburos Lquidos + Agua CO + CO2 + H2 (2.11)
Carbn + Agua CO + CO2 + H2 (2.12)
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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En el caso de que la materia prima sea el carbn, el gas de sntesis
se puede obtener directamente bajo tierra. Se fracturan los pozos de
carbn mediante explosivos, se encienden y se fuerzan aire comprimido y
agua. El carbn encendido genera calor y el carbono necesarios, y se
produce gas de sntesis. Este proceso se conoce como proceso in situ.
Este mtodo no tiene una aplicacin industrial difundida.
Los procesos industriales ms ampliamente usados, usando
cualquiera de las tres alimentaciones (gas natural, mezcla de
hidrocarburos lquidos o carbn) son los desarrollados por las firmas Lurgi
Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI). Que fue explicadoanteriormente (Ver apartado 2.4.2) [4]
2.5.-MOTOR DE HIDRGENO.
Actualmente, la cuestin medioambiental es un asunto que
preocupa a todos. En Europa hay 400 coches por cada mil personas, y seestima que esta cantidad seguir subiendo al ritmo de nuestra sociedad y
el consumo de un milln de litros de gasolina supone la emisin de 2'4
millones de quilos de dixido de carbono a la atmsfera.
Son datos que explican la importancia de hallar un carburante que
perjudique menos el entorno y la salud de nosotros mismos. Esta gran
cantidad de contaminacin me llam la atencin y me hizo reflexionarcuando aparecieron los motores que funcionan con hidrgeno. Es por ese
motivo que he decidido hacer mi trabajo sobre estos motores.
Existen normativas medioambientales cada vez ms estrictas con
todo este lento asunto, pero el agotamiento de las reservas de petrleo
parece impulsar a la industria a optar por energas alternativas antes que
a las combustibles fsiles convencionales. Al hidrgeno le espera
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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convertirse en una de estas opciones de futuro para un planeta que tiene
un consumo de energa imparable. [7]
2.6.- FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE HIDRGENO.
La pila de combustiblees el elemento fundamental de un vehculo
de hidrgeno, pues se trata del elemento de almacenamiento y transporte
de la energa limpia de estos motores que no emiten ningn tipo de
residuo ni gas contaminante.
Una pila de combustible es un elemento que funciona muy similar a
como puede funcionar una batera, con la diferencia de que no se termina
ni se recarga ya que (mediante un proceso de combustin fra) convierte
la energa qumica que posee un combustible en energa elctrica til, sin
la necesidad de pasar por un proceso de combustin.
Estas pilas estn formadas por dos electrodos (que permiten elpaso de una corriente elctrica) que se encuentran separados por un
electrlito (hecho de un material que puede ser descompuesto cuando
acta sobre l una corriente elctrica).
Los electrodosextraen los electrones de hidrgeno para convertirlos
en electricidad cuando el hidrgeno fluye hacia el nodo, donde un
catalizadorfacilita la separacin de protones y electrones.
Los protones traviesan una membrana electroltica para combinarsecon el oxgeno, y los electronesse sitan al lado del ctodo formando
as un circuito externo nodoctodo que alimenta los dispositivos
elctricos.
La reaccin de hidrgeno con oxgeno que da el resultado de agua
pura ms energa.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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Actualmente, las pilas de combustible consiguen una buena
eficacia que permite obtener 2kW(2) por litro o por kilo de combustible.
Esto se logra conectando una serie de hasta 200 clulas simples (de 1
voltio cada una) que transforman las variaciones de presin en
variaciones de intensidad de corriente que logra esta potencia que se
inyecta en el rotor. (Ver figura 13)
Figura N 13. Ciclo com binado p i la de com bus t ible.
La tecnologa de la pila ha tenido ciertos avances significativos los
ltimos aos, y algunos fabricantes de automviles ya han empezado a
ensaar esta tecnologa en la fabricacin de vehculos experimentales o
con fuente de energa alternativa. [7]
2.7.-FORMACIN DEL HIDRGENO.
Las centrales de hidrgeno pueden llegar a obtener hidrgeno
electrificando el agua con energa elctrica renovable (de los campos
elicos o colectores solares).
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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Es cierto que obtenerlo por electrlisis es menos eficaz, pero una
vez comprimido y almacenado en el vehculo, este hidrgeno superara el
75% de rendimiento, mientras que si se extrae del metano, el rendimiento
inicial es ms elevado pero, en global y valorando todo el proceso, se
situar alrededor del 4860%.[7]
2.7.1.- VENTAJAS DE LOS MOTOTRES DE HIDRGENO.
Los motores de combustin tienen un rendimiento mediano del
30%, mientras que los motores de hidrgeno tienen una mediana
del 55%.
Este aspecto los hace equiparables a un automvil convencional.
El consumo y mantenimiento es inferior a cualquier otro tipo de
coche.
Como ya he dicho, al utilizar una energa limpia, se permite reducir
los gases que producen el efecto invernadero y diversificar las
fuentes de produccin de electricidad. [7]
INCONVENIENTES DE LOS MOTORES DE HIDRGENO.
El hidrgeno no se encuentra libre en la naturaleza, se ha de
utilizar energa para obtenerlo tal y como he explicado
anteriormente. Este proceso sufre la insuficiencia de
infraestructuras para el abastecimiento de hidrgeno.
La pila de combustible instalada en el coche tiene un gran peso.
Su almacenamiento es en unos depsitos que lleva el coche a muy
alta presin y, al ser el hidrgeno muy inflamable y de llama
invisible, puede llegar a ser peligroso.
No est demostrada la fiabilidad de todos los elementos.
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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Elevado costo de produccin. Valen aproximadamente un 30%
ms que un coche de gasolina o diesel de prestaciones parecidas.
[7]
2.9.- PRIMEROS AUTOMVILES DE MOTOR DE
HIDRGENO.
El primero fue fabricado por BMW. Estaba formado por doce
cilindros y propulsado con hidrgeno alcanzaba:
Una potencia de 150kW.
Una aceleracin de 0 a 100km/h en 9'6 segundos,
Una velocidad mxima de 226km/h
Un depsito de 140 litros con abasto de 350km.
Desde el 2003 (3), la flota de autobuses de Barcelona cuenta con
tres autobuses con pila de hidrgeno que han recorrido ms de 38 000 km
en sus trayectos de prueba y con muy buena aceptacin por parte de los
usuarios.
De esta manera, y con la incorporacin de ms autobuses de este
tipo el 2008, nuestra ciudad es pionera en la incorporacin de vehculos
propulsados por energas limpias (tambin cuentan con 162 vehculos que
funcionan con gas natural y 15 que funcionan con biodiesel). [7]
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2.10.- ANLISIS ECONMICO.
2.5.1.- COSTO: Son los gastos incurridos en la produccin,
administracin y venta de los productos y servicios vendidos en el
perodo.
2.5.1.1.- COSTOS DIRECTOS: Son aquellos que la gerencia es
capaz de asociar con los artculos o reas especficos. Los materiales y la
mano de obra directa son los ejemplos ms claros.
2.5.1.2.- COSTOS INDIRECTOS: Son aquellos comunes a muchosartculos y por tanto no son directamente asociables a ningn artculo o
rea. Usualmente, los costos indirectos se cargan a los artculos o reas
con base en tcnicas de asignacin. (Seguros, lubricantes)
2.5.2.- INDICADOR DE COSTO: Es un mtodo que permite realizar
comparaciones presupuestarias de diferentes actividades. [8]
2.5.3.- ESTIMACIN DE COSTO: Para todo proceso industrial es
necesario invertir capital y la determinacin de la inversin necesaria
constituye una parte importante del proyecto de la planta, cualquier
proceso requiere una inversin total que consiste en inversiones de
capital fijo, para los equipos y las instalaciones en la planta, mas el capital
de trabajo, que esta formado por el dinero que debe estar disponible para
el pago de salarios, mantener una cantidad adecuada de materias primas
y productos en disponibilidad y manejar otras situaciones que requieran
disponer de dinero en efectivo. [9]
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CAPTULO II. MARCO TERICO
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CAPTULO III. METODOLOGA
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3.- METODOLOGA
3.1.- Recopilacin de informacin.
Para el inicio del desarrollo del proyecto se proceder a la
bsqueda y recoleccin de toda la informacin: datos, tablas y figuras
necesarias para la comprensin del mismo; haciendo nfasis en los
componentes del gas de sntesis, las reacciones que ocurren en el
proceso, las formas de obtencin y el proceso de reformado con vapor.
As como tambin acerca del dimensionamiento de los equipos ms
importantes, la simulacin de dicho proceso y las frmulas necesarias
para obtener el balance econmico del proceso de obtencin de gas de
sntesis a partir del gas natural. Todo esto ser reforzado a travs de
libros, revistas, tesis, manuales de plantas, documentacin digital, etc.
3.2. Distincin de los componentes principales del gas de
sntesis.
En objetivo, se establecer e identificar cada uno de los
componentes que posee el gas de sntesis que se obtendr a partir del
gas natural, cules sern sus proporciones en cuanto a composiciones,
sus propiedades y principales caractersticas.
3.3.- Establecimiento de las reacciones que se llevan a
cabo en el proceso de obtencin de gas de sntesis a partir
del gas natural.
En esta etapa se establecern las reacciones que se necesitan
para obtener el gas de sntesis, as como tambin las condiciones
trmicas para que ests se lleven a cabo, los catalizadores que utilizan y
los equipos donde se llevan a cabo. Todo esto se conseguir de la
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CAPTULO III. METODOLOGA
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informacin bibliogrfica obtenida y recolectada de manera ordenada y
precisa de trabajos anteriores que se hayan hecho en otros pases, ya
que est tcnica no se ha desarrollado en nuestro pas.
3.4. Enfoque del proceso de obtencin de gas de sntesis
mediante un diagrama de campo.
Se realizar un diagrama de flujo indicando los equipos principales
que se utilizan en la industria qumica para la obtencin de gas de sntesis
por reformado con vapor, utilizando como materia prima el gas natural.
Esto se lograr con la revisin de trabajos anteriores en otros pases.
3.5. Estudio del proceso de obtencin de gas de sntesis a
travs del simulador Hysys Plant.
En este objetivo se simular el proceso de obtencin de gas de
sntesis por reformado con vapor del gas natural, en Hysys Plants, un
simulador de procesos qumicos utilizados para gases y lquidos que
permitir toda la data deseada en cada una de las corrientes presentes en
el proceso tales como: composicin, temperatura, calor requerido,
presiones y otras propiedades.
Para llevar a cabo esta simulacin es necesario la obtencin de las
condiciones de entrada del gas natural, los equipos a utilizar; as como las
condiciones de operacin: presiones y temperaturas a las cuales trabajan
dichos equipos, necesarios para llevar a cabo este proceso. Tambin se
recurrir a la revisin del manual del simulador con el fin de conocer todas
sus caractersticas y las opciones de simulacin que este posee, con la
finalidad de llevar a cabo el proceso de la manera ms eficiente y sin
dificultades tcnicas.
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CAPTULO III. METODOLOGA
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3.6.- Dimensionamiento de los equipos ms importantes
presentes en el proceso de obtencin de gas de sntesis
utilizando como materia prima el gas natural.Una vez conocidas las caractersticas y condiciones que
presentarn cada una de las corrientes del proceso y realizada la
simulacin respectiva, se proceder al dimensionamiento de los equipos
ms importantes, como reformadores, torres de equilibrio, calderas y
otros. Todo esto se llevar a cabo tomando en cuenta las normas PDVSA
y la data obtenida a travs del simulador, a travs de balances de masa y
energa, ecuaciones de diseo, entre otras; recurrindose a la
recopilacin informacin para reforzar lo antes mencionado.
3.7.- Estimacin de costos clase V de los equipos que se
utilizarn en el proceso de obtencin de gas de sntesis, a
travs del gas natural.
En esta fase se realizar la estimacin de costos clase V de los
equipos a utilizar en el proceso de gas de sntesis por reformado convapor a travs del gas natural. Para ello se recurrir a las diferentes
ecuaciones que incluyen estos costos, as como tambin a la bsqueda
de informacin de los costos de los equipos a travs de revistas, libros,
trabajos anteriores y consultas personales a las diferentes empresas que
trabajan con los mismos.
3.8.- Redaccin del trabajo de grado.Una vez cumplido todos los objetivos especficos de manera
eficiente, se proceder a la redaccin del trabajo de grado, la cual contar
con toda la informacin recopilada de las etapas anteriores, adems de
las conclusiones y recomendaciones. Aqu se cumplir con las normas
establecidas por la Universidad de Oriente para la elaboracin y
presentacin de la misma.
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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4.- DESARROLLO.
4.1.- OBTENCIN DE LOS COMPONENTES PUROS DEL
GAS DE SNTESIS.
4.1.1.- Dixido de Carbono (CO2): Es el segundo elemento en
abundancia dentro de la mezcla de gas de sntesis, este se encuentra en
una proporcin de 0.1 a 0.4 en fraccin molar. El CO2 debe ser eliminadofinalmente en una unidad de descarbonatacin absorbindolo con una
solucin de carbonato potsico a presin, que pasa a bicarbonato y luego
se regenera mediante aporte de calor y bajando la presin, segn la
reaccin reversible.
4.1.2.- Monxido de Carbono:Es el tercer elemento presente en el
gas de sntesis, este se encuentra en muy poca proporcin, generalmentelo obtenemos por el orden de 0.1 a 0.2 en fraccin molar. Este compuesto
hay que erradicarlo completamente de la mezcla gaseosa en la cual se
encuentra, ya que para la utilizacin que se le va a dar al gas de sntesis,
slo necesitamos Hidrgeno puro. (Ver figura N 4).
El CO se puede aislar de las mezclas gaseosas principalmente por
dos procedimientos:
1. Por separacin a bajas temperaturas: Por ejemplo los mtodos
de Linde o de Air Liquide, presupone unos pasos sucesivos para
preparar el gas antes de la separacin de la mezcla pura de
H2/CO/CH4. por ejemplo, el gas bruto, resulta de la escisin con
vapor del gas natural, se libera de CO2 en una columna de lavado
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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por medio de una disolucin de etanolamina hasta que slo queden
unas 50 ppm.
Esta se produce en dos etapas: Condensacin parcial de CH4 y CO
y por destilacin fraccionada de CH4 y CO (CO como producto de
cabeza). [4]
2. Por la adsorcin en disoluciones acuosas de sales de cobre:
Consiste en la formacin del complejo reversible [Cu(CO)]+,
dependiente de la presin. Por ejemplo, proceso Uhde con sal
cuprosa/NH3-H2O.
Aplicaciones del CO:
Combinado con H2:
I. Qumica del gas de sntesis (CH3OH e hidrocarburos
segn Fischer Tropsch).
II. Hidroformilacin (aldehdos/alcoholes oxo).
Combinado con nuclefilos (H2O, ROH):I. Carbonilacin de Reppe (acrlico, propinico, y sus
steres).
II. Reaccin de Koch (cidos carboxlicos ramificados).
En transformacin directa:
I. Formacin de fosgeno con Cl2 (isicianatos,
carbonatos).
II. Formacin de carbonilos con metales (catalizadores).
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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Figura N 4. Diagrama de f lujo d e Reaccion es co n m onxido de
carbono.
4.1.3.- Vapor de Agua (H2O): El vapor de agua cumple un papel
fundamental a lo largo del proceso para la obtencin de gas de sntesis,
pero su aparicin en la corriente del producto final se debe principalmente
al arrastre de vapor por parte del gas, y a la vaporizacin parcial que se
da entre el agua y el gas, cuando se somete a el proceso de enfriamiento
final. Esta se encuentra en una proporcin entre 0.03 a 0.06 en fraccin
molar. Al igual que los otros elementos que conforma la mezcla gaseosa
es necesaria su eliminacin para el mejor aprovechamiento del Hidrgeno
final.
4.1.4.- Nitrgeno (N2): El Nitrgeno es el quinto elemento presente en
la mezcla de gas de sntesis, su proporcin vara de 0.02 a 0.035 en
fraccin molar aproximadamente. Si ste se utilizara para la obtencin deamoniaco, se debe mantener una relacin de 3:1 con respecto al
Hidrgeno, pero para nuestro caso de estudio esto no es valido. El
nitrgeno es adicionado a la corriente de gas de sntesis a travs de la
introduccin de la corriente de aire necesaria para llevar a cabo la
combustin del metano. La ms importante de aplicacin comercial del
nitrgeno diatmico es la obtencin de amoniaco por el proceso de Haber.
El amoniaco se emplea con posterioridad en la fabricacin de fertilizantes
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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y cido ntrico. Los compuestos orgnicos de nitrgeno como la
nitroglicerina y el trinitrotolueno son a menudo explosivos. La hidracina y
sus derivados se usan como combustible en cohetes.
4.1.5.- Oxgeno (O2): El oxgeno puede ser txico a elevadas
presiones parciales. Algunos compuestos como el ozono, el perxido de
hidrgeno y radicales hidroxilo son muy txicos. El cuerpo humano ha
desarrollado mecanismos de proteccin contra estas especies txicas.
Pero en nuestro caso nos encontramos con poca cantidad de este
elemento, por lo cual no representara ningn problema. Este es muy
importante a lo largo de todo el proceso de obtencin de gas de sntesis
que est presente como producto y como reactivo en cada una de las
reacciones que se llevan a cabo. El oxgeno es el elemento que se
encuentra en menor proporcin en la mezcla de gas de sntesis,
encontrndose entre 0.001 y 0.01 en fraccin molar.
4.1.6.- EL HIDRGENO: Es un elemento qumico representado por el
smbolo H y con un nmero atmico de 1. En condiciones normales de
presin y temperatura, es un gas diatmico (H2) incoloro, inodoro,
inspido, no metlico y altamente inflamable. Con una masa atmica de
1,00794(7) u, el hidrgeno es el elemento qumico ms ligero y es,
tambin, el elemento ms abundante, constituyendo aproximadamente el
75% de la materia del universo.
En la corriente de gas de sntesis es el elemento ms
predominante, lo encontramos desde 0.6 a 0.8 en fraccin molar. Para la
aplicacin de este informe, ste elemento es el ms provecho, cuya
utilizacin se explicar detalladamente ms adelante.
http://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_at%C3%B3micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Condiciones_normales_de_presi%C3%B3n_y_temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Masa_at%C3%B3micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_de_masa_at%C3%B3micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Universohttp://es.wikipedia.org/wiki/Universohttp://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_de_masa_at%C3%B3micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Masa_at%C3%B3micahttp://es.wikipedia.org/wiki/Gashttp://es.wikipedia.org/wiki/Condiciones_normales_de_presi%C3%B3n_y_temperaturahttp://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_at%C3%B3micohttp://es.wikipedia.org/wiki/Elemento_qu%C3%ADmico7/30/2019 Monografia Gas de Sintesis1
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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En su ciclo principal, las estrellas estn compuestas por hidrgeno
en estado de plasma. El hidrgeno elemental es muy escaso en la Tierra
y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por
ejemplo, el metano.
La mayor parte del hidrgeno elemental se obtiene "in situ", es
decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrgeno
puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrlisis, pero
resulta un mtodo mucho ms caro que la obtencin a partir del gas
natural. [7]
Tab la N 2. Carac terst icas Fi si co qum icas d el Hidrgen o
Nombre Hidrgeno
Nmero atmico 1
Valencia 1
Estado de oxidacin +1
Electronegatividad 2,1
Radio covalente () 0,37Radio inico () 2,08
Radio atmico () -
Configuracin electrnica 1s1
Primer potencial de ionizacin
(eV)
13,65
Masa atmica (g/mol) 1,00797
Densidad (g/ml) 0,071Punto de ebullicin (C) -252,7
Punto de fusin (C) -259,2
Descubridor Boyle en 1671
http://es.wikipedia.org/wiki/Plasmahttp://es.wikipedia.org/wiki/Tierrahttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburohttp://es.wikipedia.org/wiki/Metanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisishttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Gas_naturalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3lisishttp://es.wikipedia.org/wiki/Aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Metanohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidrocarburohttp://es.wikipedia.org/wiki/Tierrahttp://es.wikipedia.org/wiki/Plasma7/30/2019 Monografia Gas de Sintesis1
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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4.1.6.1- EL HIDRGENO COMO NUEVA FUENTE DE
ENERGA.
Para los prximos aos, el hidrgeno, como combustible, es
considerado como una fuente potencial de energa renovable, la cual es
clave para evitar an ms el deterioro de nuestro medio ambiente,
comparndolo con los combustibles fsiles obtenidos del petrleo que al
momento de llevar a cabo el proceso de combustin son causantes de la
mayor parte de las emisiones de bixido de carbono (CO2), su uso como
combustible permitir disminuir por completo las emisiones globales de
CO2 en nuestro planeta.
El agotamiento del petrleo crudo en las prximas dcadas es un
hecho, importantes empresas en todo el orbe han realizado estudios de
prospectiva, como Exxon y la British Petroleum, en los que afirman que se
dispone de petrleo para los prximos 50 o 100 aos.
Por otra parte, se espera que el consumo de gas natural se
intensifique en la economa mundial, cuyo pronstico se estima que tenga
una duracin superior en diez aos a la del petrleo, no hay que olvidar
las alteraciones del cambio climtico a consecuencia de la quema de los
hidrocarburos fsiles que emiten bixido de carbono.
En 2001 el petrleo origin 44 por ciento de las emisiones de CO2
de origen fsil, notablemente por delante de las generadas por el carbn,que supusieron el 35 por ciento. El carbn directamente se considera el
combustible ms contaminante porque produce ms emisiones de dixido
de carbono y azufre.
Desde 1750 la concentracin de CO2 en la atmsfera ha
aumentado 30 por ciento y esto ha intensificado el proceso natural de
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
- 43 -
retencin de calor, tambin llamado efecto invernadero, hasta el punto de
alterar el clima del planeta.
4.1.6.2.- UTILIZACIN DEL HIDRGENO.
El hidrgeno se ha utilizado en la industria espacial para la propulsin
de transbordadores, y su uso en las industrias de refinacin,
petroqumica, qumica, alimentara, tiene dos tipos de aplicaciones:
El hidrgeno en el sector estacionario:
Para los procesos de hidrodesulfuracin de combustibles.
Para el proceso de cogeneracin de vapor y generacin de energa
elctrica.
Para la manufactura del amoniaco (NH3) y metanol (CH3OH),
principalmente o mediante la sntesis cataltica Fischer Tropsch por
hidrogenacin indirecta a 200C y a diferentes presiones de
trabajo, segn se desee acentuar la obtencin de hidrocarburos
lquidos o de productos oxigenados como alcoholes, cidos,
steres, teres, aldehdos o cetonas, como sustitutos del petrleo.
Fabricacin de celdas de combustible.
El hidrgeno en el sector de la industria automovilstica:
Distintas compaas automotrices realizan en la actualidad
investigaciones en torno a las aplicaciones que podra tener el uso
del hidrgeno directamente en motores de combustin interna o
bien mediante el uso de celdas de combustibles en vehculos, lo
cual representa un reto en el futuro, sobre todo por el
almacenamiento y manejo del hidrgeno en el vehculo como
fuente de suministro para la celda.
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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4.1.6.3.- OBTENCIN DEL HIDRGENO.
Actualmente hay varios caminos para obtener el hidrgeno,
algunos de ellos se encuentran en etapa de desarrollo y otros en etapa de
experimentacin (Ver figura N 5 y Tabla 3):
Reformado a vapor a partir del gas natural.
Oxidacin parcial cataltica de hidrocarburos.
Electrlisis del agua.
Gasificacin de los fondos de barril, choque, carbn y biomasa.
Fotoproduccin de hidrgeno. [7]
Figu ra N 5.Diagrama de Obtencin de Hidrgeno.
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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Tabla N 3.- Temas relev ant es en el rea de p rodu cc in (ob tenc in)
de hidrgeno.
El hidrogeno forma parte de los componentes para las sntesis
industriales orgnicas y se encuentran en combustibles fsiles y en el
agua, de los cuales se puede obtener en grandes cantidades. A partir deestas fuentes se le puede producir por dos mtodos industriales:
1. Por procesos petroqumicos.
2. Por Procesos Electroqumicos. (Electrlisis) [4]
REFORMADO A VAPOR A PARTIR DEL GASNATURAL.
La reformacin con vapor de agua y metano se aplic por primera
vez en 1941. En 1953, la M. W. Kellog dise el primer reformador a baja
presin, 4,053 MPa. (Ver figura 6)
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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Figura N 6. Reformado r de g as natural co n v apor d e agua.
El procedimiento ms empleado a escala industrial es, hoy en da,
el reformado con vapor (steam reforming) del gas natural y del gas de
refinera, seguido de la reduccin del vapor de agua con CO (shift-
conversion) conforme a las reacciones:
CH4 + H2O 3H2 + CO H= +208.000 KJ/kmol (4.1)
CO + H2O H2 + CO2 H= -41.200 kJ/kmol (4.2)
Estas reacciones se llevan a cabo simultneo y consecutivamente
en uno o varios reactores, por lo que el gas producido consiste en unamezcla de H2, CO y CO2, adems de vapor de agua, algo de CH4 sin
reaccionar y los gases inertes presentes en el gas de alimentacin. El
producto de la reaccin en conjunto se conoce como gas de sntes is .
Las reacciones (2.1) y (2.2) son fuertemente endotrmicas, por lo
que se realizan preferentemente en fase gas a altas temperaturas (por
encima de 800 C) con un aporte de calor del exterior, procurando la
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
- 47 -
mxima conversin del metano, segn se deduce del diagrama de
equilibrio de la figura 7.
Para aumentar la velocidad de reaccin se utilizan catalizadores de
nquel. Para maximizar la produccin de hidrgeno a costa del CO
presente en el gas reformado se completa seguidamente la shift-
conversion en otro reactor separado, a temperaturas del orden de 500
C, en presencia de catalizadores de xidos de hierro y cromo o, a
menores temperaturas, con catalizadores de zinc/cobre.
Si bien la presin desplaza el equilibrio hacia la izquierda en lareaccin (2.4) por producirse un aumento de volumen, la produccin de
hidrgeno se realiza siempre a presin (28-36 bares) para evitar la
necesidad de comprimir el hidrgeno producido para transportarlo a las
unidades consumidoras. [7]
Figura N 7. Equi l ibr io en tre compon entes del gas reform ado en
func in de la Temperatura.
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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Caractersticas del proceso:
T = entre 750 y 850C
P = 2 a 30 atm
Catalizador: Ni/-almina
Proceso fuertemente endotrmico
Varios reactores (hasta 240) en paralelo dentro de un horno.
Dimensiones aprox. de c/reactor: Largo = 12 mts, Dimetro = 10 cm.
En el reformado a vapor la conversin de gas natural puede
llevarse a cabo por diferentes procesos o por la combinacin de stos, las
opciones ms importantes son:
a) Reformacin tubular (steam reforming).
b) Reformacin por intercambio de calor.
c) Prerreformacin adiabtica.
d) Reformacin secundaria y autotrmica.
a) Tambin se le conoce como reformacin primaria y consiste en la
generacin de hidrgeno por oxidacin del gas natural conteniendometano con vapor de agua, y donde el calentamiento se lleva a cabo en
un reformador a fuego directo, debido a que la reaccin es altamente
endotrmica, es usada sola o en combinacin con otros pasos de
reformacin tales como la prerreformacin adiabtica o la reformacin
secundaria.
b) En este tipo de proceso parte o todo el calor requerido para la reaccin
de reformacin se suministra por intercambio de calor con el gas delmismo proceso, ste vara con la reformacin tubular convencional donde
todo el calor es suministrado por combustin externa.
c) Este proceso es utilizado para la reformacin de carga de
hidrocarburos, que van desde gas natural hasta nafta pesada, donde los
hidrocarburos son convertidos a monxido de carbono, hidrgeno y
metano.
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d) Es un proceso en el cual la conversin completa del hidrocarburo se
lleva a cabo en un reactor por combustin interna mediante el uso de
oxgeno.
REFORMADO CON VAPOR DE GAS NATURAL
DESULFURADO.
El steam reforming de hidrocarburos ligeros se realiza
habitualmente segn un proceso alotrmico (con aporte de calor exterior)
en reactores tubulares en presencia de llama producida por mecheros
adecuadamente dispuestos para conseguir la ms uniforme transmisin
del calor por radiacin dentro de la cmara de combustin. Estos
reactores se denominan generalmente hornos. (Ver figura 8)
Fig ur a N 8. Representacin isomtrica de un horno de steam
reforming.
A travs de unos colectores de alimentacin se introduce la mezcla
de gas con vapor de agua previamente calentada en unos tubos
dispuestos en los conductos de los gases de combustin del horno
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CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO
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(seccin convectiva). El vapor de agua se introduce en exceso para evitar
que se produzcan incrustaciones de coq