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

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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)

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    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

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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

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    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

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    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.

    37

    37

    39

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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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    78

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    81

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    CAP TULO V: DISCUSI N DE RESULTADOS

    CAPTULO VI:

    6.1.-Conclusiones

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    CONTENIDO

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    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.

    11

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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

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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.

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    68

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    70

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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

    - 3 -

    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

    - 7 -

    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/Gas
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    CAPTULO II. MARCO TERICO

    - 10 -

    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

    - 11 -

    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

    - 13 -

    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

    - 15 -

    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

    - 16 -

    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

    - 17 -

    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

    - 18 -

    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

    - 19 -

    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

    - 20 -

    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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    - 22 -

    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/H2S
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    - 23 -

    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

    - 24 -

    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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    - 25 -

    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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    - 26 -

    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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    - 27 -

    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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    - 28 -

    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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    - 29 -

    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

    - 30 -

    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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    CAPTULO II. MARCO TERICO

    - 31 -

    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

    - 33 -

    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

    - 34 -

    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

    - 35 -

    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

    - 37 -

    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

  • 7/30/2019 Monografia Gas de Sintesis1

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    CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

    - 38 -

    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

    - 39 -

    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

    - 40 -

    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%ADmico
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    CAPTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

    - 41 -

    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/Plasma
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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

    - 44 -

    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

    - 46 -

    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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    - 49 -

    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

    - 50 -

    (seccin convectiva). El vapor de agua se introduce en exceso para evitar

    que se produzcan incrustaciones de coq