Monografia Gas de Sintesis1

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO CURSOS ESPECIALES DE GRADO

“EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS, RICO EN HIDRÓGENO, POR REFORMADO CON VAPOR DEL GAS NATURAL A PARTIR DEL METANO”

REALIZADO POR:

Br. BENÍTEZ LÓPEZ, Lilibeth del Valle C.I.: 15.036.475 Br. GONZÁLEZ RODRÍGUEZ, Adriana Coromoto C.I.: 13.936.634

Trabajo Especial de Grado como Requisito Parcial para Optar el Título de:

INGENIERO DE PETRÓLEO

Puerto la Cruz, Octubre 2008

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO CURSOS ESPECIALES DE GRADO

“EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS, RICO EN HIDRÓGENO, POR REFORMADO CON VAPOR DEL GAS NATURAL A PARTIR DEL METANO”

REALIZADO POR:

Br. BENÍTEZ LÓPEZ, Lilibeth del Valle C.I.: 15.036.475 Br. GONZÁLEZ RODRÍGUEZ, Adriana Coromoto C.I.: 13.936.634

_________________________ Ing. JOSÉ RONDÓN Asesor Académico

Trabajo Especial de Grado como Requisito Parcial para Optar el Título de:

INGENIERO DE PETRÓLEO Puerto la Cruz, Octubre 2008

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO CURSOS ESPECIALES DE GRADO

“EVALUACIÓN TÉCNICA Y ECONÓMICA DEL PROCESO DE OBTENCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS, RICO EN HIDRÓGENO, POR REFORMADO CON VAPOR DEL GAS NATURAL A PARTIR DEL METANO”

_________________________ Ing. CARMÉN VELÁSQUEZ Jurado Principal

______________________ Ing. ARTURO RODULFO Jurado Principal

Trabajo Especial de Grado como Requisito Parcial para Optar el Título de:

INGENIERO DE PETRÓLEO

Puerto la Cruz, Octubre 2008

RESOLUCIÓN

RESOLUCIÓN

DE ACUERDO AL ARTÍCULO 44 DEL REGLAMENTO DE TRABAJO DE GRADO: “LOS TRABAJOS DE GRADO SON DE EXCLUSIVA PROPIEDAD DE LA UNIVERSIDAD DE ORIENTE Y SÓLO PODRÁN SER UTILIZADOS PARA OTROS FINES CON EL CONSENTIMIENTO DEL CONSEJO DE NÚCLEO RESPECTIVO, QUIÉN LO PARTICIPARÁ AL CONSEJO UNIVERSITARIO”.

IV

DEDICATORIA

DEDICATORIA

Mi monografía la dedico con todo mi amor y cariño.

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 sueño de ser una profesional, y por ayudarme a cumplir esta gran meta.

Con mucho cariño principalmente a mis padres María López y Eddy Benítez, que me dieron la vida y han estado conmigo en todo momento, ya que ellos son lo más hermoso que tengo. Gracias por todo papá y mamá por darme una carrera para mi futuro y por creer en mí, aunque hemos pasado momentos difíciles, siempre han estado apoyándome y brindándome todo su amor, por todo esto, le agradezco el que estén conmigo a mi lado. Los amo con todo mi corazón, y este trabajo es para ustedes, por ser la más grande de sus hijas aquí está lo que ustedes me brindaron, solamente les estoy devolviendo 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 Benjamín, que ya no están conmigo les doy gracias porque siempre recuerdo sus sabios consejos, no importa donde se encuentren se que desde donde estén me llenarán de sus bendiciones y siempre los llevaré en mi corazón, los adoro. A mis abuelos paternos, Carmen y José, que están presentes en mí día a día, que los adoro por todo lo que me han dado y apoyado.

V

DEDICATORIA

A mis tíos y tías, por todo el apoyo que me brindaron, por estar pendiente de mí, cuando los necesité. A mis primos y primas porque se que viven conmigo esta gran alegría.

A mi novio, D. Gregorio B., por estar allí y vivir día a día el transcurrir de mi carrera, por ayudarme, por apoyarme y brindarme los mejores y más bellos consejos, a él le debo muchas cosas lindas, Te quiero mi vida.

A mi gran amiga, A. Maholys Álvarez, porque luche con ella, pasé momentos tristes y alegres, le doy gracias a Dios por tenerla aún conmigo, te quiero amiga. A mi padrino Williams Chávez, lo adoro.

A mis compañeras(os) de estudio y amigas(os), Nai, María J., Yudci, Migue, Caleta, Dani, Gabo, Evo, Vane, Harold, Yezmín, y muchos otros más 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 llevaré en mi corazón. A los Docentes de Petróleo, Moncho, Ivón, Castro, Salas, Quintero, Lennys F., Simón (técnico) y Pedro (técnico), que me brindaron su confianza y me dieron su amistad, gracias.

A Mario, Isvelia, Ángel, y José, mis profesores de áreas de grado por sus conocimientos impartidos.

A la universidad de Oriente (Núcleo Anzoátegui), a la que le debo mi formación 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 aquí está el fruto. Lilibeth del Valle Benítez López.

VI

DEDICATORIA

DEDICATORIA Dedico esta monografía… A mi Amigo que nunca falla Jesús Misericordioso, por que haz estado conmigo, a mi lado, nunca me dejaste caer y me diste fortaleza en todo momento, ¡Jesús Confío y Confiaré Siempre En Ti! A mi Madre del Cielo María Auxiliadora de los Cristianos, por ser ella quien me mantiene por el camino del bien, hacia su amadísimo hijo Nuestro Señor Jesucristo, por ser ella quien intercede por mi ante Dios y me protege con su manto. Especialmente a mis queridos padres Jesús 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 última fase de mi carrera. Al Profesor Félix Acosta, Juan Quintero y a todos los Ingenieros que desempeñan su trabajo docente en el Departamento de Ingeniería de Petróleo 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 compañeros de estudios, en forma especial a Jhary, Alexander, Victor y Yudciry.¡Que Dios los bendiga por siempre! Adriana C. González R.

VII

DEDICATORIA

DEDICATORIA

A Dios por darme vida, salud y paciencia para lograr todas mis metas.

A mis Padres Elio y Reina. Los amo y nunca los dejaré de amar. Espero algún día retribuirles parte de los que me han dado a mi.

A mis Hermanos Alexander, María y Reina, por todo su apoyo incondicional. A ustedes también los amo con toda mis fuerzas.

A mi Novia Elizmar Karina, por su amor incondicional hacia mí y por esperarme todo este tiempo.

A mis Sobrinos Elio Efraín, Alejandro, Thaitsha y Azael, les prometo que me convertiré a su ejemplo a seguir.

A mis Abuelos José, Trigia, Cruz y Alfreda, se que siempre están pendiente de mí. Y los que están en el cielo sé que siempre están a mi lado vigilando cada uno de mis pasos para que tome la decisión correcta.

A mis compañeros de grupo en las áreas de grado Lili, Alfredo y Adriana. Demasiado grandes y siempre dispuestos a todo.

A mis compañeros de las áreas de la Sección 02, Mancha, Sergio, Lois, Jesmir, Erika y María. A ustedes les espera un futuro brillante.

A mis profesores de las áreas de grado Isvelia, Mario, Ángel y José. Sus palabras son sabias y que Dios los bendiga.

Elio J. Coraspe F.

VIII

DEDICATORIA

IX

AGRADECIMIENTOS

AGRADECIMIENTOS Para mi Dios que puso los medios para estar y llegar a donde estoy, ya que me dio la fortaleza espiritual y física.

A mi mamá y mi papá porque me proporcionaron todo su apoyo total y su Fe en mí de que podría terminar. A mi hermana que confió en que lo lograría. Y para mis abuelos (as), tíos (as), primos (as) y demás 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 compañeros de universidad que siempre me dieron las mejores palabras de aliento.

Para mis profesores de áreas, Mario Briones, José Rondón, Isvelia Avendaño y Ángel Pereira por su apoyo y su confianza. Admiro su calidad humana.

A mis compañeros de monografía Elio, Alfredo y Adriana. Por ser grandes amigos. A Jesmir, Erika, Mancha, Sergio, Lois y María, por su gran amistad y bueno a todos mis compañeros de áreas.

Para mi profesora Lennys Fernández, la quiero mucho, gracias por su apoyo y confianza.

X

AGRADECIMIENTOS

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 corazón, que Dios los bendiga, porque han sido una bendición en mi vida.

Lilibeth Del Valle Benítez López.

XI

AGRADECIMIENTOS

AGRADECIMIENTOS

A Jesús Misericordioso y María Auxiliadora de los Cristianos, sin ustedes ¿que sería 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 emoción de alcanzar esta maravillosa meta no fuera tan grande. A mis queridos padres Jesús y Carmen, por todos los sacrificios, la dedicación y los buenos consejos que siempre obtuve de ustedes. A mi esposo Antonio, sin ti a mi lado difícilmente hubiese alcanzado esta meta, te desvelaste, estudiaste y sufriste conmigo, todo esto también te lo gaste tú. Al Profesor Félix Acosta, quien durante su función 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 Perforación y Seminario. Al Profesor Juan Quintero, quien no solo me formo en simulación 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. González R.

XII

AGRADECIMIENTOS

AGRADECIMIENTOS A Díos por guiarme por el buen camino y darme salud, fuerza y paciencia para 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, físico, emocional y económico que me han brindado a la largo de mi dichosa y fructífera vida. Sin ustedes no sería quien soy. Gracias por sus consejos y por hacer de mi una valiosa persona. Muchas y miles de Gracias. Nunca encontrare la manera de agradecerles todo lo que han hecho por mí. Los amo con todas mis fuerzas y siempre serán mis grandes y únicos héroes.

A mis hermanos, Alexander, María 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 comprensión sin ustedes no sería quien soy ahora. Los quiero muchísimo.

A mi novia preciosa Elizmar Karina, quien le brindo su amor a este extraño y llegó a mi vida para convertirla en algo indescriptible. Su amor fue mi sostén para soportar todas las dificultades que atravesé 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 seguiré amando el resto de mis días. Gracias por todo mi chimita.

A mis sobrinos Elio Efraín, Alejandrito, Thaitsha, y Azael quienes brindaron en mi vida ese momento de paz, risas y tranquiladad que todo

XIII

AGRADECIMIENTOS

estudiante necesita para poder llegar esta carrera con toda la cordura posible. A ustedes los quiero mucho.

A una niñita que se robo mi corazón de una manera impresionante todo mi corazón 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 compañeros de mi grupo de las áreas de grado, Lili, Adriana y Alfredo, por comportarse a la altura de grandes ingenieros y brindarme muchos momentos de grata alegría y felicidad.

A mis compañeros de la Sección 02 de las áreas de grado, con especial énfasis a mis queridos amigos Mancha, Sergio, Lois, María, 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 Avendaño, Mario Briones, Ángel Pereira y José Rondón, por dedicarme todo su tiempo y tomarse la molestia de nutrirme con sus conocimientos y experiencias personales. Mil gracias y siempre estarán presente en cada uno de mis pasos.

A todas aquellas personas que sé que son muy valiosas en mi vida y que por motivos ajenos a mi no he podido nombrar. Muchas gracias por su apoyo y comprensión.

Elio J. Coraspe F.

XIV

AGRADECIMIENTOS

XV

CONTENIDO

CONTENIDO Páginas TÍTULO DEL TRABAJO DE GRADO

I

RESOLUCIÓN

IV

DEDICATORIAS

V

AGRADECIMIENTOS

X

CONTENIDO

XVI

LISTA DE TABLAS

XX

LISTA DE FIGURAS

XX

RESUMEN

XXII

CAPÍTULO I: 1.1.- Introducción.

3

1.2.- Planteamiento del Problema

5

1.3.- Objetivos (General y Específicos)

7

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 2.1.- Gas Natural.

9

2.2.- Ventajas.

9

2.3.- Características y propiedades del Gas Natural.

10

2.4.- Gas de Síntesis.

12

2.4.1.- Producción gas de síntesis.

12

2.4.2.- Gas de síntesis por gasificación de carbón.

13

2.4.2.1.- Factores de operación.

16

2.4.2.2.- Factores dependientes del residuo gasificado.

18

2.4.3.- Gas de síntesis por disociación de gas natural y de

20

petróleo. 2.4.4.- Purificación y aplicación del gas de síntesis. xxxxx

22 26 28

XVI

CONTENIDO

2.5.- Análisis Económico.

30

2.5.1.- Costos.

30

2.5.1.1.- Costos directos.

30

2.5.1.2.- Costos indirectos.

30

2.5.2.- Indicador de costos.

30

2.5.3.- Estimados de costos

31

CAPÍTULO III: METODOLOGÍA 3.1.- Recopilación de información.

33

3.2.- Distinción de los componentes principales del gas de

33

síntesis. 3.3.- Establecimiento de las reacciones que se llevan a cabo en

33

el proceso de obtención de gas de síntesis a partir del gas natural. 3.4.- Enfoque del proceso de obtención de gas de síntesis

34

mediante un diagrama de campo. 3.5.- Estudio del proceso de obtención de gas de síntesis a

34

través del simulador Hysys Plant. 3.6.- Dimensionamiento de los equipos más importantes

35

presentes en el proceso de obtención de gas de síntesis utilizando como materia prima el gas natural. 3.7.- Estimación de costos clase V de los equipos que se

35

utilizarán en el proceso de obtención de gas de síntesis, a través del gas natural. 3.8.- Redacción del trabajo de grado.

35

CAPÍTULO IV: DESARROLLO 4.1.- Obtención de los componentes puros del gas de síntesis.

37

4.1.1.- Monóxido de Carbono.

37

4.1.2.- El Hidrógeno.

39

4.1.2.1.- El hidrógeno como nueva fuente de energía.

40

4.1.2.2.- Utilización del hidrógeno.

41

XVII

CONTENIDO

4.1.2.3.- Obtención del hidrógeno.

42

4.5.- Diagrama de campo.

59

4.6.- Simulación Hysys Plant.

60

4.6.1- Proceso en estudio.

61

4.6.2.- Paquete Fluido.

63

4.6.3.- Reacciones del Modelo.

64

4.6.4.- Conjuntos de Reacciones.

66

4.6.5.- Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido.

67

4.6.6.- Simulación en estado estacionario.

67

4.6.6.1.- Reactor Reformador.

67

4.6.6.2.- Corrientes.

68

4.2.6.3.- Reactor de conversión.

69

4.6.6.4.- Reactor de combustión.

71

4.6.6.4.1.- Corrientes.

71

4.7.- Reactor de conversión.

72

4.8.- Reactores de síntesis.

75

4.8.1.- Reactor de equilíbrio R-102.

75

4.8.2.- Reactor de equilíbrio R-103.

76

4.8.3.- Reactor de equilíbrio R-104.

77

4.9.- Ajuste de Condiciones de Operación.

78

4.9.1.- Ajuste del Flujo de vapor.

78

4.9.2.- Ajuste del Flujo de aire.

79

4.9.3.- Casos de estudio.

81

4.10.- Estimados de costos clase V 4.10.1.- Método de estimación basado en el coste de equipos.

81 86

Métodos factoriales. 4.10.1.1.- Método de Lang.

86

CAPÍTULO V: DISCUSIÓN DE RESULTADOS

CAPÍTULO VI: 6.1.- Conclusiones

XVIII

CONTENIDO

6.2.- Recomendaciones. 6.3.- Bibliografía.

XIX

LISTA DE TABLAS

LISTA DE TABLAS Páginas Tabla Nº 1.- Componentes y características del gas natural.

11

Tabla Nº 2.- Características fisicoquímicas del hidrógeno.

39

Tabla Nº 3.- Temas relevantes en el área de producción

43

(obtención) de hidrógeno. Tabla Nº 4.- Composición típica del gas producido por los

54

diferentes tipos de gasificadores. Tabla Nº 5.- Costos anuales que la planta de obtención de gas de

82

síntesis genera. (Análisis económico). Tabla Nº 6.- Costos de maquinarias y equipos.

83

Tabla Nº 7.- Costos de producción para reformado de metano por

83

vapor con o sin secuestro. Tabla Nº 8.- Eficiencia y costos anuales de la producción de

84

hidrógeno. Tabla Nº 9.- Clasificación de los estimados de costos según PDVSA.

XX

85

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE FIGURAS Páginas Figura Nº 1.- Diagrama de flujo de una planta de producción de

13

gas de síntesis. Figura Nº 2.- Proceso Lurgi.

15

Figura Nº 3.- Diagrama de flujo del proceso para obtener metanol

25

por hidrogenación Del CO. Figura Nº 4.- Diagrama de flujo de reacciones químicas con

38

monóxido de carbono Figura Nº 5.- Diagrama de obtención de hidrógeno.

42

Figura Nº 6.- Reformador de gas natural con vapor de agua.

44

Figura Nº 7.- Equilibrio entre componentes del gas reformado en

45

función de la Temperatura. Figura Nº 8.- Representación isométrica de un horno de “steam

47

reforming”.. Figura Nº 9.- Posición alternativa de los mecheros en los hornos

49

de reformado con vapor. Figura Nº 10.- Reformado com vapor de metanol y etanol.

50

Figura Nº 11.- Esquema simplificado del proceso de gas de

51

síntesis con reformador secundario. Figura Nº 12.- Diagrama de obtención de hidrogeno por

52

oxidación parcial de hidrocarburos. Figura Nº 13.- Ciclo combinado, pila de combustible.

57

Figura Nº 14.- Diagrama de Flujo para la obtención del gas de

60

síntesis. Figura Nº 15.- Diagrama de flujo de una planta de producción de

63

gas de síntesis. Figura Nº 16.- Estequiometria de La reacción Rxn-1 del conjunto

64

global Rxn Set. Figura Nº 17.- Fase y conversión de La reacción Rxn-1 del

XXI

65

LISTA DE FIGURAS

conjunto global Rxn Set. Figura Nº 18.- Conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set”

67

Figura Nº 19.- Conjunto de reacciones “Combustor Rxn Set”

68

Figura Nº 20.- Conjunto de reacciones “Equilibrio Rxn Set”

68

Figura Nº 21.- Especificación de igualdad de presiones entre gas

69

y vapor. Figura Nº 22.- Especificación del gas.

70

Figura Nº 23.- Especificación del vapor.

70

Figura Nº 24.- Especificación entre el gas y el vaporC.

72

Figura Nº 25.- Especificación entre el gas y el aire.

72

Figura Nº 26.- Especificación del vaporC.

73

Figura Nº 27.- Especificación del aire.

73

Figura Nº 28.- Especificación del Vr.

74

Figura Nº 29.- Especificación del Vc.

75

Figura Nº 30.- Especificación del Ve2.

76

Figura Nº 31.- Especificación del Ve3.

76

Figura Nº 32.- Ajuste de flujo de VaporC para el control de

78

temperatura de R-102.

XXII

RESUMEN

RESUMEN

En este trabajo se estudiará la evaluación técnica y económica del proceso de obtención del gas de síntesis, rico en hidrógeno, 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 hidrógeno, nitrógeno y óxidos de carbono, a través 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, catalítico y autotérmico, luego el gas natural proveniente de la sección de desulfurización se mezcla con vapor de agua. Con este fin se realizará la simulación del proceso de obtención del gas de síntesis, utilizando el simulador comercial HYSYS PLANT, se dimensionarán los equipos y se estimaran los costos Clase V de los equipos presentes en el proceso de obtención de gas de síntesis del gas natural.

XXIII

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN

1.1.- INTRODUCCIÓN

El gas de síntesis está compuesto principalmente de H2 y CO. Este gas puede ser usado para la generación de energía o como precursor para la producción de hidrógeno, compuestos químicos y combustibles sintéticos. Puede ser producido a partir de cualquier fuente de hidrocarburos como son el gas natural, aceites residuales, coque de petróleo, carbón o biomasa. Sin embargo, hoy en día la forma más barata de producir gas de síntesis es a partir del gas natural. La tecnología predominante es el reformado con vapor, aunque existen otras tecnologías alternativas como la oxidación parcial o el reformado auto-térmico de metano.

De todos los procesos posibles de producción los más comunes son los descritos a nivel de formulación en el apartado anterior, que son el reformado de hidrocarburos con vapor y la oxidación parcial. A pesar de que estos procesos pueden funcionar perfectamente con gas natural, gas de refinería o otras mezclas de gases hidrocarbonatos su gran ventaja es que pueden producir hidrogeno a partir de hidrocarburos líquidos 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 presión. Se obtienen como resultado de la reacción química; hidrógeno y dióxido de carbono, y dependiendo el compuesto reformado, también monóxido 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 desulfuración.

El proceso de obtención de gas de síntesis utilizando como materia prima el gas natural lo desarrollaremos en nuestra monografía, al ser de

-3-

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN

mayor aplicación en la industria pues el uso del gas natural tiene mayores ventajas que el uso del carbón (combustión sin cenizas, se transporta por gasoducto, economía de la materia prima, y otras consideraciones).

De ese gas de síntesis, se obtiene una fuente de energía, el hidrógeno, que se utiliza en muchas ramas de nuestra vida y una muy importante como lo es en la construcción de motores para automóviles. Tecnología que va creciendo poco a poco y se ha ido convirtiendo en la principal punta de lanza para movilizar los nuevos autos.

Además en esta monografía también describiremos las reacciones que ocurren en el proceso, los equipos que se utilizan normalmente, para posteriormente mostrar la simulación del proceso y su posterior balance económico.

-4-

CAPÍTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La demanda energética mundial, estimada en unos 10.000 millones de toneladas equivalentes de petróleo (BP, 2004), se ve cubierta en más de un 87% por combustibles fósiles como el carbón, petróleo y gas natural. Esta dependencia tiene importantes repercusiones tanto económicas como ambientales. Por el lado económico cabe destacar que su producción centralizada en determinadas zonas del mundo, está gobernada por factores esencialmente políticos, lo que resulta en precios volátiles y elevados. Así mismo, en ausencia de alternativas viables, el agotamiento de las reservas de petróleo, estimadas en no más de 40 años (BP, 2004), resultará en un encarecimiento progresivo hasta niveles tales que afecten el desarrollo económico global.

En todo el mundo se apunta de forma insistente desde las administraciones públicas a la necesidad de preparar una transición controlada hacia una nueva forma de producción y consumo energético que sea limpio, seguro y fiable (DOE, 2004; Comisión Europea, 2003). Una de las respuestas a esta crisis que se avecina es el uso de hidrógeno como fuente de energía.

El hidrógeno es una fuente de energía que puede ser usado en muchas áreas, entre las que se encuentra: automóvil (los cuales se encuentran ya en existencia y en pleno funcionamiento en muchos países, como: Estados Unidos, España y muy recientemente en Argentina), procesamiento de amoníaco, entre otras. De allí que resulta muy importante buscar las herramientas necesarias para su producción.

El Hidrógeno del gas natural es muy factible, ya que en Venezuela cuentan con muchísimas reservas de gas, por lo que la materia prima se encuentra cercanamente.

-5-

CAPÍTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La importancia de este trabajo radica, en la creación de nuevas alternativas viables que permitan sustituir al petróleo como principal fuente de energía para muchos procesos y aportar nuevos avances tecnológicos que permitan el desarrollo sostenible de forma económica, con menos impactos ambientales y facilidades de distribución a lo largo del mundo.

-6-

CAPÍTULO I. OBJETIVOS

1.3.- OBJETIVOS

1.3.1.- OBJETIVO GENERAL Evaluar técnica y económicamente el proceso de obtención de gas de síntesis, rico en hidrógeno, por reformado con vapor a partir del gas natural.

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Distinguir los componentes principales del gas de síntesis. 2. Establecer las reacciones que se llevan a cabo en el proceso de obtención de gas de síntesis del gas natural. 3. Enfocar el proceso de obtención de gas de síntesis mediante un diagrama de campo. 4. Estudiar el proceso de obtención de gas de síntesis a través del simulador Hysys Plant,

utilizando data extraída de fuentes

bibliográficas. 5. Dimensionar los equipos más importantes presentes en el proceso de obtención de gas de síntesis, utilizando como materia prima el gas natural. 6. Estimar los costos clase V de los equipos presentes en el proceso de obtención de gas de síntesis del gas natural.

-7-

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.- MARCO TEÓRICO

2.1.- GAS NATURAL.

El gas natural es una mezcla de gases que se encuentra frecuentemente en yacimientos fósiles, no-asociado (solo), disuelto o asociado con (acompañando al) petróleo o en depósitos de carbón. Aunque su composición varía en función del yacimiento del que se extrae, está

compuesto

principalmente

por

metano

en

cantidades

que

comúnmente pueden superar el 90 ó 95%, y suele contener otros gases como nitrógeno, etano, CO2, H2S, butano, propano, mercaptanos y trazas de hidrocarburos más pesados. [1]

2.2.- VENTAJAS. Combustible ecológico, limpio y menos contaminante. El gas natural es el combustible que menos contamina el ambiente, debido a que en su combustión no se generan gases tóxicos, cenizas ni residuos. Su transporte y distribución se realiza mediante tuberías subterráneas por lo que no daña el paisaje ni atenta contra la vida animal o vegetal. A diferencia del GLP, que en nuestro país es distribuido principalmente en balones haciendo uso de vehículos pesados que circulan constantemente por la ciudad incrementando el tráfico, deteriorando el pavimento y contaminando el ambiente. Con el gas natural usted cuida su salud, la de su familia y también su ciudad. [2]

-9-

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.3.- CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DEL GAS NATURAL. La composición real de un determinado gas se obtiene y aprecia por medio de análisis cualitativos y cuantitativos. Estos análisis enumeran los componentes presentes y el porcentaje de cada componente en la composición total. Además de los hidrocarburos presentes, por análisis se detecta la presencia o no, de otras sustancias que merecen atención debido a que pueden ocasionar trastornos en las operaciones de manejo, tratamiento y procesamiento industrial del gas.

El gas natural, está constituido por hidrocarburos de bajo punto de ebullición; el componente principal aproximadamente el 85% es metano. En menores proporciones está presente el etano, aproximadamente un 10% y el propano que puede llegar a porcentajes de hasta un 3%. A manera de ilustración, en la (Tabla Nº 1) se muestran las variaciones de porcentajes que podrían tener los componentes del gas. Sin embargo, por medio del porcentaje real que enseñe el análisis de muestra de gas de un yacimiento se podrá calcular la cantidad de líquidos susceptibles de extracción y las posibilidades de comercialización.

Además, se notará también que el gas natural puede contener otros gases fuera de la serie parafínica de hidrocarburos. El sulfuro de hidrógeno aparece en el gas de muchos yacimientos petrolíferos y gasíferos, generalmente desde trazas hasta 10% pero también en cantidades excepcionalmente mayores. Este gas en muy tóxico y en pequeñísimas cantidades desde 0,01 hasta 0,10% en la atmósfera puede causar severa y dolorosa irritación de la vista y hasta la muerte rápida. De allí, que si en las operaciones hay que manejar gas y/o crudos que contengan sulfuro de hidrógeno se deben tomar las precauciones y medidas de seguridad correspondientes. El gas natural de ciertos yacimientos puede contener pequeñas cantidades de helio. Este gas por

- 10 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

su incombustibilidad es de mucha utilidad en la aeronáutica para llenar globos aerostáticos.

Se han dado casos de algunos yacimientos de gas que no contienen casi nada de hidrocarburos pero si más de 90 % de dióxido de carbono (CO2). Este gas se usa mucho en la fabricación de bebidas gaseosas, en la industria química y en otras aplicaciones industriales. Solidificado se llama ¨hielo seco¨.[3]

Tabla Nº 1. Componentes y Características del Gas Natural.

COMPONENTE

FÓRMULA

ESTADO

QUÍMICA

VARIACIÓN 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

Líquido

0,01 – 0,80

Iso-Pentano

C5H12

Líquido

0,01 – 0,80

Hexano

C6H14

Líquido

0,01 – 0,50

Heptano +

C7H16

Líquido

0,01 – 0,40

Nitrógeno

N

Gas

0,10 - 0,50

CO2

Gas

0,20 – 30,00

O2

Gas

0,09 – 0,30

H2S

Gas

TRAZAS – 28,00

He

Gas

TRAZAS – 4,00

Dióxido

de

Carbono Oxígeno Sulfuro

de

Hidrógeno Helio

- 11 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.4.- GAS DE SÍNTESIS Actualmente se designa preferiblemente "gas de síntesis" a una mezcla de gases en la que predominan monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2) en proporciones variables y que son adecuadas para síntesis especiales de productos químicos o suelen ser utilizados como fuentes de energía. Este gas puede ser usado para la generación de energía o como precursor para la producción de hidrógeno, compuestos químicos y combustibles sintéticos. La forma más habitual de obtenerlo es a partir de metano, aunque también puede obtenerse con facilidad a partir de etano, propano o butano. [4] La reacción a conseguir cuando se utiliza el metano es:

(2.1)

2.4.1.- PRODUCCIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS. El proceso para la obtención del gas de síntesis se basa primeramente en la gasificación del coque de hulla o de la destilación de lignitos con aire y vapor de agua. Después de la Segunda Guerra Mundial se introdujeron combustibles fósiles líquidos y gaseosos, petróleo y gas natural, especialmente adecuados para el proceso, fáciles de manejar y que dan valiosos resultados y productos nuevos cuyo valor reside en su contenido de hidrógeno. (Ver Figura Nº 1)

En la actualidad, han recuperado importancia los históricos procesos de gasificación en la moderna tecnología, no obstante ser su participación en la producción total sólo del tres por ciento (3%) entre todas las instalaciones del gas de síntesis del mundo en 1976. [4]

- 12 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

FIGURA Nº 1 Diagrama de flujo de una planta de producción de gas de síntesis.

2.4.2.-

GAS

DE

SÍNTESIS

POR

GASIFICACIÓN

DE

CARBÓN. Varias

reacciones

parcialmente

interdependientes

son

la

importancia en el proceso de gasificación del carbón con vapor de agua y oxígeno (O2), de las cuales la combustión parcial del carbón, exotérmica y la formación del gas de agua, endotérmica, constituyen propiamente las reacciones de gasificación:

2C + O2

2C + H2O

  53kcal 2CO     / mol  222kj     31kcal CO + H2     / mol  130kj  

(2.2)

(2.3)

Además de estas se producen otras transformaciones que se estudiaran más adelante.

- 13 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Las características generales de los procesos de gasificación del carbón son la elevada necesidad de energía para producir las reacciones parciales endotérmicas y además las elevadas temperaturas necesarias no inferiores a 900 – 1000 ºC, para conseguir alcanzar una velocidad de reacción satisfactoria. Los diferentes procesos de gasificación se caracterizan por la clase de carbón utilizada, ya sea hulla o lignito, y por sus propiedades físicas y químicas. Por otra parte se diferencian entre sí por la tecnología empleada, como por ejemplo, el suministro de calor (alotérmico o autotérmico), la forma del reactor (lecho estático, lecho en torbellino, polvo volante). Sobre la propia reacción de gasificación y la composición del gas tienen una influencia importante, además del medio de gasificación (H2O, O2 y respectivamente, aire, CO2 y H2), las condiciones del proceso (presión, temperatura y cantidad de carbón) y la conducción de reacción (corriente paralela o contracorriente). Entre los procesos técnicamente comprobados son conocidos los denominados procesos de gasificación industrial convencional, como: Proceso de Gasificación Winkler: Este utiliza un carbón de granos pequeños, que no funden y se clasifica en un lecho de torbellino (generador de Winkler) con O2 o aire y vapor de agua sin presión y entre temperaturas de 800 y 1100 ºC que dependen de la reactividad del carbón empleado. Proceso Koppers-Totzek: En este proceso se gasifica carbón pulverizado o cok de petróleo en lecho fluidizado (nube de polvo volante) con O2 y H2O sin presión a 1400 hasta 1600 ºC, con formación de llama. Por medio de esta alta temperatura de gasificación

se

evita

la

formación

de

hidrocarburos

condensables y el gas de síntesis así obtenido tiene un contenido de 85-90% de CO y H2.

- 14 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Proceso Lurgi: Se denomina proceso de baja presión para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, líquidos o carbón. Trabaja según el principio de un lecho sólido movido por aletas giratorias, al principio se encuentra con una presión de 20-30 bars y 600-750 ºC, con lo que se produce una desgasificación. Este proceso se está perfeccionando por muy diferentes empresas con el fin de aumentar el rendimiento de sus reactores. (Ver figura 2). [4] Figura Nº 2. Proceso Lurgi.

También existen nuevos procesos semitérmicos probados como: Rheinbraun (H2), Bergbau- Forschung (vapor – H2O) y Kellog (magma – Na2CO3), los dos primeros son empleados y siguen siendo

- 15 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

investigados en la República Federal Alemana y el último que ha alcanzado un notable desarrollo en los EE.UU. Después de éstos se han venido desarrollando en los EE.UU, unos procesos en varias etapas que están concebidos principalmente para la producción de un gas natural de síntesis (SNG = Susbtituto Natural Gas) (Synthane = Us Bureau Of Mine) (Bi-Gas = Bituminous Coal Res.) (HyGas = Instuitute Of Gas Technology) y (Hydrane = Us Energy Res. Y Dev. Adm.). Existen una serie de factores que influyen en el proceso de gasificación, pudiendo distinguirse entre los que se refieren al modo de operación y al sólido gasificado, y los que son inherentes al diseño del gasificador y de los equipos auxiliares. Iremos pues examinando estos grupos de factores uno a uno. [4]

2.4.2.1.- FACTORES DE OPERACIÓN. Temperatura: La temperatura es un parámetro importante en todas las etapas, y por tanto en el rendimiento final del proceso. En concreto, una alimentación única puede dar distribuciones de productos distintos según 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 móvil las velocidades de calentamiento suelen ser moderadas (del orden de 0,2 - 0,5 EC/seg).

En

la

etapa

de

gasificación

propiamente

dicha,

dada

la

reversibilidad de la mayoría de las reacciones, la temperatura influye en

- 16 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

los equilibrios de reacción. 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. Presión: En general el aumento de la presión desfavorece las reacciones

de

gasificación,

aumentando

las

proporciones

de

hidrocarburos y alquitranes. Los gasificadores de lecho móvil suelen trabajar a presión atmosférica y los de lecho fluidizado suelen trabajar a presión, alcanzándose hasta los 30 bars en algunos casos.

Relación agente gasificante/residuo: Es uno de los parámetros más importantes en la gasificación, especialmente cuando está se autoabastece energéticamente mediante la oxidación parcial, con aire u oxígeno del residuo tratado. Valores excesívamente bajos de este parámetro pueden no generar la cantidad suficiente de energía para mantener el proceso en las condiciones adecuadas, produciendose una disminución del rendimiento.

Por otro lado, cuando el agente gasificante es aire, existe además un efecto de dilución por parte del N2. Por ello hay un valor óptimo de la relación gasificante/residuo para cada proceso, que depende básicamente de la composición del residuo gasificado.

Así, por ejemplo, cuando se trata de biomasa forestal la relación óptima en peso de aire/biomasa se ha comprobado que está entre 0,5 y 1,6 para los gasificadores de lecho fluido, y alrededor de 1,5 para los gasificadores de lecho móvil. Sí se conjuga, por un lado el aumento de temperatura que produce una disminución de la proporción de residuo sólido y condensables generados en la etapa de pirólisis, y por otro la disminución de la calidad del gas. [4]

- 17 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.4.2.2.-

FACTORES

DEPENDIENTES

DEL

RESIDUO

GASIFICADO. Análisis elemental: El contenido en Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre,

Cloro

y

Oxígeno.

Influye

en

la

proporción

agente

gasificante/resíduo óptima, además de delimitar la producción de contaminantes del tipo de óxidos de Nitrógeno y/o Azufre, o de Cloruro de Hidrógeno.

Análisis inmediato: Nos da el contenido en cenizas, material volátil y carbono fijo. El material volátil sería el que abandona el sólido durante un proceso de pirólisis. El carbono fijo y las cenizas constituirían el sólido residual. El contenido en cenizas nos dice la cantidad de sólidos que será 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 acumulación.

En los gasificadores de lecho móvil esto se hace extrayéndolas 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 fusión. Si este se sobrepasa se pueden formar escorias que obstruyan los equipos.

Así mismo, las cenizas, al ser inertes, no intervienen en los equilibrios químicos de las reacciones de gasificación, pero pueden tener un efecto catalítico acelerando la reacción de gasificación del residuo carbonoso con vapor de agua, especialmente al existir óxidos metálicos como K2O, CaO, MgO, P2O5, etc.

- 18 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Poder Calorífico: Puede indicarse el superior o el inferior. Es el parámetro que determina la máxima energía aprovechable de un residuo desde el punto de vista de su uso como combustible.

Tamaño y características de partícula: Hay que tener presente que en el proceso va a tener lugar un calentamiento de las partículas, la difusión de reactivos hacia la partícula y de productos desde esta hacia el media gaseoso que la rodea, y reacciones sólido-gas en la superficie sólida. Por esto el tamaño de partícula 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 parámetro incide además sobre la velocidad mínima de fluidización. Para variar el tamaño de partícula se pueden considerar la densificación y la molienda, pero estas posibilidades incurren en unos costes adicionales. Por otro lado residuos poco densos pueden crear problemas de formación de canalizaciones preferenciales o dificultar la fluidización. En los lechos fijos pueden crearse problemas de perdida de carga y el colapso del movimiento del lecho, dependiendo de la forma de las partículas.

Humedad: Influye sobre la viabilidad del proceso. Influye sobre el balance térmico del proceso pues una parte del calor producido debe utilizarse para evaporar esa cantidad de agua. También influye sobre la composición del gas de salida, incluso desplazando algunas reacciones. En general se aceptan humedades de entre 10 y 20 % para lechos móviles y hasta el 40 % para lechos fluidos. [4]

- 19 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.4.3.- GAS DE SÍNTESIS POR DISOCIACIÓN DE GAS NATURAL Y DE PETRÓLEO. La preparación del gas de síntesis a partir del gas natural y petróleo en presencia de vapor de agua es análoga a la gasificación del carbón y consiste en un conjunto de reacciones de gasificación exotérmica y endotérmica:

  22kcal - CH2- + 0.5 O2 → CO + H2     / mol  (2.4) 92kj     36kcal - CH2- + H2O → CO + 2H2     / mol  (2.5) 151kj   El establecimiento simultaneo de los equilibrios de Boudouard, gas de agua y formación de metano, corresponden en principio a la gasificación del carbón. Las fracciones de destilación del petróleo y el gas natural se pueden trasformar en gas de síntesis por dos métodos diferentes en principio: 1. Según el método de escisión de vapor (Steam Reforming) se produce una disociación catalítica en presencia de H2O. el calor necesario se suministra del exterior (proceso alotérmico). 2. En el proceso de escisión autotérmico el calor necesario procede de la combustión parcial del producto a gasificar, por disociación térmica en la que puede también participar el H2O. Principio del proceso 1: El proceso de reformación con vapor más 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 ebullición hasta 200 ºC (nafta). El Proceso ICI consta de tres etapas y la diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya que

- 20 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

los procesos de obtención de gas de síntesis y purificación de metanol son similares para todos los procesos. En este caso la síntesis catalítica se produce en un reactor de lecho fluidizado, en el cual al gas de síntesis ingresa por la base y el metanol sale por el tope. El catalizador se mantiene así fluidizado dentro del reactor, el cual es enfriado por agua en estado de ebullición, obteniéndose vapor que se utiliza en otros sectores del proceso. La destilación se realiza en dos etapas en lugar de realizarse en una sola. Todas las demás características son similares al proceso Lurgi antes descrito. Las etapas son: Desulfuración hidrogenante con CoO-MoO3/Al2O3 a 350-450 ºC hasta alcanzar un contenido de S < 1ppm. Las oleofinas se hidrogenan simultáneamente. Escisión catalítica en el reformador primario, con Ni-k2O/ Al2O3 700830 ºC y 15-40 bars. Reescisión autotérmica de CH4 en el reformador secundario, es decir repetida combustión parcial de los gases cuando se requiere un levado gasto de calor. Ventaja del proceso ICI: Ningún hollín y por ello apenas disminución de actividad del catalizador. Principio del Proceso 2: La obtención del gas de síntesis por oxidación parcial de las fracciones del petróleo ha sido realizada, entre otros, por la BASF, Texaco e Hydrocarbon-Research, así como por una modificación de la Shell. Como materia prima son adecuados todos los hidrocarburos desde el metano hasta los residuos del petróleo (fueloil pesado). Las materias de partida precalentadas reaccionan con cantidades de O2 subestequiométricas y H2O sin catalizador a unos 30-80

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CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

bars y 1200-1500 ºC en el sector de combustión del reactor. El calor generado se utiliza en la escisión con vapor de los aceites. De una pequeña parte de aceite se forma hollín. Éste se separa del gas de síntesis por lavado con H2O o aceite y se pelletiza. El proceso de gasificación Shell se introdujo en 1975 en 34 instalaciones de gas de síntesis. [4]

2.4.4.- PURIFICACIÓN Y APLICACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS. El gas de síntesis obtenido por gasificación de combustibles fósiles está 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 químicos o constituir rellenos de gas inerte perjudiciales. Para la purificación del gas de síntesis de los mencionados componentes, se dispone de numerosos procedimientos diferentes. Como por ejemplo el CH3OH (Proceso Rectisol), que consiste en un lavado a presión

con

metanol.

Poliglicol-dimetiléter

(Proceso

Selexol)

que

aprovecha la dependencia de la solubilidad de los gases ácidos en éteres dimetílicos

de

poliglicoles

en

función

de

la

presión.

Sulfolan/diisipropanolamina/H2O (Proceso Sulfinol), utiliza la mezcla de Sulfolan/diisipropanolamina/H2O. NMP (Proceso Purisol), utiliza Nmetilpirrolidona. También se emplean tamices moleculares. [4] Unas de las aplicaciones más importantes del gas de síntesis es la preparación de amoniaco (NH3) mediante el proceso de Haber: (2.6)

- 22 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

El amoniaco y sus sales inorgánicas 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 duroplásticas de urea-formaldehido. La melamina reacciona con formaldehido para dar resinas duroplásticas 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 también en tratamientos textiles, tratamiento del papel, adhesivos y polvos para moldeado. [5]

El amoniaco se puede oxidar a ácido nítrico que se utiliza para obtener diferentes compuestos nitrogenados. Casi todos los explosivos son compuestos nitrogenados. El amoniaco interviene en reacciones para la obtención de aminas y también se utiliza como disolvente. Después de la producción de amoniaco, la segunda aplicación en importancia del gas de síntesis es la obtención de metanol, la cual se realiza en dos pasos:

(2.7) El metanol se usa fundamentalmente para la obtención de formaldehido. Y es el componente primario del C1.

(2.8)

- 23 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

El metanol se emplea también en varios compuestos como: tereftalato de dimetilo para fibras de poliéster, metacrilato de metilo, acrilato de metilo, ftalato de dimetilo, cloruro de metilo y metilaminas. La mayor parte de la producción de formaldehído se utiliza para la obtención de

resinas de

fenol-formaldehído,

urea-formaldehído

y

melamina-formaldehído. Además es la materia prima de resinas poliacetálicas como "Delrin " y "Zelcon". Los poliacetales son plásticos que se utilizan, fundamentalmente, en ingeniería. Del formaldehído se obtiene, asimismo, pentaeritrol y combinado con acetileno produce butinodiol. Al combinarlo con amoniaco se obtiene hexametilentetramina. [5]

Es decir; originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de madera. Esta materia prima condujo a su nombre de alcohol de madera. Este proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire a unos 400 °C formándose gases combustibles (CO, C2H4, H2), empleados en el calentamiento de las retortas; un destilado acuoso que se conoce como ácido piroleñoso y que contiene un 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol y un 0.5% de acetona; un alquitrán de madera, base para la preparación de antisépticos y desinfectantes; y carbón vegetal que queda como residuo en las retortas. Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados. CO + CO2 + H2

CH3OH

(2.9)

La reacción se produce a una temperatura de 300-400 °C y a una presión de 200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO o Cr2O3. (Ver figura Nº 3)

[4]

- 24 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Figura Nº 3. Diagrama de flujo del proceso para obtener metanol por hidrogenación del CO

El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho. Actualmente el proceso más ampliamente usado para la obtención del gas de síntesis es a partir de la combustión parcial del gas natural en presencia de vapor de agua. Gas Natural + Vapor de Agua

CO + CO2 + H2 (2.10)

Sin embargo el gas de síntesis también se puede obtener a partir de la combustión parcial de mezclas de hidrocarburos líquidos o carbón, en presencia de agua. Mezcla de Hidrocarburos Líquidos + Agua Carbón + Agua

CO + CO2 + H2 (2.11)

CO + CO2 + H2

- 25 -

(2.12)

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

En el caso de que la materia prima sea el carbón, el gas de síntesis se puede obtener directamente bajo tierra. Se fracturan los pozos de carbón mediante explosivos, se encienden y se fuerzan aire comprimido y agua. El carbón encendido genera calor y el carbono necesarios, y se produce gas de síntesis. Este proceso se conoce como proceso in situ. Este método no tiene una aplicación industrial difundida. Los procesos industriales más ampliamente usados, usando cualquiera

de

las

tres

alimentaciones

(gas

natural,

mezcla

de

hidrocarburos líquidos o carbón) son los desarrollados por las firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI). Que fue explicado anteriormente (Ver apartado 2.4.2) [4]

2.5.- MOTOR DE HIDRÓGENO. Actualmente, la cuestión medioambiental es un asunto que preocupa a todos. En Europa hay 400 coches por cada mil personas, y se estima que esta cantidad seguirá subiendo al ritmo de nuestra sociedad y el consumo de un millón de litros de gasolina supone la emisión de 2'4 millones de quilos de dióxido de carbono a la atmósfera.

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 contaminación me llamó la atención y me hizo reflexionar cuando aparecieron los motores que funcionan con hidrógeno. Es por ese motivo que he decidido hacer mi trabajo sobre estos motores.

Existen normativas medioambientales cada vez más estrictas con todo este lento asunto, pero el agotamiento de las reservas de petróleo parece impulsar a la industria a optar por energías alternativas antes que a las combustibles fósiles convencionales. Al hidrógeno le espera

- 26 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

convertirse en una de estas opciones de futuro para un planeta que tiene un consumo de energía imparable. [7]

2.6.- FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE HIDRÓGENO. La pila de combustible es el elemento fundamental de un vehículo de hidrógeno, pues se trata del elemento de almacenamiento y transporte de la energía limpia de estos motores que no emiten ningún tipo de residuo ni gas contaminante.

Una pila de combustible es un elemento que funciona muy similar a como puede funcionar una batería, con la diferencia de que no se termina ni se recarga ya que (mediante un proceso de combustión fría) convierte la energía química que posee un combustible en energía eléctrica útil, sin la necesidad de pasar por un proceso de combustión.

Estas pilas están formadas por dos electrodos (que permiten el paso de una corriente eléctrica) que se encuentran separados por un electrólito (hecho de un material que puede ser descompuesto cuando actúa sobre él una corriente eléctrica). Los electrodos extraen los electrones de hidrógeno para convertirlos en electricidad cuando el hidrógeno fluye hacia el ánodo, donde un catalizador facilita la separación de protones y electrones. Los protones traviesan una membrana electrolítica para combinarse con el oxígeno, y los electrones se sitúan al lado del cátodo formando así un circuito externo ánodo−cátodo que alimenta los dispositivos eléctricos. La reacción de hidrógeno con oxígeno que da el resultado de agua pura más energía.

- 27 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

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 células simples (de 1 voltio cada una) que transforman las variaciones de presión en variaciones de intensidad de corriente que logra esta potencia que se inyecta en el rotor. (Ver figura 13)

Figura Nº 13. Ciclo combinado pila de combustible.

La tecnología de la pila ha tenido ciertos avances significativos los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han empezado a ensañar esta tecnología en la fabricación de vehículos experimentales o con fuente de energía alternativa.

[7]

2.7.- FORMACIÓN DEL HIDRÓGENO. Las centrales de hidrógeno pueden llegar a obtener hidrógeno electrificando el agua con energía eléctrica renovable (de los campos eólicos o colectores solares).

- 28 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Es cierto que obtenerlo por electrólisis es menos eficaz, pero una vez comprimido y almacenado en el vehículo, este hidrógeno superara el 75% de rendimiento, mientras que si se extrae del metano, el rendimiento inicial es más elevado pero, en global y valorando todo el proceso, se situará alrededor del 48−60%.[7]

2.7.1.- VENTAJAS DE LOS MOTOTRES DE HIDRÓGENO. Los motores de combustión tienen un rendimiento mediano del 30%, mientras que los motores de hidrógeno tienen una mediana del 55%. Este aspecto los hace equiparables a un automóvil convencional. El consumo y mantenimiento es inferior a cualquier otro tipo de coche. Como ya he dicho, al utilizar una energía limpia, se permite reducir los gases que producen el efecto invernadero y diversificar las fuentes de producción de electricidad. [7]

INCONVENIENTES DE LOS MOTORES DE HIDRÓGENO. El hidrógeno no se encuentra libre en la naturaleza, se ha de utilizar

energía

anteriormente.

para Este

obtenerlo proceso

tal sufre

y

como la

he

explicado

insuficiencia

de

infraestructuras para el abastecimiento de hidrógeno. La pila de combustible instalada en el coche tiene un gran peso. Su almacenamiento es en unos depósitos que lleva el coche a muy alta presión y, al ser el hidrógeno muy inflamable y de llama invisible, puede llegar a ser peligroso. No está demostrada la fiabilidad de todos los elementos.

- 29 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

Elevado costo de producción. Valen aproximadamente un 30% más que un coche de gasolina o diesel de prestaciones parecidas. [7]

2.9.-

PRIMEROS

AUTOMÓVILES

DE

MOTOR

DE

HIDRÓGENO. El primero fue fabricado por BMW. Estaba formado por doce cilindros y propulsado con hidrógeno alcanzaba:

Una potencia de 150kW. Una aceleración de 0 a 100km/h en 9'6 segundos, Una velocidad máxima de 226km/h Un depósito de 140 litros con abasto de 350km.

Desde el 2003 (3), la flota de autobuses de Barcelona cuenta con tres autobuses con pila de hidrógeno que han recorrido más de 38 000 km en sus trayectos de prueba y con muy buena aceptación por parte de los usuarios.

De esta manera, y con la incorporación de más autobuses de este tipo el 2008, nuestra ciudad es pionera en la incorporación de vehículos propulsados por energías limpias (también cuentan con 162 vehículos que funcionan con gas natural y 15 que funcionan con biodiesel). [7]

- 30 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

2.10.- ANÁLISIS ECONÓMICO. 2.5.1.- COSTO: Son los gastos incurridos en la producción, administración y venta de los productos y servicios vendidos en el período. 2.5.1.1.- COSTOS DIRECTOS: Son aquellos que la gerencia es capaz de asociar con los artículos o áreas específicos. Los materiales y la mano de obra directa son los ejemplos más claros. 2.5.1.2.- COSTOS INDIRECTOS: Son aquellos comunes a muchos artículos y por tanto no son directamente asociables a ningún artículo o área. Usualmente, los costos indirectos se cargan a los artículos o áreas con base en técnicas de asignación. (Seguros, lubricantes)

2.5.2.- INDICADOR DE COSTO: Es un método que permite realizar comparaciones presupuestarias de diferentes actividades. [8]

2.5.3.- ESTIMACIÓN DE COSTO: Para todo proceso industrial es necesario invertir capital y la determinación de la inversión necesaria constituye una parte importante del proyecto de la planta, cualquier proceso requiere una inversión 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]

- 31 -

CAPÍTULO II. MARCO TEÓRICO

- 32 -

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA

3.- METODOLOGÍA

3.1.- Recopilación de información. Para el inicio del desarrollo del proyecto se procederá a la búsqueda y recolección de toda la información: datos, tablas y figuras necesarias para la comprensión del mismo; haciendo énfasis en los componentes del gas de síntesis, las reacciones que ocurren en el proceso, las formas de obtención y el proceso de reformado con vapor. Así como también acerca del dimensionamiento de los equipos más importantes, la simulación de dicho proceso y las fórmulas necesarias para obtener el balance económico del proceso de obtención de gas de síntesis a partir del gas natural. Todo esto será reforzado a través de libros, revistas, tesis, manuales de plantas, documentación digital, etc.

3.2. Distinción de los componentes principales del gas de síntesis. En objetivo, se establecerá e identificará cada uno de los componentes que posee el gas de síntesis que se obtendrá a partir del gas natural, cuáles serán sus proporciones en cuanto a composiciones, sus propiedades y principales características.

3.3.- Establecimiento de las reacciones que se llevan a cabo en el proceso de obtención de gas de síntesis a partir del gas natural. En esta etapa se establecerán las reacciones que se necesitan para obtener el gas de síntesis, así como también las condiciones térmicas para que estás se lleven a cabo, los catalizadores que utilizan y los equipos donde se llevan a cabo. Todo esto se conseguirá de la

- 33 -

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA

información bibliográfica obtenida y recolectada de manera ordenada y precisa de trabajos anteriores que se hayan hecho en otros países, ya que está técnica no se ha desarrollado en nuestro país.

3.4. Enfoque del proceso de obtención de gas de síntesis mediante un diagrama de campo. Se realizará un diagrama de flujo indicando los equipos principales que se utilizan en la industria química para la obtención de gas de síntesis por reformado con vapor, utilizando como materia prima el gas natural. Esto se logrará con la revisión de trabajos anteriores en otros países.

3.5. Estudio del proceso de obtención de gas de síntesis a través del simulador Hysys Plant. En este objetivo se simulará el proceso de obtención de gas de síntesis por reformado con vapor del gas natural, en Hysys Plants, un simulador de procesos químicos utilizados para gases y líquidos que permitirá toda la data deseada en cada una de las corrientes presentes en el proceso tales como: composición, temperatura, calor requerido, presiones y otras propiedades.

Para llevar a cabo esta simulación es necesario la obtención de las condiciones de entrada del gas natural, los equipos a utilizar; así como las condiciones de operación: presiones y temperaturas a las cuales trabajan dichos equipos, necesarios para llevar a cabo este proceso. También se recurrirá a la revisión del manual del simulador con el fin de conocer todas sus características y las opciones de simulación que este posee, con la finalidad de llevar a cabo el proceso de la manera más eficiente y sin dificultades técnicas.

- 34 -

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA

3.6.- Dimensionamiento de los equipos más importantes presentes en el proceso de obtención de gas de síntesis utilizando como materia prima el gas natural. Una vez conocidas las características y condiciones

que

presentarán cada una de las corrientes del proceso y realizada la simulación respectiva, se procederá al dimensionamiento de los equipos más importantes, como reformadores, torres de equilibrio, calderas y otros. Todo esto se llevará a cabo tomando en cuenta las normas PDVSA y la data obtenida a través del simulador, a través de balances de masa y energía, ecuaciones de diseño, entre otras; recurriéndose a la recopilación información para reforzar lo antes mencionado.

3.7.- Estimación de costos clase V de los equipos que se utilizarán en el proceso de obtención de gas de síntesis, a través del gas natural. En esta fase se realizará la estimación de costos clase V de los equipos a utilizar en el proceso de gas de síntesis por reformado con vapor a través del gas natural. Para ello se recurrirá a las diferentes ecuaciones que incluyen estos costos, así como también a la búsqueda de información de los costos de los equipos a través de revistas, libros, trabajos anteriores y consultas personales a las diferentes empresas que trabajan con los mismos.

3.8.- Redacción del trabajo de grado. Una vez cumplido todos los objetivos específicos de manera eficiente, se procederá a la redacción del trabajo de grado, la cual contará con toda la información recopilada de las etapas anteriores, además de las conclusiones y recomendaciones. Aquí se cumplirá con las normas establecidas por la Universidad de Oriente para la elaboración y presentación de la misma.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.- DESARROLLO.

4.1.- OBTENCIÓN DE LOS COMPONENTES PUROS DEL GAS DE SÍNTESIS. 4.1.1.- Dióxido de Carbono (CO2): Es el segundo elemento en abundancia dentro de la mezcla de gas de síntesis, este se encuentra en una proporción de 0.1 a 0.4 en fracción molar. El CO2 debe ser eliminado finalmente en una unidad de descarbonatación absorbiéndolo con una solución de carbonato potásico a presión, que pasa a bicarbonato y luego se regenera mediante aporte de calor y bajando la presión, según la reacción reversible.

4.1.2.- Monóxido de Carbono: Es el tercer elemento presente en el gas de síntesis, este se encuentra en muy poca proporción, generalmente lo obtenemos por el orden de 0.1 a 0.2 en fracción molar. Este compuesto hay que erradicarlo completamente de la mezcla gaseosa en la cual se encuentra, ya que para la utilización que se le va a dar al gas de síntesis, sólo necesitamos Hidrógeno puro. (Ver figura Nº 4).

El CO se puede aislar de las mezclas gaseosas principalmente por dos procedimientos:

1. Por separación a bajas temperaturas: Por ejemplo los métodos de Linde o de Air – Liquide, presupone unos pasos sucesivos para preparar el gas antes de la separación de la mezcla pura de H2/CO/CH4. por ejemplo, el gas bruto, resulta de la escisión con vapor del gas natural, se libera de CO2 en una columna de lavado

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

por medio de una disolución de etanolamina hasta que sólo queden unas 50 ppm.

Esta se produce en dos etapas: Condensación parcial de CH4 y CO y por destilación fraccionada de CH4 y CO (CO como producto de cabeza). [4]

2. Por la adsorción en disoluciones acuosas de sales de cobre: Consiste en la formación del complejo reversible [Cu(CO)] +, dependiente de la presión. Por ejemplo, proceso Uhde con sal cuprosa/NH3-H2O. Aplicaciones del CO: Combinado con H2: I. Química del gas de síntesis (CH3OH e hidrocarburos según Fischer Tropsch). II. Hidroformilación (aldehídos/alcoholes oxo). Combinado con nucleófilos (H2O, ROH): I. Carbonilación de Reppe (acrílico, propiónico, y sus ésteres). II. Reacción de Koch (ácidos carboxílicos ramificados). En transformación directa: I. Formación

de

fosgeno

con

Cl2

(isicianatos,

carbonatos). II. Formación de carbonilos con metales (catalizadores).

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Figura Nº 4. Diagrama de flujo de Reacciones con monóxido de carbono.

4.1.3.- Vapor de Agua (H2O): El vapor de agua cumple un papel fundamental a lo largo del proceso para la obtención de gas de síntesis, pero su aparición en la corriente del producto final se debe principalmente al arrastre de vapor por parte del gas, y a la vaporización parcial que se da entre el agua y el gas, cuando se somete a el proceso de enfriamiento final. Esta se encuentra en una proporción entre 0.03 a 0.06 en fracción molar. Al igual que los otros elementos que conforma la mezcla gaseosa es necesaria su eliminación para el mejor aprovechamiento del Hidrógeno final.

4.1.4.- Nitrógeno (N2): El Nitrógeno es el quinto elemento presente en la mezcla de gas de síntesis, su proporción varía de 0.02 a 0.035 en fracción molar aproximadamente. Si éste se utilizara para la obtención de amoniaco, se debe mantener una relación de 3:1 con respecto al Hidrógeno, pero para nuestro caso de estudio esto no es valido. El nitrógeno es adicionado a la corriente de gas de síntesis a través de la introducción de la corriente de aire necesaria para llevar a cabo la combustión del metano. La más importante de aplicación comercial del nitrógeno diatómico es la obtención de amoniaco por el proceso de Haber. El amoniaco se emplea con posterioridad en la fabricación de fertilizantes

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

y ácido nítrico. Los compuestos orgánicos de nitrógeno como la nitroglicerina y el trinitrotolueno son a menudo explosivos. La hidracina y sus derivados se usan como combustible en cohetes.

4.1.5.- Oxígeno (O2): El oxígeno puede ser tóxico a elevadas presiones parciales. Algunos compuestos como el ozono, el peróxido de hidrógeno y radicales hidroxilo son muy tóxicos. El cuerpo humano ha desarrollado mecanismos de protección contra estas especies tóxicas. Pero en nuestro caso nos encontramos con poca cantidad de este elemento, por lo cual no representaría ningún problema. Este es muy importante a lo largo de todo el proceso de obtención de gas de síntesis que está presente como producto y como reactivo en cada una de las reacciones que se llevan a cabo. El oxígeno es el elemento que se encuentra en menor proporción en la mezcla de gas de síntesis, encontrándose entre 0.001 y 0.01 en fracción molar.

4.1.6.- EL HIDRÓGENO: Es un elemento químico representado por el símbolo H y con un número atómico de 1. En condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico (H2) incoloro, inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. Con una masa atómica de 1,00794(7) u, el hidrógeno es el elemento químico más ligero y es, también, el elemento más abundante, constituyendo aproximadamente el 75% de la materia del universo.

En la corriente de gas de síntesis es el elemento más predominante, lo encontramos desde 0.6 a 0.8 en fracción molar. Para la aplicación de este informe, éste elemento es el más provecho, cuya utilización se explicará detalladamente más adelante.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

En su ciclo principal, las estrellas están compuestas por hidrógeno en estado de plasma. El hidrógeno elemental es muy escaso en la Tierra y es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como, por ejemplo, el metano. La mayor parte del hidrógeno elemental se obtiene "in situ", es decir, en el lugar y en el momento en el que se necesita. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural. [7] Tabla Nº 2. Características Fisicoquímicas del Hidrógeno Nombre

Hidrógeno

Número atómico

1

Valencia

1

Estado de oxidación

+1

Electronegatividad

2,1

Radio covalente (Å)

0,37

Radio iónico (Å)

2,08

Radio atómico (Å)

1s1

Configuración electrónica Primer potencial de ionización

13,65

(eV) Masa atómica (g/mol)

1,00797

Densidad (g/ml)

0,071

Punto de ebullición (ºC)

-252,7

Punto de fusión (ºC)

-259,2

Descubridor

Boyle en 1671

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.1.6.1- EL HIDRÓGENO COMO NUEVA FUENTE DE ENERGÍA. Para los próximos años, el hidrógeno, como combustible, es considerado como una fuente potencial de energía renovable, la cual es clave para evitar aún más el deterioro de nuestro medio ambiente, comparándolo con los combustibles fósiles obtenidos del petróleo que al momento de llevar a cabo el proceso de combustión son causantes de la mayor parte de las emisiones de bióxido de carbono (CO2), su uso como combustible permitirá disminuir por completo las emisiones globales de CO2 en nuestro planeta. El agotamiento del petróleo crudo en las próximas décadas 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 petróleo para los próximos 50 o 100 años.

Por otra parte, se espera que el consumo de gas natural se intensifique en la economía mundial, cuyo pronóstico se estima que tenga una duración superior en diez años a la del petróleo, no hay que olvidar las alteraciones del cambio climático a consecuencia de la quema de los hidrocarburos fósiles que emiten bióxido de carbono.

En 2001 el petróleo originó 44 por ciento de las emisiones de CO 2 de origen fósil, notablemente por delante de las generadas por el carbón, que supusieron el 35 por ciento. El carbón directamente se considera el combustible más contaminante porque produce más emisiones de dióxido de carbono y azufre.

Desde 1750 la concentración de CO2 en la atmósfera ha aumentado 30 por ciento y esto ha intensificado el proceso natural de

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

retención de calor, también llamado efecto invernadero, hasta el punto de alterar el clima del planeta.

4.1.6.2.- UTILIZACIÓN DEL HIDRÓGENO. El hidrógeno se ha utilizado en la industria espacial para la propulsión de transbordadores, y su uso en las industrias de refinación, petroquímica, química, alimentaría, tiene dos tipos de aplicaciones:

El hidrógeno en el sector estacionario:  Para los procesos de hidrodesulfuración de combustibles.  Para el proceso de cogeneración de vapor y generación de energía eléctrica.  Para la manufactura del amoniaco (NH3) y metanol (CH3OH), principalmente o mediante la síntesis catalítica Fischer Tropsch por hidrogenación indirecta a 200ºC y a diferentes presiones de trabajo, según se desee acentuar la obtención de hidrocarburos líquidos o de productos oxigenados como alcoholes, ácidos, ésteres, éteres, aldehídos o cetonas, como sustitutos del petróleo.  Fabricación de celdas de combustible.

El hidrógeno en el sector de la industria automovilística:  Distintas compañías automotrices realizan en la actualidad investigaciones en torno a las aplicaciones que podría tener el uso del hidrógeno directamente en motores de combustión interna o bien mediante el uso de celdas de combustibles en vehículos, lo cual representa un reto en el futuro, sobre todo por el almacenamiento y manejo del hidrógeno en el vehículo como fuente de suministro para la celda.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.1.6.3.- OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO. Actualmente hay varios caminos para obtener el hidrógeno, algunos de ellos se encuentran en etapa de desarrollo y otros en etapa de experimentación (Ver figura Nº 5 y Tabla 3):

Reformado a vapor a partir del gas natural. Oxidación parcial catalítica de hidrocarburos. Electrólisis del agua. Gasificación de los fondos de barril, choque, carbón y biomasa. Fotoproducción de hidrógeno. [7]

Figura Nº 5. Diagrama de Obtención de Hidrógeno.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Tabla Nº 3.- Temas relevantes en el área de producción (obtención) de hidrógeno.

El hidrogeno forma parte de los componentes para las síntesis industriales orgánicas y se encuentran en combustibles fósiles y en el agua, de los cuales se puede obtener en grandes cantidades. A partir de estas fuentes se le puede producir por dos métodos industriales:

1. Por procesos petroquímicos. 2. Por Procesos Electroquímicos. (Electrólisis) [4]

REFORMADO

A

VAPOR

A

PARTIR

DEL

GAS

NATURAL. La reformación con vapor de agua y metano se aplicó por primera vez en 1941. En 1953, la M. W. Kellog diseñó el primer reformador a baja presión, 4,053 MPa. (Ver figura 6)

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Figura Nº 6. Reformador de gas natural con vapor de agua.

El procedimiento más empleado a escala industrial es, hoy en día, el reformado con vapor (“steam reforming”) del gas natural y del gas de refinería, seguido de la reducción del vapor de agua con CO (“shiftconversion”) conforme a las reacciones: CH4 + H2O ↔ 3H2 + CO ∆H = +208.000 KJ/kmol

(4.1)

CO + H2O ↔ H2 + CO2

(4.2)

∆H = -41.200 kJ/kmol

Estas reacciones se llevan a cabo simultáneo y consecutivamente en uno o varios reactores, por lo que el gas producido consiste en una mezcla de H2, CO y CO2, además de vapor de agua, algo de CH4 sin reaccionar y los gases inertes presentes en el gas de alimentación. El producto de la reacción en conjunto se conoce como gas de síntesis.

Las reacciones (2.1) y (2.2) son fuertemente endotérmicas, por lo que se realizan preferentemente en fase gas a altas temperaturas (por encima de 800 ºC) con un aporte de calor del exterior, procurando la

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

máxima conversión del metano, según se deduce del diagrama de equilibrio de la figura 7.

Para aumentar la velocidad de reacción se utilizan catalizadores de níquel. Para maximizar la producción de hidrógeno a costa del CO presente en el gas reformado se completa seguidamente la “shiftconversion” en otro reactor separado, a temperaturas del orden de 500 ºC, en presencia de catalizadores de óxidos de hierro y cromo o, a menores temperaturas, con catalizadores de zinc/cobre.

Si bien la presión desplaza el equilibrio hacia la izquierda en la reacción (2.4) por producirse un aumento de volumen, la producción de hidrógeno se realiza siempre a presión (28-36 bares) para evitar la necesidad de comprimir el hidrógeno producido para transportarlo a las unidades consumidoras. [7]

Figura Nº 7. Equilibrio entre componentes del gas reformado en función de la Temperatura.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Características del proceso: T = entre 750 y 850ºC P = 2 a 30 atm Catalizador: Ni/-alúmina Proceso fuertemente endotérmico Varios reactores (hasta 240) en paralelo dentro de un horno. Dimensiones aprox. de c/reactor: Largo = 12 mts, Diámetro = 10 cm.

En el reformado a vapor la conversión de gas natural puede llevarse a cabo por diferentes procesos o por la combinación de éstos, las opciones más importantes son: a) Reformación tubular (steam reforming). b) Reformación por intercambio de calor. c) Prerreformación adiabática. d) Reformación secundaria y autotérmica.

a) También se le conoce como reformación primaria y consiste en la generación de hidrógeno por oxidación del gas natural conteniendo metano con vapor de agua, y donde el calentamiento se lleva a cabo en un reformador a fuego directo, debido a que la reacción es altamente endotérmica, es usada sola o en combinación con otros pasos de reformación tales como la prerreformación adiabática o la reformación secundaria. b) En este tipo de proceso parte o todo el calor requerido para la reacción de reformación se suministra por intercambio de calor con el gas del mismo proceso, éste varía con la reformación tubular convencional donde todo el calor es suministrado por combustión externa. c) Este proceso es utilizado para la reformación de carga de hidrocarburos, que van desde gas natural hasta nafta pesada, donde los hidrocarburos son convertidos a monóxido de carbono, hidrógeno y metano.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

d) Es un proceso en el cual la conversión completa del hidrocarburo se lleva a cabo en un reactor por combustión interna mediante el uso de oxígeno.

REFORMADO

CON

VAPOR

DE

GAS

NATURAL

DESULFURADO. El

“steam

reforming”

de

hidrocarburos

ligeros

se

realiza

habitualmente según un proceso alotérmico (con aporte de calor exterior) en reactores tubulares en presencia de llama producida por mecheros adecuadamente dispuestos para conseguir la más uniforme transmisión del calor por radiación dentro de la cámara de combustión. Estos reactores se denominan generalmente hornos. (Ver figura 8) Figura Nº 8. Representación isométrica de un horno de “steam reforming”.

A través de unos colectores de alimentación se introduce la mezcla de gas con vapor de agua previamente calentada en unos tubos dispuestos en los conductos de los gases de combustión del horno

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

(sección convectiva). El vapor de agua se introduce en exceso para evitar que se produzcan incrustaciones de coque en el interior de los tubos según las reacciones secundarias: CO + H2 ↔ C + H2O

(4.3)

CH4 ↔ C + 2H2

(4.4)

2CO ↔ C + CO2

(4.5)

El vapor de agua en exceso gasifica los depósitos de coque según de reacción (4.2) gas de agua, eliminándolos. De no ser así, el catalizador se ensuciaría y la transmisión del calor sería menor, subiría la temperatura de la pared de los tubos de acero, con riesgo de rotura.

El combustible quemado en los mecheros (fuente de calor exterior) suele ser el mismo gas natural utilizado como alimentación, pero puede ser nafta. La posición de los mecheros puede ser distinta, como se esquematiza en la figura 9, buscando siempre la distribución más homogénea del calor y evitando las “sombras” a la radiación de sus llamas. [7]

Figura Nº 9. Posición alternativa de los mecheros en los hornos de reformado con vapor.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

El proceso de reformado autotérmico se lleva a cabo en un reactor a presión con un lecho de catalizador, por el que se hace pasar la mezcla de gas y vapor de agua junto con oxígeno de origen criogénico o, cuando se produce gas de síntesis para la fabricación de amoníaco, aire comprimido.

La combustión de parte del gas con el oxígeno proporciona el calor necesario para las reacciones de reformado. También se puede realizar un reformado de vapor con metanol y etanol. (Ver figura 10).

En el caso de la preparación de gas de síntesis para la fabricación de amoníaco, se dispone un horno de reformado (reformador primario) seguido de otro autotérmico (reformador secundario), en el que se introduce el gas saliente del primero, una nueva aportación de gas de alimentación y el aire.

Así se introduce el nitrógeno necesario para mantener la relación deseada de 3 a 1 entre el H2 y el N2.

Figura Nº 10. Reformado con vapor de metanol y etanol

Metanol

Molécula

250-300ºC

Temperatura de operación Catalizador

Cu/Zn/Al2O3

Etanol 500-700ºC A base de Ni Cu, Zn, Cr, Rh, Pt

H2, CO, CO2 CH3OCH3

Principales productos

H2, CO, CO2, CH4 acetaldehído, etileno, acetona, otros

Estado actual de la tecnología Tecnología aún no implementada comercialmente

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Etapa de experimentación Un par de patentes recientes

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Cuando el gas de síntesis está destinado a la fabricación de metanol, deberá mantenerse una relación de 2 a 1 entre el H2 y el CO, por lo que no procede someter al gas reformado a una “shift conversion” adicional. Pero en el gas con destino a la fabricación de amoniaco o a hidrogenaciones (en las que el CO puede ser muy perjudicial) es totalmente necesario convertir el CO en CO2 en lo posible, produciendo más hidrógeno y aumentando así el rendimiento del gas de alimentación. [7]

Ello se realiza en un reactor con dos lechos de catalizador y un enfriamiento intermedio del gas. En todo caso, el CO2 debe ser eliminado finalmente en una unidad de descarbonatación absorbiéndolo con una solución de carbonato potásico a presión, que pasa a bicarbonato y luego se regenera mediante aporte de calor y bajando la presión, según la reacción reversible. (Ver Fig. 11)

Figura Nº 11. Esquema simplificado del proceso de gas de síntesis con reformador secundario.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

OXIDACIÓN

PARCIAL

CATALÍTICA

DE

HIDROCARBUROS. La oxidación parcial catalítica es un proceso que consiste en oxidar parcialmente el metano, pudiendo aplicar a otros hidrocarburos fósiles en presencia de catalizadores por impregnación húmeda, tales como óxidos comerciales La2O3, MgO, ZrO2, en donde el agente oxidante puede ser el aire, aire enriquecido con oxígeno u oxigeno puro. El problema que presenta este proceso es la deposición de carbón en el catalizador ocasionando la desactivación térmica del catalizador. [7]

Este proceso consiste en una reacción catalítica de oxidación del metano: 2CH4 + O2 ↔ 2CO + 4H2 _Hº (25 ºC) - 36 kJ/mol La reacción está favorecida a altas temperaturas (T > 930 ºC) en exceso de metano. La relación molar O2/CH4 de la alimentación suele estar comprendida entre 0.5 y 1. (Ver figura 12)

Figura Nº 12. Diagrama de obtención de hidrógeno por oxidación parcial de hidrocarburos.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

ELECTRÓLISIS DEL AGUA. La otra tecnología común para la producción de hidrógeno es la electrólisis del agua. Aunque el elevado consumo eléctrico hace que esta alternativa no sea muy atractiva para la mayoría de los usuarios industriales, algunas ventajas específicas de este proceso lo convierten en un buen candidato para su utilización en regiones aisladas donde el suministro eléctrico se encuentre disponible a bajos precios. [7]

GASIFICACIÓN DE LOS FONDOS DE BARRIL, CHOQUE, CARBÓN Y BIOMASA. Uno de procesos que ha cobrado importancia en los últimos años en el ámbito mundial, ha sido la gasificación de diversos tipos de carbón, los productos residuales de los fondos de barril, como choque e hidrocarburos líquidos pesados e incluso la biomasa.

La tecnología consiste en generar un gas de síntesis que podría no sólo usarse como combustible para la cogeneración de vapor y generación de energía eléctrica, sino también para la producción de hidrógeno.

Se

conocen

diversas

tecnologías,

la

denominada

primera

generación a partir de la gasificación de carbón que incluye el lecho móvil que es el proceso de gasificación presurizado de Lurgi (1930); el lecho de flujo de arrastre para los procesos Texaco (1940) y Kopper Totzek (1950), y el lecho fluidizado del proceso Winkler (1920).

En los procesos de gasificación de lecho de flujo de arrastre se pueden tener dos variantes, puede procesar combustibles sólidos o

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

líquidos, si se trata de un combustible sólido éste tiene que ser pulverizado finamente antes de entrar al gasificador, o si el combustible es líquido tiene que ser atomizado, en ambos casos se alimentan junto con el o los agentes gasificantes.

Los procesos de lecho fluidizado y lecho móvil únicamente pueden procesar combustibles sólidos, incluyendo la biomasa. [7]

Tabla Nº 4.- Composición del gas producido por los diferentes tipos de gasificadores.

FOTOPRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO. En la fotoproducción del hidrógeno se utiliza como fuente energética la luz solar. El proceso denominado en forma genérica como fotoproducción de hidrógeno, incluye los procesos: fotoelectroquímico, fotoquímico y fotobiológico.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

La tecnología foto electroquímica inició en el año de 1972 cuando se pudo obtener hidrógeno en pequeñas cantidades iluminando celdas de bióxido de titanio (TiO2) a partir de la luz solar. Con esta tecnología se podría llevar a cabo la conversión de energía luminosa a energía eléctrica, mediante el uso de paneles fotovoltaicos.

La tecnología del proceso fotoquímico es aprovechando la propiedad que tiene el vapor de agua de absorber en el espectro infrarrojo, donde la energía de los fotones es insuficiente para producir la hidrólisis, siendo necesario adicionar alguna molécula o semiconductor capaz de absorber en otra región y permitir que se lleve a cabo la separación del hidrógeno y el oxígeno.

El proceso fotobiológico es objeto de estudio por parte de la biotecnología, que se ha consolidado en los últimos años como el conjunto de tecnologías encaminadas a la búsqueda de nuevas fuentes de energía conduciendo a la producción de biocombustibles (biodiesel, metano, etanol e hidrógeno). Se investiga la posibilidad de producir el hidrógeno a partir de las algas verdes, las que después de haber sido sometidas a condiciones anaerobias y oscuridad se les induce la síntesis y actividad de la hidrogenasa. Cuando estas algas son sometidas nuevamente a la luz, producen hidrógeno y oxígeno. [7]

4.5.- DIAGRAMA DE CAMPO. (DIAGRAMA DE FLUJO DE OBTENCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS) Es una herramienta que permitirá observar de forma gráfica las causas que inciden en la calidad de gestión de mantenimiento de los reactores de la planta de obtención del gas de síntesis, en los países donde este es producido y empleado. Para ello se analizan cinco (5) aspectos importantes como: los equipos que se utilizan en la industria química para el proceso de obtención del gas de síntesis por reformado

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

con vapor, utilizando como materia prima el gas natural, mano de obra, materiales, métodos y procedimientos, maquinarias, y medio ambiente. (Ver figura 14)

Figura 14. Diagrama de flujo para la obtención del gas de síntesis

4.6.- SIMULACIÓN HYSYS PLANT. El HYSYS es un programa en continuo desarrollo que permite, además, al usuario usar sus propios códigos y sub-rutinas de cálculo en el entorno del programa, sin necesidad de acceder a los códigos fuentes. Esto se hace a través del concepto de extensiones. Las extensiones son ejecutables compilados en formato (.dll) que pueden ser incorporados al programa y ejecutados por este como si formaran parte de su estructura básica. En un ejemplo del objetivo de la etapa 5, explicaremos cómo se instala y ejecuta una extensión.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

En forma de extensiones se han desarrollado aplicaciones de mucho interés y utilidad en la simulación de procesos; algunas de ellas por la propia HyproTech y otras por usuarios ajenos a dicha empresa. Entre todas las extensiones de HYSYS que aparecen en la red hemos decidido incorporar a nuestro curso la denominada Equilibrium Plot, que permite construir diagramas de equilibrio LV y LL de forma automática.

Simultáneamente al desarrollo de extensiones de HYSYS, se ha trabajado en la creación de interfases para la transferencia automática de información entre el HYSYS y el EXCEL. Estas son códigos EXCEL que conectan a casos de HYSYS abiertos (o pueden abrirlos) para procesar datos que están contenidos en este en otros formatos. El objetivo de estas es aprovechar las capacidades del EXCEL en el procesamiento de datos. En nuestro curso incluimos dos de estas aplicaciones con notable interés: una que construye diagramas T-x-y para el equilibrio LV y otra que vuelca en una tabla de EXCEL toda la información del Workbook de un caso de HYSYS. Aunque en realidad se trata de dos cosas diferentes las hemos incluido en este apartado por la similitud de sus propósitos. Este programa presenta el siguiente procedimiento:

4.6.1.PROCESO EN ESTUDIO: En un proceso de gas de síntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones de conversión y equilibrio no pueden colocarse en el mismo conjunto de reacciones y, por lo tanto, no se pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores, uno de conversión de nombre R101 y otro de equilibrio denominado R-102.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

En esta simulación, un gas natural previamente desulfurizado se alimenta a un primer reactor reformador de tipo conversión, R-100, donde reacciona con vapor de agua, para producir el hidrógeno que se requiere en el gas de síntesis. Las reacciones de reformado del gas natural conforman un conjunto denominado “Reformador Rxn Set” y su estequiometría es la siguiente: Rxn-1: CH4 + H2O → CO + 3H2

(4.6)

Rxn-2: CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

(4.7)

En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción Rxn-2 es del 30 %. El vapor que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor de tipo conversión, R-101, donde además de las dos reacciones de reformado, el metano combuste con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. La reacción de combustión del metano es la siguiente: Rxn-3: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

(4.8)

El oxígeno del aire es consumido completamente en la reacción de combustión. La reacción es de una conversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 conforman un conjunto denominado “Combustor Rxn Set”. La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consume.

El tercer reactor es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se establece entre el monóxido de carbono y el agua como reaccionantes y el dióxido de carbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción: Rxn-4: CO + H2O ↔ CO2 + H2

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(4.9)

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Esta sola reacción conforma el conjunto “Equilibrio Rxn Set”, debido a que en HYSYS no es aceptable conjuntos de reacciones que incluyan del tipo conversión y del tipo equilibrio.

En los últimos dos reactores se lleva a cabo la reacción de equilibrio gas de síntesis-agua o Rxn-4, a temperaturas sucesivamente menores para alcanzar una mezcla satisfactoria de hidrógeno y los otros elementos. La Figura 14 muestra el diagrama de flujo final del proceso simulado en este ejercicio.

Figura 15. Diagrama de flujo de una planta de producción de gas de síntesis.

4.6.2.- PAQUETE FLUIDO: 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson. 2. Seleccione el sistema de unidades Field. 3. Seleccione los componentes Metano, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.6.3.- REACCIONES DEL MODELO: 4. Haga clic sobre la pestaña “Rxns” del Administrador Básico de la Simulación y presione el botón “Simulation Basis Mgr” para definir las reacciones del modelo. 5. Presione el botón “Add Comps” para añadir los componentes seleccionados a las reacciones del modelo, si no aparecen seleccionados. 6. Presione el botón “Add Rxn” para añadir reacciones a un conjunto que por defecto se denomina “Global Rxn Set” que se observa dentro del grupo “Reaction Sets”. 7. En la ventana de título “Reactions” desplegada seleccione el tipo “Conversión” y presione el botón “Add Reaction”. HYSYS desplegará una ventana con título “Conversión Reaction” para especificar una reacción de conversión Rxn-1. 8. Para la introducción de la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, especifique los coeficientes de los reaccionantes con coeficientes negativos y los productos con coeficientes positivos. La especificación correcta de la reacción se verifica en el cuadro “Balance Error” con un valor de cero, como se observa en la Figura 15.

Figura 16. Estequiometría de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

9. Haga clic en la pestaña “Basis” y complete la información como aparece en la Figura 16. Observe que la reacción es de una conversión del 40 %. 10. Introduzca la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-2 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 30 %. 11. Introduzca la estequiometría de la reacción de combustión para el reformado del gas natural, de tipo conversión, CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O, repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-3 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor de metano del 100%. 12. Para introducir la reacción de equilibrio CO + H2O ↔ CO2 + H2 seleccione la opción “Equilibrium” de la ventana “Reactions” y especificando su estequiometría de la misma manera que las anteriores. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-4 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. Observe que al introducir los coeficientes

estequiométricos,

la

reacción

es

completamente

especificada ¿Por qué?

Figura 17. Fase y conversión de la reacción Rxn-1 del conjunto Global Rxn Set

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

13. Haga clic sobre la pestaña “Basis” y observe en el cuadro que aparece a la derecha con el título “Keq Source” que la opción seleccionada, por defecto, es la que dice “Gibbs Free Energy”. 14. Haga clic sobre la pestaña “Keq”, lea y explique por qué la reacción está completamente especificada. 15. Despliegue nuevamente la ventana de la pestaña “Basis” y seleccione las otras opciones que aparecen en el cuadro “Keq Source”. Explíquese cada una de ellas. Para la simulación elija la opción “Gibbs Free Energy”.

4.6.4.- CONJUNTOS DE REACCIONES: En HYSYS, cada reactor tiene anexado sólo un conjunto de reacciones. Sin embargo, una reacción puede incluirse en múltiples conjuntos de reacciones. Por lo tanto, solamente se tienen que suministrar tres conjuntos de reacciones para todos los 5 reactores que se denominarán “Reformador Rxn Set”, “Combustor Rxn Set” y “Equilibrio Rxn Set”. 16. En la ventana de la pestaña “Reactions” del Administrador Básico de la Simulaión presione el botón “Add Set” para crear el conjunto conformado activamente por las reacciones Rxn-1 y Rxn-2 y denominado “Reformador Rxn Set” Para ello llene la ventana correspondiente como se observa en la Figura 17. 17. El conjunto “Combustor Rxn Set” conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 se construye como se observa en la Figura 18. 18. El conjunto “Equilibrio Rxn Set” conformado por la reacción Rxn4 se construye como se observa en la Figura 19.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.6.5.- ANEXO DE LOS CONJUNTOS DE REACCIONES AL PAQUETE FLUIDO: 19. En la ventana de la pestaña “Reactions” del Administrador Básico de la Simulación resalte el conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set” y presione el botón “Add to FP”. 20. En la ventana desplegada de título “Add to Fluid Package” presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Repita el procedimiento para los otros dos conjuntos de reacciones.

4.6.6.- SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO:

4.6.6.1.- REACTOR REFORMADOR: El Reformador es un reactor de conversión, en el que la mayoría del metano reacciona con vapor para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono.

El gas de salida también contendrá el exceso de metano sin reaccionar y el exceso de vapor de agua. La conversión global de las dos reacciones en el Reformador es 70 %. La reacción Rxn-1, que produce monóxido de carbono e hidrógeno tiene una conversión del 40 %, mientras que la reacción Rxn-2 tiene una conversión del 30 %. Figura 18. Conjunto de Reacciones “Reformador Rxn Set”

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Figura 19. Conjunto de Reacciones “Combustor Rxn Set”

4.6.6.2.- Corrientes: 1. Hay dos corrientes de alimentación al primer reactor, nombradas como “Gas” y “Vapor”. La primera es metano puro y la segunda es vapor

de

agua

puro.

Introduzca

para

ellas

las

siguientes

especificaciones: Nombre

Gas

Vapor

Temperatura, °F

700

475

Presión, psia

500

Flujo Molar, lbmol/h

200

520

Figura 20. Conjunto de Reacciones “Equilibrio Rxn Set”

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

2. Para controlar que la presión del vapor de agua sea igual a la del gas natural, introduzca un botón lógico “Set” que establezca dicha relación llenando dicho botón como lo indica la Figura 20. Botón SET1. Figura 21. Especificación de igualdad de presiones entre Gas y Vapor.

4.6.6.3.- REACTOR DE CONVERSIÓN: 3. Haga clic sobre el icono de nombre “General Reactors” que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre “Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-100”. 4. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones: Inlets

Gas, Vapor

Energy

Qr

Vapor Outlet

Vr

Liquid Outlet

Lr

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

5. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Reformador Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las dos reacciones que conforman este conjunto. 6. Las dos reacciones en el Reformador son endotérmicas, de tal manera que el calor debe suministrarse al reactor para mantener su temperatura. Especifique la temperatura de la corriente “Vr” con un valor de 371.11 °C para que con ella HYSYS calcule el calor requerido. Ver figura 21y 22.

Figura 22. Especificación del gas.

Figura 23. Especificación del Vapor.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

7. En la página “Parameters” de la pestaña “Design” seleccione el radio botón “Heating”.

4.6.6.4.- REACTOR DE COMBUSTIÓN: El segundo reactor de conversión es el de Combustión que se alimenta con el producto del Reformador y las corrientes Aire y VaporC. El oxígeno del aire es consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se elimina mediante su reacción con el vapor que entra.

4.6.6.4.1. Corrientes: 8. Hay tres corrientes de alimentación al segundo reactor a saber, el vapor que proviene del Reformador, vapor de agua denominado “VaporC” y el aire denominado con el mismo nombre. Nombradas como “Gas” y “Vapor”. Introduzca las siguientes especificaciones para las corrientes “VaporC” y “Aire”. Nombre

VaporC

Aire

Temperatura, °F

475

475 (llevar a ºC)

Flujo Molar, lbmol/h

200

520

Fracción mol Agua

1.00

Presión, psia

Fracción mol Nitrógeno

0.79

Fracción mol Oxígeno

0.21

9. Para controlar que la presión de las corrientes de vapor de agua, “VaporC” y aire, “Aire”, sean iguales a la del gas natural, introduzca un botón lógico “Set” que establezca dichas relaciones llenando dichos botones en forma similar a lo realizado para la Figura 20. Botones SET-2 y SET-3. Ver figura 23 y 24.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Figura 24. Especificación entre el Gas y el VaporC.

Figura 25. Especificación entre el gas y el aire.

4.7.- REACTOR DE CONVERSIÓN: 10. Haga clic sobre el icono de nombre “General Reactors” que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre “Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-101”. 11. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones. Observar figuras 25,26, y 27.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Inlets

VaporC, Aire, Vr

Vapor

Outlet Vc

Liquid

Outlet Lc

Figura 26. Especificación VaporC.

Figura 27. Especificación Aire.

12. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” introduzca en conjunto “Combustor Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

pueden desplegar y ver las tres reacciones que conforman este conjunto.

Figura 28. Especificación Vr.

HYSYS automáticamente ordena las tres reacciones en el conjunto “Combustor Rxn Set”. Como el agua es un producto en la reacción de combustión (Rxn-3) y es un reaccionante en las dos reacciones de reformado (Rxn-1 y Rxn-2), HYSYS coloca a la reacción de combustión de primero y le da una colocación igual a las reacciones de reformado. Con este ordenamiento, procede primero la reacción de combustión hasta que se haya alcanzado la conversión especificada o agotado el reactivo límite. Las reacciones de reformado proceden, entonces, de acuerdo al metano remanente. 13. En la página “Parameters” de la pestaña “Design” seleccione el radio botón “Heating”. 14. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Details”. Seleccione el radio botón “Conversión %”. En el cuadro desplegable “Reaction” seleccione “Rxn-1” y digite 35 % como la

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

conversión de esta reacción en este reactor. De igual manera, introduzca las conversiones de 65 % para Rxn-2 y 100 % para Rxn-3.

4.8.- REACTORES DE SÍNTESIS: Los tres reactores de síntesis son reactores de equilibrio dentro de los cuales ocurre la reacción entre el gas de síntesis y el agua. En el reactor de equilibrio R-102, la reacción de síntesis que se lleva a cabo es la que ocurriría con las reacciones en el reactor de combustión R-101. Debe utilizarse un reactor separado en el modelo porque las reacciones de conversión y las de equilibrio no se pueden combinar dentro de un conjunto de reacciones.

4.8.1.- Reactor de equilibrio R-102: 15. Instale un reactor de equilibrio haciendo clic en el icono “General Reactors” que se encuentra en la paleta de objetos. En la pequeña ventana desplegada, seleccione el icono “Equilibrium Reactor” y nómbrelo como R-102. 16. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones. Observar Figura 28 y 29. Inlets

Vc

Vapor Outlet

Ve2

Liquid Outlet

Le2

Figura 29. Especificación de Vc.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Figura 30. Especificación de Ve2.

17. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto.

4.8.2. Reactor de equilibrio R-103: 18. Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R-103. 19. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones. Ver figura 30 Inlets

Ve2

Energy

Qe3

Vapor Outlet

Ve3

Liquid Outlet

Le3

Figura 31. Especificación de Ve3.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

20. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 21. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón “Cooling”. 22. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 454.44 °C como la temperatura de la corriente “Vr3”. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento.

4.8.3.- Reactor de equilibrio R-104: 23. Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R-104. 24. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones. Inlets

Ve3

Energy

Qe4

Vapor Outlet

Gas de Síntesis

Liquid Outlet

Le4

25. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 26. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón “Cooling”. 27. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 750 °F (llevar a ºC) como la temperatura de la corriente “Gas de Síntesis”. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento.

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

4.9.- AJUSTE DE CONDICIONES DE OPERACIÓN: 4.9.1.Ajuste del Flujo de vapor: Para controlar la temperatura de la reacción de combustión, se ajusta el flujo de vapor alimentado para la reacción de combustión. Como esta etapa es modelada en dos reactores separados, se decide ajustar el flujo molar de la corriente “VaporC” para alcanzar el objetivo (target) de una temperatura de 926.7 °C en el primer reactor de equilibrio, R-102. 28. Instale un botón lógico de ajuste “Adjust” y llénelo como indica la Figura 31. 29. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre la solución. Figura 32. Ajuste del flujo de “VaporC” para el control de temperatura de R-102

4.9.2.- CASOS DE ESTUDIO: 1. Haga algunos cambios de operación en cualquier parte del proceso para conseguir un gas de síntesis de mayor concentración en nitrógeno, metano, o cualquiera de los otros compuestos elementos a cual se le realizará el proceso de ajuste de flujo de aire. 2. Compruebe las conversiones fijadas en cada uno de los reactores de conversión.

- 75 -

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

3. Observe las concentraciones de las corrientes de salida en los reactores

de

equilibrio

si

se

encuentran

en

los

valores

correspondientes al estado de equilibrio de la reacción.

4.10.- ESTIMADO DE COSTO CLASE V Es una estimación basada en una definición a "GROSSO MODO" de un Proyecto y de sus unidades de proceso (también llamado estimado conceptual, u orden de magnitud), donde la información disponible se limita esencialmente al tamaño, capacidad, ubicación geográfica, especificación preliminar de los insumos y productos, periodos estimados de inicio y finalización.

Este tipo de estimado se prepara cuando se ha determinado la necesidad de un bien o servicio y/o se ha iniciado su conceptualización de forma que virtualmente no se ha iniciado la ingeniería de un Proyecto, por lo tanto son de gran importancia tanto el juicio como la experiencia del estimador.

Su precisión y confiabilidad dependen de la pericia con que se evalué, factorice o escale la información de costos históricos o estadísticos de Proyectos similares, por lo tanto la responsabilidad de su exactitud dependen del criterio y juicio apropiado del estimador al evaluar el riesgo de sobrepasarse. Precisión y confiabilidad +/- 50%.

Se

han

realizado

numerosos

análisis

económicos

de

las

tecnologías modernas de producción de gas de síntesis, a partir de la obtención del metanol, del amoníaco, del hidrógeno, monóxido de carbono y los combustibles fósiles.

- 76 -

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

La comparación de los costos específicos de producción revela que la descomposición térmica de metano tiene un potencial económico significativo. El análisis de costos permite concluir que el costo del hidrógeno depende del costo del gas natural y electricidad, del equipamiento y del precio de venta de la fibra de carbono producida.

Utilizando los bajos costos de la electricidad hidráulica en los diferentes países donde el gas de síntesis es empleado y evaluado, el costo calculado de producción de H2, se hace competitivo con el de la tecnología estándar de reformado de gas natural con vapor. (Ver Tabla 5, 6, 7) [9]

Tabla Nº 5. Costos anuales que la planta de obtención de gas de síntesis genera. (Análisis económico).

Inversión Inicial (US$)

2.676.000

Costo de Manufactura (Años)

3.322.000

Tasa de crecimiento anual de manufactura

8%

VM, Costo de Salvamento (US$)

267.600

Valor de ventas (US$)/año

2.807.000

Tasa del crecimiento anual del valor de ventas

10 %

Duración

10 años

Tabla Nº 6. Costo de maquinaria y equipos.

Equipo

Capacidad

de

Costo

producción

por

estimado

Costos totales.

año.

Reformador

con 800 millones de 7.7

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millones 109 millones de

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

Nm3 de H2

vapor.

Reformador

de

de dólares.

-------

6 millones de 30 millones de

metano.

Catalizador

dólares.

-------

25

dólares.

millones 80.831.728

de dólares.

Reactor

dólares.

-------

dólares

6 millones de 30 millones de dólares.

dólares

Tabla Nº 7. Costo de producción para reformado de metano por vapor con y sin secuestro.

Facilidad (106 Nm3/d) 6,75 Con secuestro

Costos totales de capital (U$S/GJ) 10.00

25,4 Sin secuestro

10.82

Precio del hidrógeno (U$S/GJ) 5,44 6,83 (23 U$S/tCO2) 5,97 6,50 (13 U$S/tCO2)

El costo de la unidad de reformado se estimó sobre la base del caudal de H2 producido, a partir de la información de una planta local de menor tamaño. Este costo incluye el reactor de reformado, los reactores siguientes, los equipos complementarios de la unidad.

Con respecto al precio que tendría el hidrógeno en el mercado, las estimaciones realizadas analizan los costos a lo largo de toda la cadena energética, es decir en función de la tecnología utilizada, rendimientos, los procesos para purificar, almacenar y distribuirlo, junto con los costos ligados a la generación primaria y a la necesidad de eliminar las emisiones que se produzcan. [9]

- 78 -

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

El costo final dependerá también del esquema de producción, centralizado o descentralizado, que determine la creación de una red de distribución y transporte hasta las aplicaciones de uso final. Las energías fósiles, incorporando tecnologías limpias, y la nuclear serían aplicables para la producción centralizada de hidrógeno a gran escala, mientras que las energías renovables serían más adecuadas para la producción y utilización en sistemas descentralizados.

Para el gas natural serían posibles ambas opciones. Para las dos tecnologías de producción de hidrógeno actualmente en fase comercial, las eficiencias y costos actuales se presentan en la tabla 8, procedente de la European Hydrogen & Fuel Cell Tecnology Platform Strategic Agenda.

En el caso del reformado, se ha supuesto un precio para el gas de 4 EUR/GJ. Con respecto a la intensidad de CO2 el intervalo varía entre 0 para las renovables o la nuclear y una generación eléctrica mixta emitiendo 0.5 kg de CO2 por kWh. [9]

Tabla Nº 8.- Eficiencia y costos actuales de la producción de hidrógeno.

La diferencia entre el estimado de costos y el presupuesto radica en la metodología, formato y la documentación que lo soporta, los dos

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CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

persiguen el mismo objetivo: cuantificar anticipadamente el costo de la obra.

Según Petróleos de Venezuela S.A., el Estimado Tipo I definido por ellos equivale al Presupuesto de Obra en su nivel de confiabilidad, en la cantidad de información disponible y la fase del proyecto es decir, Ingeniería de detalle concluida. Ver Tabla 9

Tabla Nº 9. Clasificación De Los Estimados De Costos Según Petróleos De Venezuela S.A. FASE DEL CLASE CONFIABILIDAD NIVEL DE INFORMACIÓN PROYECTO DEFINIDO EL TAMAÑO Y INGENIERÍA V 0% UBICACIÓN DEL PREPROYECTO CONCEPTUAL DEFINIDAS LAS UNIDADES INGENIERÍA VI 34% MAYORES DEL PROYECTO CONCEPTUAL LISTA DE EQUIPOS Y INGENIERÍA III 60% PLANES GENERALES BÁSICA ESPECIFICACIONES INGENIERÍA II 80% TÉCNICAS Y PLANOS AL DETALLE 50% 50% ESPECIFICACIONES INGENIERÍA I 90% TÉCNICAS Y PLANOS AL DETALLE 100% 100%

Más que una ciencia exacta, se considera actualmente como una actividad de proyección o predicción de costos. De hecho, las estimaciones de costos pueden ser comparadas con las predicciones del tiempo, de la bolsa o estimaciones acerca de la rapidez que un nadador puede alcanzar en una competencia.

Algunas empresas determinan los precios basándose en la lógica y en la experiencia, otros se guían por los precios que aparecen en publicaciones especializadas y otros se basan en los rendimientos unitarios, salarios pagados e información histórica de otras obras o una combinación de ellas.

- 80 -

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

En este sentido se trata de buscar el camino más corto y sencillo que ofrezca en la práctica cierto margen de seguridad, no obstante cualquiera fuese la forma utilizada para la determinación de los precios, es necesario tomar en consideración, las condiciones generales y particulares de los agentes externos de la producción y sus factores de variación: economía general, fluctuaciones de los precios de mercado, cantidad de trabajo, calidad de la mano de obra, supervisión, estado de los equipos, tiempo y factores de retraso.

4.10.1.-

Método de estimación basado en el coste de

equipos. Métodos factoriales.

4.10.1.1.- Método de Lang: El coste de la planta es un múltiplo del coste del equipo. C  F *E

Donde: C: Coste de la planta. F: Factor de Lang. E: Coste de equipos.

Y el valor de F sería: F: 3.10 plantas de sólidos. F: 3.63 plantas mixtas. F: 4.74 plantas de fluidos.

- 81 -

(4.10)

CAPÍTULO IV. DESARROLLO DEL PROYECTO

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CAPÍTULO V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

- 84 -

CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES

CONCLUSIONES 1.- El gas natural en Venezuela atiende un mercado netamente interno. La demanda actual está en el orden de xxxxx MPCD (dato de xxxx 200x).

2.- Las reservas probadas actuales están alrededor de 152 Trillones de Pie Cúbicos, es decir una relación de reservas producción de xxxx años.

3.- Gasificación es un proceso de manufactura, que convierte el carbón, en un gas limpio que puede ser utilizado como combustible para generar electricidad o como materia prima básica para productos químicos, producción de fertilizantes, o producción de combustibles.

4.- En el caso del gas natural el proceso se inicia a partir del momento en que el carbón es gasificado, por lo que el proceso es más económico.

5.- Para que el gas natural pase a gas de síntesis, se convierte el gas natural en monóxido de carbono e hidrogeno por oxidación parcial o por reforming.

6.- La ventaja de tener una planta de obtención de gas de síntesis, nos podrían servir en el futuro de ser necesario como fuentes para producir hidrogeno, para ser empleado en celdas de combustible, o como combustible.

7.- Otra utilización industrial de la gasificación, es la producción de metanol a partir del carbón gasificado.

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CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES

8.- Actualmente existen 160 proyectos de gasificación en todo el mundo, que incluyen alrededor de 410 gasificadores, con una producción combinada de gas de síntesis de 60,000 MWth, lo que permitiría generar en ciclo combinado alrededor de 33,000 MWe.

9.- Es verdad que se requieren inversiones de cierta magnitud para proyectos de esta naturaleza, pero no son excepcionalmente altos, y nuestra empresa petrolera puede en asociación con capital privado llevarlas a cabo, como inversiones rentables.

10.- También debe mirarse con atención el potencial de utilizar gas de síntesis en algunas de las plantas eléctricas de Ciclo Combinado que existen en la actualidad, por cuanto esto serviría para manejar el problema del suministro de gas natural para consumos estacionales, y de paso ayudaría a liberar capacidad de transporte atrapada, y haría innecesarias ampliaciones poco rentables de capacidad adicional de transporte de gas.

11.- Podemos tomar como ejemplo para nosotros, desarrollos hechos en otros países. Es importante que nosotros, venezolanos, rompamos la barrera sociológica de lo que se puede hacer y de lo que no se puede hacer.

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CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES

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CAPÍTULO VI. RECOMENDACIONES

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CAPÍTULO VI. BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAFÍA.

1.- es.wikipedia.org/wiki/Gas_natural - 33k –

2.http://www.bnp.gob.pe/snb/data/periodico_mural/2007/09/CIENCIA_Y_T ECNOLOGIA/GAS_NATURAL.pdf –

3.- Artículo PDF Del Gas Natural. 4.- Klaus Weissermel, Hans-Jürgen. “Química Industrial” Arpe 1981 432 páginas. books.google.co.ve/books?isbn=8429179895... 5.http://www.telecable.es/personales/albatros1/quimica/industria/gasdesint esis.htm - 4k 6.-http://www.textoscientificos.com/quimica/metanol/obtencion - 22k – 7.http://www.diquima.upm.es/docencia/tqindustrial/docs/cap2_hidrogeno.p df 8.- Wilmer, Iglesias. “Rediseño de líneas de entrada y salida asociadas al reactor 02R101A/S, en la Planta Hidrotatadora de Nafta, Petrozuata, Anzoátegui.” Tesis de Grado Universidad Gran Mariscal de Ayacucho. Escuela de Ingeniería de Mantenimiento Industrial, Barcelona (2008). 9.- Peters,M. y Fimmerhaus k. “Diseño de plantas y economía para ingenieros químicos”,Editorial Mc graw Hill, internacional(1993)

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