REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“DR. FEDERICO RIVERO PALACIOS” DISTRITO CAPITAL
PROCESOS QUÍMICOS
PRODUCCIÓN DE METANOL A PARTIR DE GAS NATURAL (ESTUDIO DE DIAGNÓSTICO Y VIABILIDAD)
Caracas, febrero de 2016 Autores: Calderón, Carlos Luis, José Rojas, Yesica Tutor académico: Ana Vidovic
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“DR. FEDERICO RIVERO PALACIOS” DISTRITO CAPITAL
PROCESOS QUÍMICOS
PRODUCCIÓN DE METANOL A PARTIR DE GAS NATURAL (ESTUDIO DE DIAGNÓSTICO Y VIABILIDAD)
RESUMEN
La presente investigación documental se lleva a cabo para evaluar la posibilid ad de implementar una planta de producción de metanol en Venezuela, a través de un estudio de diagnóstico y viabilidad. Se mostraran las alternativas tecnológicas existentes para su producción, así mismo como sus respectivos balances de materia y energía para definir cuál sería la alternativa más óptima a utilizar de acuerdo a las necesidades del país, identificando los contaminantes ambientales, verificando los costos de materia prima y producto para concluir si es viable o no el proyecto. El proceso más viable para la producción del metanol es el ICI (Imperial Chemical Industries) por su nivel de producción y su alta conversión del monóxido de carbono. Esta tecnología puede producir 55 toneladas anuales de metanol con un 99,99% de pureza si se le suministran aproximadamente 50 toneladas de gas natural y 110 toneladas de vapor de agua al año.
Palabras claves: diagnóstico y viabilidad, metanol, gas natural.
Autores: Calderón, Carlos Luis, José Rojas, Yesica
Tutor académico: Ana Vidovic Fecha: Febrero 2016
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ÍNDICE GENERAL
pp.
ÍNDICE GENERAL i
ÍNDICE DE TABLAS iii
ÍNDICE DE GRÁFICAS iv
ÍNDICE DE FIGURAS v
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROBLEMA 3
1.1 Descripción del problema socio-tecnológico 3
1.2 Caracterización histórico-cultural 6
1.3 Caracterización ético-política 8
1.4 Caracterización socio-económica 11
CAPITULO II: FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y METODOLÓGICOS 18
2.1 Fundamentos teóricos 18 2.1.1 Antecedentes de la investigación 18 2.1.2 Conceptos básicos 20 2.2 Fundamentos metodológicos 25 2.2.1 Tipo de investigación 25 2.2.2 Diseño de la investigación 26 2.2.3 Procedimientos de la investigación 27 CAPITULO III: CARACTERIZACIÓN TÉCNICA DE LAS ALTERNATIVAS
SOCIO-TECNOLÓGICAS 29
3.1 Descripción de los procesos y diagramas de flujo 29 3.1.1 Tecnología Imperial Chemical Industries (ICI) 29 3.2 Balances globales de materia y energía 36
3.2.1 Balance de materia 36
3.2.2 Balance de energía 37
CAPITULO IV: CARACTERIZACIÓN AMBIENTAL DE LAS ALTERNATIVAS
ii
4.1 Identificación de las sustancias y desechos contaminantes 42 4.2 Identificación de los tipos de contaminación asociadas a los procesos 44 4.3 Identificación de los tratamientos ambientales posibles 46 CAPÍTULO V: ESTUDIO BÁSICO DE COSTOS DE SUSTANCIAS Y MATERIA
PRIMA 48
5.1 Costos de sustancias y materia prima 48
5.2 Costos de productos finales 48
CAPÍTULO VI: VIABILIDAD DE LAS ALTERNATIVAS
SOCIO-TECNOLÓGICAS 49
CONCLUSIONES 51
RECOMENDACIONES 52
REFERENCIAS 53
iii
ÍNDICE DE TABLAS
pp. Tabla Nº1: Importación de metanol desde 1998 hasta 2014 12 Tabla Nº2: Exportación de metanol desde 1998 hasta 2014 13 Tabla Nº3: Importación de gas natural 1998-2014 14 Tabla Nº4: Exportación de gas natural 1998-2014 14 Tabla Nº5: Composición de gas natural extraído al Oriente del país 21
Tabla Nº6: Sustancias toxicas del proceso 43
Tabla N°7: Balance en F-101 58
iv
ÍNDICE DE GRÁFICAS
pp. Grafica Nº1: Importación de Metanol desde el año 1998-2014 17 Grafica Nº2: Importación de Metanol 1998-2014 omitiendo las importaciones
v
ÍNDICE DE FIGURAS
pp. Figura Nº1: Demanda mundial de productos derivados del Metanol 4
Figura Nº2: Estructura química del Metanol 23
Figura Nº3: Reactor de Síntesis R-101 con corrientes involucradas 40 Figura Nº4: Horno Reformador F-101 con corrientes involucradas 41
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INTRODUCCIÓN
En Venezuela se cuenta con grandes cantidades de gas natural que asociado a la producción de petróleo crudo, es un recurso natural de bajo costo de extracción y que ofrece un gran potencial para el desarrollo industrial derivado del procesamiento de sus principales componentes: metano, etano, propano que son utilizados como materia prima fundamentales para la industria petroquímica, en especial para la producción de metanol. El Complejo José Antonio de Anzoátegui es uno de los 3 complejos petroquímicos que existen en Venezuela en donde se encuentran las dos únicas plantas productoras de metanol: Metor y Supermetanol.
Debido al incremento que se ha presentado en los últimos años en la demanda de metanol, producto del gas natural, las empresas nacionales han buscado mantener estable sus procesos e incrementar su producción e intentar cubrir así los requerimientos que les exige el mercado.
Aún con esto, ambas empresas no han podido cubrir la totalidad de demanda del producto que tiene el mercado venezolano. Prueba de esto, son las importacio nes realizadas de metanol en los últimos años. Esto se considera una problemática, ya que las importaciones no apoyan el desarrollo endógeno del país. En este sentido, las posibles soluciones directas son desarrollar los equipos de las empresas ya existentes para capacitarlas a una producción mayor, o diseñar una nueva planta que cubra esa demanda. Como la primera solución necesita información de difícil acceso, la segunda opción es la más sensata.
El siguiente trabajo investigativo tiene como finalidad hacer un estudio de diagnóstico y viabilidad que determine la posibilidad de una nueva planta de producción de metanol que abastezca estas importaciones. Para esto, se hace un análisis a las alternativas tecnológicas disponibles en el mercado.
Dichas tecnologías comerciales deben de estar presididas en cuanto a distintos aspectos o fases que se encuentran anegados en los capítulos que conforman la siguiente investigación:
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Capítulo I: Descripción general del problema.
Capitulo II: Fundamentos teóricos y metodológicos.
Capitulo III: Caracterización técnica de las alternativas socio-tecnológicas.
Capitulo IV: Caracterización ambiental de las alternativas socio-tecnológica s.
Capítulo V: Estudio básico de costos de sustancias y materia prima.
Capítulo VI: Viabilidad de las alternativas socio-tecnológicas.
En cada capítulo se desarrolló detalladamente los criterios necesarios para finalmente seleccionar y concluir cual alternativa es la más viable para el desarrollo del proyecto en sus fases posteriores.
3 CAPITULO I
DESCRIPCION GENERAL DEL PROBLEMA
1.1 DESCRIPCION DEL PROBLEMA SOCIO-TECNOLOGICO
El metanol, también llamado alcohol metílico, alcohol de madera, carbinol y alcohol de quemar, es el primero de los alcoholes. Su fórmula química es CH3OH. En condiciones normales es un líquido incoloro, de escasa viscosidad, de olor y sabor frutal penetrante, miscible en agua y, como la mayoría de los solventes orgánicos, muy tóxico e inflamable.
Es un compuesto químico sumamente importante para la industria, El metanol, como todo alcohol, tiene varios usos. Es un disolvente industrial y se emplea como materia prima en la fabricación de formaldehído. El metanol también se emplea como anticongelante en vehículos, combustible de estufas de acampada, solvente de tintas, tintes, resinas, adhesivos, biocombustibles y aspartame.
Estudios realizados por DeWitt & Company, Inc., exponen un increme nto progresivo en la demanda de los productos a partir del metanol, lo cual permite concluir que la demanda del metanol se ha incrementado a nivel mundial.
El crecimiento observado en la Fig.1 en la demanda mundial de productos a base de metanol en años anteriores expone que el consumo de metanol se ha incrementado en un 20%. Como consecuencia, las empresas están evaluando opciones para incorporar a sus procesos cambios que aumenten la producción del metanol. (Ibarra, G. 2010)
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Figura 1: Demanda mundial de productos derivados del metanol
En Venezuela existen empresas que producen metanol, debido a que el país posee una gran reservas de gas natural. Las empresas perfeccionadas en este ámbito son Metanol de Oriente, (Metor, S.A.) y Súpermetanol C.A, (Sumeca), ambas Empresas Mixtas de Pequiven. Estas empresas son las únicas plantas a nivel nacional productoras de metanol, comercializándolo en el mercado nacional e internacional. No obstante, Venezuela se ha visto en la necesidad de importar metanol con el fin de satisfacer la demanda nacional. Esta importación demuestra que la producción nacional de metanol no es suficiente para el consumo interno. Siendo la importación enemigo directo del desarrollo endógeno, esto se considera una problemática.
Para resolver este problema se propondría realizar mejoras a las plantas actuales con el fin de aumentar la producción del metanol. Sin embargo, conseguir informac ió n detallada sobre las líneas de producción de metanol que actualmente utilizan estas industrias es casi imposible. Es información confidencial que los fabricantes protegen con mucha cautela. Por ello, este estudio está fuera del alcance de los investigadores.
Por otro lado, se plantea otra propuesta: la realización de un estudio que determine la posibilidad de aumentar la producción nacional de metanol en otra planta, esto con la finalidad de cubrir las demandas de importación del producto. Para su realizac ió n,
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se considerarán las alternativas tecnológicas más usadas actualmente en el mercado, las cuales son:
Tecnología ICI (Imperial Chemical Industries): Es el primer proceso a baja
presión que se utilizó en el mercado. Este integra el proceso de reformac ió n del gas natural a vapor y un reactor catalítico que lleva a cabo la síntesis de metanol. Es el proceso más utilizado a nivel mundial para la obtención de alcohol metílico a partir del gas natural debido a su eficiencia y tecnología innovadora.
Proceso Lurgi Syngas: Se basó en el principio del proceso ICI pero
utilizando un reformador auto térmico. Este proceso es capaz de obtener el metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, líquidos o carbón. No obstante, la falta de datos importantes para la realización de un balance de materia en este proceso (fracciones molares en corrientes, conversión, selectividad, entre otros) hace necesario descartar esta alternativa.
Proceso Lurgi Reformado Combinado o Lurgi MegaMetanol: la
diferencia con los anteriores procesos es que combina un reformador auto térmico y un reformador a vapor para el proceso de gas de síntesis, debido a que el proceso para síntesis de metanol es el mismo al de ICI y Lurgi Syngas. Sin embargo, a pesar de ser el proceso más eficiente para la producción de metanol, el Lurgi Reformado Combinado es un proceso que aún se encuentra en investigación y, por lo tanto, la documentación del mismo es limitada. Debido a esto, se descarta la idea de utilizar este método como alternat iva tecnológica para este proyecto.
Destilación en seco de la madera: Durante el siglo XIX y a comienzos del
XX, fue la forma principal para producir metanol. Este proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire, hasta formarse gases combustible s. Ahora bien, actualmente este proceso ya no está siendo utilizado, ya que los venideros métodos eran automatizados y disminuían los costos de producción.
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Una vez planteado el problema el cual se desea solventar, se establece como objetivo general del proyecto de investigación el de realizar un estudio de diagnóstico y viabilidad del diseño de una planta de metanol a partir de gas natural.
Como objetivos específicos se plantean los siguientes:
1. Realizar caracterizaciones que sirvan de criterio para concluir con la viabilidad del proyecto.
2. Establecer las posibles sustancias tóxicas presentes en la alternat iva seleccionada.
3. Plantear ecuaciones de balances de materia y energía de la alternat iva seleccionada.
4. Establecer precios de materias primas a través de un estudio básico de costos.
1.2 CARACTERIZACION HISTORICO-CULTURAL
El metanol fue utilizado en el proceso de embalsamamiento, pero los antiguos egipcios utilizaron una mezcla de sustancias, incluyendo el metanol, que obtenían mediante la pirolisis de la madera. Sin embargo, en 1661 Robert Boyle, aisló el metanol puro, cuando lo produjo a través de la destilación de madera de boj.
En 1834, los químicos franceses Jean-Baptiste Dumas y Eugene Peligot determinaron su composición elemental. Ellos también introdujeron la palabra metileno en la química orgánica.
En 1923 los químicos alemanes Alwin Mittasch y Pier Mathias, trabajadores para la empresa BASF, desarrollaron un medio para convertir un gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno) en metanol. La patente fue presentada el 12 de enero 1926. Este proceso utiliza un catalizador de óxido de cromo y manganeso, y requiere de presiones extremadamente elevadas que van desde 50 hasta 220 atm y temperaturas de hasta 450 °C.
La producción moderna de metanol es más eficiente: se utilizan catalizadores (comúnmente zinc-cobre o zinc-aluminio) capaces de funcionar a presiones más bajas. El metanol moderno de baja presión fue desarrollado por ICI a finales de 1960 con la
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tecnología actualmente propiedad de Johnson Matthey, que es un licenciante líder de tecnología de metanol.
El uso de metanol como combustible de automoción recibió atención durante las crisis del petróleo de la década de 1970 debido a su disponibilidad, bajo costo, y los beneficios medioambientales. Su importancia se basa en su demanda. Debido a sus múltiples aplicaciones y usos, el metanol se ha hecho un lugar importante en las industrias químicas del mundo entero. Además de ser una alternativa de energía limp ia que se puede producir a partir del gas natural, el metanol desempeña un papel cada vez más significativo en la diversificación de las opciones para combustibles ambienta les y energía limpia en países de todo el mundo. Además, durante gran parte de la década de 1980 y principios de los 1990, en los combustibles de gasolina que se venden en Europa se mezclan pequeños porcentajes de metanol.
Por su parte, Venezuela posee grandes yacimientos de gas natural (materia prima utilizada para la producción de metanol), y uno de los usos que se le da es su transformación química y generación de sus derivados, con el fin de agregar mayor valor agregado.
En Venezuela existen cinco plantas de procesamiento de gas natural, pero es en el Complejo José Antonio de Anzoátegui donde se lleva a cabo la extracción del gas natural que es usado como materia prima para la producción de metanol. (PDVSA, C.A., 2005)
Las plantas encargadas de la producción de metanol son Metor S.A. y Súper Metanol C.A. Se encuentran situada al oriente del país, en el “Complejo Petrolero, Petroquímico, e Industrial General José Antonio Anzoátegui”, siendo parte de una industria mixta de Pequiven. Estas llevan a cabo la producción, almacenaje y suministro del alcohol metílico a partir de gas natural (metano) y vapor agua.
El Complejo José Antonio de Anzoátegui, denominado oficialmente como Complejo Petroquímico General de División José Antonio Anzoátegui, se inauguró el 14 de agosto de 1990 con el fin de impulsar el desarrollo de la petroquímica en el Oriente del país y actuar como bien industrial de las empresas mixtas que operan en el área, mediante el suministro de los servicios básicos necesarios para su operación. Está
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ubicado en el estado Anzoátegui y tiene una superficie de 740 hectáreas donde se han instalado las plantas de las empresas mixtas en las cuales Pequiven tiene participació n accionaria.
Las capacidades de producción nominal de metanol varían según la empresa: para el año 2010, Metor, S.A., tenía una capacidad de 1.600 MTM (miles de toneladas métricas) y Supermetanol, C.A., de 725 MTM. Por otro lado, la producción de estas empresas para el año 2010 eran: Metor produjo 1.078 MTM, mientras que Supermetanol 609 MTM (Libro PODE, 2010).
Una parte del metanol producido es distribuido a las empresas venezolanas y otra parte es exportada. Esto se ha hecho sin interrupción desde 1998 hasta la actualidad. A pesar de ser un país productor y exportador de metanol, no sustenta la demanda requerida de este producto. Como consecuencia, en los últimos años se ha visto la necesidad de importar cantidades de metanol.
1.3 CARACTERIZACION ÉTICO-POLITICA
La producción del metanol se lleva a cabo por diferentes normas y leyes que van desde la extracción de la materia prima para su producción hasta la elaboración y almacenamiento del mismo (bien sea para el comercio exterior o para ser transportado a otras plantas para ser materia prima de otro producto). A continuación se muestran las diferentes normativas y leyes que permiten que favorecen este proyecto.
Ley Orgánica De Hidrocarburos Gaseosos
La Ley Orgánica De Hidrocarburos Gaseosos (Gaceta Oficial N° 36.793. 1999) es una serie de normas referente al negocio gasífero del país. Explica cómo, cuáles y por qué los yacimientos de hidrocarburos gaseosos en Venezuela son de vital importanc ia para el desarrollo de la economía del país. Se muestra entonces como una base legal del proyecto, debido a que el metanol se produce a partir de gas natural (una mezcla de hidrocarburos gaseosos).
“Artículo 3. Las actividades relativas a los hidrocarburos gaseosos estarán dirigidas primordialmente al desarrollo nacional, mediante el
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aprovechamiento intensivo y eficiente de tales sustancias, como combustibles para uso doméstico o industrial, como materia prima a los fines de su industrialización y para su eventual exportación en cualquiera de sus fases. Dichas actividades se realizarán atendiendo a la defensa y uso racional del recurso y a la conservación, protección y preservación del ambiente.”
Este articulo vela que cualquier actividad elaborada con el hidrocarburo gaseoso estará primordialmente asociado al desarrollo nacional, por lo tanto el articulo apoya el proyecto debido a que el aprovechamiento del gas natural promovería la producción de metanol, contribuyendo al desarrollo de la nación.
Plan de la Patria (Segundo plan socialista de desarrollo económico y social de la nación, 2013-2019)
El Plan de la Patria vela una serie de obras con el fin de consolidar el ámbito social, comercial, económico y político de Venezuela. El proyecto se encuentra vinculado por unos objetivos estratégicos y generales los cuales estipulan que:
Por otro lado, el objetivo estratégico 3.1.7.1 cita: “Diversificar el procesamiento de gas natural, naftas y corrientes de refinación, para la generación de productos de mayor valor agregado y la eliminación de importaciones de insumos para refinación” (p. 71). Este objetivo anima a utilizar el gas natural para la producción de compuestos químicos con la finalidad de erradicar importaciones de los mismos.
Además, hay objetivos promueven directamente la producción de metanol a nivel nacional, siendo el caso del objetivo estratégico 3.1.7.5, que dice: “Expandir en 87% la capacidad instalada del sector productor de químicos, haciendo énfasis en la producción de aromáticos y el desarrollo de las cadenas aguas abajo del metanol y la urea” (p. 71).
Por último, el objetivo estratégico 3.1.12.3 dice: “Fomentar el desarrollo de combustibles alternativos que reemplacen paulatinamente el consumo de derivados del petróleo” (p. 78). Siendo el metanol un combustible ecológico, este objetivo apoya directamente el proyecto de investigación.
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PNF Procesos Químicos
El proyecto se encuentra insertado en el PNF de Procesos Químicos ya que se relaciona con las siguientes áreas de investigación:
Área de Investigación: PETROLEO, GAS Y ENERGÍA.
Esta área de investigación contribuye al proyecto pues la producción del metanol favorecería a la industria química en la elaboración de químicos derivados.
Área de Investigación: DESARROLLO ENDOGENO.
El metanol es un derivado del gas natural, y además de este mismo se derivan un conjunto de productos químicos. Por ello la producción de alcohol metílico contribuiría a ser una materia prima nacional para la producción de otros compuestos, además de desarrollar las tecnologías empleadas para la elaboración de estos subproductos.
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1.4 CARACTERIZACIÓN SOCIO-ECONÓMICA
Actualmente, el combustible que diariamente millones de venezolanos adquieren para sus automóviles es sumamente dañino para su salud y el ambiente. El metanol, siendo un derivado del gas y coexistiendo para las llamadas gasolinas verdes, provee la posibilidad de ser el reemplazo de estos combustibles tóxicos. Incluso es un compuesto innovador en la industria farmacéutica. Es decir, que la desvalorizac ió n social de la producción del metanol afectaría indirectamente a la economía venezola na, debido a que la importación del alcohol metílico genera un gasto innecesario.
Registros de importaciones en el INE (Instituto Nacional de Estadística) muestran que el metanol se importa y también se exporta. La principal planta productora de metanol en Venezuela está ubicada en el oriente del país, llamada Metor S.A. Esta planta no está cubriendo con la demanda nacional, ya que existe un déficit de producción que causa la importación de metanol. Por lo tanto, en este proyecto se realizará un estudio de diagnóstico para establecer la viabilidad de diseñar una planta de producción de metanol que solvente ese déficit que existe en el país. Lo anterior es con la finalidad de poder abastecer a las industrias venezolanas que utilicen el metanol como materia prima. Como consecuencia, se busca satisfacer las necesidades de la población, aumentando la producción de productos (formaldehido, ácido acético, entre otros) que son creados a partir del metanol.
En la Tabla 1 se observan las importaciones de metanol de los años 1998 a 2014. En el año 1999 y 2000, se importó la mayor cantidad de metanol que ha visto el país, siendo 11.776.871,00 y 20.458.978,00 kilogramos netos respectivamente. Se puede observar un ligero incremento entre el 2013 al 2014 en la importación de metanol, causando un impacto en la economía venezolana debido a la carencia de metanol en las diferentes industrias de manufactura.
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Tabla N°1: Importación de metanol (alcohol metílico) desde 1998 hasta 2014
Año Kilogramos
netos FOB Bs. FOB US$
1998 90.809,00 264.915.529,00 485.992,00 1999 11.776.871,00 1.076.954.047,00 1.804.561,00 2000 20.458.978,00 1.535.145.359,00 2.379.036,00 2001 2.584.316,00 606.794.114,00 844.256,00 2002 85.907,00 236.469.306,00 185.299,00 2003 273.559,00 509.723.248,00 318.552,00 2004 74.712,00 449.688.595,00 238.689,00 2005 104.009,00 1.288.458.685,00 591.696,00 2006 71.613,00 1.290.006.870,00 600.015,00 2007 46.071,99 621.026.858,65 288.858,32 2008 24.707,88 282.468,41 131.380,68 2009 29.607,52 337.977,20 157.199,40 2010 11.580,59 659.185,23 185.395,22 2011 64.978,60 4.426.530,85 1.029.425,79 2012 74.795,57 4.923.878,33 1.145.087,99 2013 30.182,93 1.516.775,79 268.971,18 2014 33.632,58 2.802.405,37 392.650,23
Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)
En la tabla 2 se presenta las exportaciones de metanol. Se puede observar que en los años donde más se exportó el metanol fueron en el año 2001, 2013 y 2014, las cantidades de 1.300.770.510,00; 1.471.720.000,00 y 1.456.873.892,00 kg respectivamente.
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Tabla N° 2: Exportaciones de metanol (alcohol metílico) 1998 – 2014
Año Kilogramos
Netos FOB Bs FOB US$
1998 1.182.575.848,00 56.228.793.547,00 104.861.004,00 1999 1.057.433.004,00 42.050.381.380,00 69.272.546,00 2000 1.242.452.800,00 96.607.310.814,00 141.598.823,00 2001 1.300.770.510,00 141.695.463.859,00 198.106.321,00 2002 1.029.899.566,00 147.747.984.083,00 123.102.511,00 2003 952.347.824,00 294.663.321.593,00 183.983.749,00 2004 1.090.282.427,00 401.052.893.300,00 213.390.405,00 2005 991.844.465,00 471.278.610.162,00 222.099.058,00 2006 777.046.704,00 489.883.969.448,00 228.419.851,00 2007 845.092.480,00 589.390.117.552,00 274.455.352,00 2008 326.221.979,00 291.976.957,00 135.827.115,00 2009 160.246.340,00 51.959.053,00 24.191.602,00 2010 8.562.750,00 11.481.355,00 2.820.425,00 2011 70.545.150,00 99.373.790,00 23.111.593,00 2012 1.181.560.000,00 1.592.088.162,00 370.302.936,00 2013 1.471.720.000,00 3.347.213.362,00 547.421.237,00 2014 1.456.873.892,00 4.591.294.246,00 546.775.001,00 Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)
A primera instancia, no es lógico que se exporte tantas cantidades de metanol (relacionada a la producción nacional) y se importe en menor cantidad. Esta incoherencia hizo necesaria inquirir respecto a la pureza del metanol importado y exportado. Una investigación en la Asociación Venezolana de la Industria Química y Petroquímica (Asoquim) demostró que la pureza del metanol producida por Metror es del 95% (metanol para combustible). Por consiguiente, se asumirá que el metanol importado es de nivel analítico con una pureza del 99% (se asume este dato ya que no se consiguió alguna fuente de información que indique la pureza del metanol importado).
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Adicionalmente, se investigó en cuanto a las importaciones y exportaciones de la materia prima, que en este caso es el gas natural. En la tabla 3, se pueden observar cifras relativamente altas de gas natural importado durante los años 1998 hasta el 2001; esto pudiera justificar la también alta importación metanol durante parte de ese periodo, específicamente en 1998 y 1999.
Tabla Nº 3: Importación del Gas Natural 1998-2014.
Año Kilogramos
Netos FOB Bs FOB US$
1998 2.999,00 10.923.904,00 19.135,00 1999 450.057,00 262.011.002,00 428.887,00 2000 44.206,00 61.096.905,00 89.172,00 2001 9.690,00 21.003.826,00 30.660,00 2002 3,00 336.547,00 242,00 2003 0 0 0 2004 0 0 0 2005 47,00 4.828.384,00 2.246,00 2006 13,00 7.740.000,00 3.600,00 2007 0 0 0 2008 235,53 21.463,45 9.983,00 2009 0 0 0 2010 1,35 674,90 259,58 2011 0 0 0 2012 0 0 0 2013 0 0 0 2014 0,98 4.315,50 685,00
Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)
En la tabla 4, se puede observar que los únicos años en donde hubo exportación de gas natural en Venezuela fueron en el año 1998 y en el 2005.
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Tabla Nº 4: Exportaciones del gas natural 1998-2014.
Año Kilogramos
Netos FOB Bs FOB US$
1998 8.936,00 1.967.154,00 3.534,00
2005 62,00 521.138,00 243,00
Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)
Relacionando las tablas de importación y exportación del metanol y el gas natural (la materia prima), es de notar que en el último año el país ha tenido la necesidad de aumentar la importación, y disminuir la exportación de metanol. Una de las razones es que, en ese mismo año, hubo la necesidad de importar gas natural, lo que llevo a un déficit en la producción de metanol.
Las tablas de importación y exportación del metanol y gas natural muestran que entre los años 2013 y 2014 hubo una carencia en la producción de metanol en el país, evidenciado a partir de que la exportación disminuyo y la importación aumentó en el año 2014. En teoría, este déficit en la producción de metanol se debe a que en el 2014 hubo que importar gas natural, posiblemente para sustentar la producción de metanol.
Para el estudio y viabilidad del diseño de una planta de Metanol a través de gas natural se debe establecer una base cálculo, con el fin de tener la cifra de producción que la planta de metanol llevara a cabo para satisfacer la demanda nacional. Lo ideal sería diseñar una planta de producción que cubra la importación más reciente (33.632,58kg en el 2014), ya que es la cifra que denota la necesidad actualizada del país por el compuesto. Ahora bien, las alternativas tecnológicas no son capaces de producir metanol a tan pequeña escala (la planta de metanol con menor capacidad de producción es de 50 toneladas por año, y la de mayor capacidad es de un milló n). Debido a esto, se ve necesario hacer un promedio de las importaciones en los últimos años para obtener una cifra más realista a la hora de diseñar la planta.
En este sentido, se presenta la gráfica 1 que muestra la variación en cantidades (kg) de importaciones desde el año 1998 hasta 2014:
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Grafica 1: Importaciones de metanol desde 1998 hasta 2014
Es evidente que un pico extremadamente alto no ayuda a tener una tendencia ideal. Este pico se debe a las altísimas importaciones del metanol desde 1999 hasta el 2001 (posiblemente debido al cambio de gobierno en 1999, que originó una crítica situación económica y social en el país, la cual, por su parte, ocasionó el paro petrolero de 2002). Estas importaciones se considerarán extraordinarias y, por lo tanto, serán omitidas en el cálculo del promedio. También se considerarán importaciones extraordinarias las cifras que tengan más de dos números en el grupo de los miles, siendo claramente las importaciones realizadas durante el 2003 y el 2005.
Ahora, y omitiendo las importaciones extraordinarias, se observa en la gráfica 2 una curva de importaciones con una tendencia más razonable:
-500.000,00 2.500.000,00 5.500.000,00 8.500.000,00 11.500.000,00 14.500.000,00 17.500.000,00 20.500.000,00 Kg Año
17
Grafica 2: Importaciones de metanol desde 1998 hasta 2014 omitiendo las importaciones extraordinarias.
El promedio, o media aritmética se define como el valor característico de una serie de datos cuantitativos y su ecuación es la siguiente:
𝑥̅ =1 𝑛∑ 𝑎𝑖 𝑛 𝑖=1 = 𝑎1+ 𝑎2+ ⋯ + 𝑎𝑛 𝑛
Sustituyendo los datos en la ecuación se obtiene un resultado de 53.216,56 kilogramos/año. No obstante se redondeara la cifra a 55.000 kilogramos/año para la facilidad de los cálculos de balance de masa y energía.
0,00 10.000,00 20.000,00 30.000,00 40.000,00 50.000,00 60.000,00 70.000,00 80.000,00 90.000,00 100.000,00 K il o gr a m o s im p o rt a d o s Año
18 CAPITULO II
FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y METODOLÓGICOS
2.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1.1 Antecedentes de la investigación
David LeRoy Hagen (1976), ingeniero del Departamento de Investigación y Desarrollo de Energía de los Estados Unidos, publicó un libro llamado “Methanol: its synthesis, use as a fuel, economics, and hazards” (Metanol: su síntesis, su uso como combustible, la economía y los riesgos). En la publicación, Hagen destaca el desarrollo del metanol como combustible para líneas de producción llamándolo “el combustible de la nueva era”, y resalta la importancia de aumentar la producción del alcohol no solo en el norte de América sino a nivel mundial.
En la Universidad de Prensa de América, la economista Christiana Perry (1990) escribió un ensayo titulado “Methanol: bridge to a renewable energy future” (Metanol: un puente hacia la energía renovable del futuro). En este Perry expone los pro y contra del metanol como combustible de energía y el impacto que tendría en la economía mundial si se prefiriese este en vez de la gasolina.
Judeylis Cerezo (2003), elaboró un estudio titulado “Evaluación técnica del proyecto de inyección de CO2, determinando los cuellos de botella en la planta
de metanol de Metor S.A.”, cuyo objetivo principal fue evaluar el impacto que tendría el proceso de producción de metanol al inyectar CO2 directamente al
reactor de síntesis de la planta de Metor. S.A., e identificar los problemas actuales que limitarían la ejecución del proyecto. La técnica de inyección de CO2 es utilizada para incrementar la producción de metanol sin cambiar
significativamente las instalaciones del proceso.
En el año 2006, se inició el proyecto de ampliación de la planta de metanol ubicada en el complejo industrial General José Antonio Anzoátegui, para aumentar la capacidad a 1584 MTM de metanol a cargo de la empresa Inelectra .
19
Así mismo, se contempla instalar dos nuevas plantas de metanol (Metanol II y III) con capacidades de 825 MTM c/u dentro del Plan Estratégico de Pequiven 2006-2012.
Así mismo, en el 2009, Alex Díaz realizó un estudio en los sistemas de interlock de una planta de metanol llamado “Evaluación del sistema de protecciones para el horno reformador y compresores de procesos de una planta de producción de metanol”. En este estudio, se diseñaron sistemas de emergencia a equipos en donde esta función estaba deshabilitada del proceso utilizado por la empresa Metor S.A., particularmente en el horno reformador, la sección de compresión y las turbinas de vapor.
En 2010, Giannina Vásquez desarrolló un proyecto de investigación titulado “Simulación del proceso de obtención de metanol con el objetivo de industrializar el gas natural en el Perú”, donde se hace referencia a altas reservas de gas natural en Perú, las cuales no están siendo utilizadas para la transformación en productos químicos. El estudio de la investigación propone una serie de procesos que sustentan la creación de una planta de metanol a partir de gas de síntesis, estos procesos son: la destilación de madera, la Tecnología Imperial Chemical Industries (ICI), Lurgi SynGas y Lurgi Combinado, con el fin de la perspectiva comercial para el aumento de la economía peruana.
En marzo de 2010, Charles Gutiérrez hizo un trabajo especial de grado en donde estudiaba tres procesos para la obtención de metanol a partir del gas natural, y como estos pudiesen ser adaptados a las necesidades de Venezuela. Los trabajos anteriormente mencionados plantean la necesidad de aumentar la producción de metanol (tanto en Venezuela como a nivel mundial), sustentándose con procesos eficientes que mantienen una relación producción/rentabilidad atractiva, algunos de los cuales han sido factibles en Venezuela. No obstante, en la actualidad no se ha podido cubrir a su totalidad la demanda de este combustible (muestra de ellos son los altos números de importaciones de metanol que ha hecho el país en los últimos años). Es por ello que se desarrolla una posible solución a esta problemática, esto
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mediante aplicación de cálculos, investigación bibliográfica, estudio de eficiencia y comparación con procesos similares.
2.1.2 Conceptos básicos Gas Natural
Se denomina gas natural al conjunto de hidrocarburos gaseosos formados principalmente por el metano, en proporción superior al 70%, que se obtiene de la naturaleza en los campos petrolíferos acompañando al curso del petróleo (gas natural asociado) o acompañado únicamente por pequeñas cantidades de otro hidrocarburos o gases (gas natural no asociado).
No existe una teoría rigurosa sobre su formación, pero puede asegurarse que proviene del mismo proceso de formación del petróleo. Desde hace varios decenios, las prospecciones geológicas, que se han acelerado después de la segunda guerra mundial, han hecho aparecer (desigualmente repartidos sobre la superficie del globo y a profundidades que sobrepasan, a veces, los 5000 m) yacimientos de gas más o menos importantes y más o menos concentrados, acompañados o no de petróleo.
Los componentes que pueden acompañar al metano son hidrocarburos saturados como etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes, tales como dióxido de carbono, nitrógeno y, en algunos casos, ácido sulfhídrico, oxígeno e hidrógeno. La tabla N°5 muestra la composición del gas natural extraído al oriente del país:
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Tabla 5: Composición del gas natural extraído al oriente de Venezuela
Compuesto Formula Química %
Metano CH4 76,9 Dióxido de carbono CO2 12,5 Etano C2H6 5,8 Propano C3H8 2,5 Butano C4H10 1,1 Pentano C5H12 0,5 Heptano C7H16 0,4 Nitrógeno N2 0,1
Fuente: Trabajo especial de grado realizado por Erik Pernía en el 2005 titulado “Estudio comparativo de la riqueza del gas natural venezolano, simulando con la válvula Joule-Thomson” en la Universidad Rafael Urdaneta.
Metanol
El metanol (conocido también como alcohol metílico o alcohol de madera), es el compuesto orgánico más simple perteneciente a la familia de alcoholes. Su fórmula química es CH3OH. Anteriormente este compuesto era obtenido por calentamiento de
la madera en un recipiente cerrado (destilación seca). Actualmente se produce mediante la reacción de síntesis del monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2), con hidrógeno (H2) en presencia de un catalizador bajo la acción del calor.
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Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del metanol Liquido incoloro, ligero, inflamable y tóxico.
Formula semidesarrollada: CH3-OH.
Formula química: CH4O.
Masa molar: 32,04 g/mol.
Composición: C: 37,48%, H: 12,58% y O: 49,93%. Densidad: 0,81 g/cm3 (0 °C); 0,7960 g/cm3 (15 °C); 0,7915 g/cm3 (20 °C); 0,7866 g/cm3 (25 °C). Número CAS: 67-56-1. Punto de fusión: -97,8 °C. Punto de ebullición: 64,7 °C (760 mmHg); 34,8 °C (400 mmHg), 34.8 °C (200 mmHg); 21,2 °C (100 mmHg); 12,2 °C (60 mmHg); 5 °C (40 mmHg) ; -6 °C (20 mmHg); -16,2 °C (10 mmHg); -25,3 °C (5 mmHg), -44 °C (1 mmHg).
Solubilidad en agua: miscible.
Viscosidad: 0,59 mPa·s a 20 °C.
Índice de refracción a 20 °C: 1.3292.
Densidad de vapor (aire = 1): 1,11.
Punto de inflamación en copa cerrada (Flash point): 12,2 °C.
Punto de congelación: -97,68 °C.
Temperatura de ignición: 470 °C.
Límites de explosividad (% en volumen en el aire): 6-36.5%.
Temperatura crítica: 240 °C.
Presión crítica: 78.5 atm.
Volumen crítico: 118 cm3/mol.
Calor de formación: -239,03 kJ/mol (líquido a 25 °C).
Energía libre de formación: -166.81 kJ/mol (líquido a 25 °C).
Calor de fusión: 103 J/g.
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Calor de combustión: 22662 J/g (a 25 °C).
Temperatura de autoignición: 380 °C.
Tensión superficial: 22.6 din/cm.
Estructura y propiedades químicas del metanol
La estructura química del metanol es muy similar a la del agua, con la diferencia de que el ángulo del enlace C-O-H en el metanol (108.9°) es un poco mayor que en el agua (104.5°), porque el grupo metilo es mucho mayor que un átomo de hidrógeno. En la figura 2 se observa la estructura química de una molécula de metanol.
Fig.2: Estructura química del Metanol
De los puntos de ebullición y de fusión se deduce que el metanol es un líquido volátil a temperatura y presión atmosféricas. Esto es destacable ya que tiene un peso molecular similar al del etano (30 g/mol), y éste es un gas en condiciones normales.
La causa de la diferencia entre los puntos de ebullición entre los alcoholes y los hidrocarburos de similares pesos moleculares es que las moléculas de los primeros se atraen entre sí con mayor fuerza. En el caso del metanol estas fuerzas son de puente de hidrógeno, por lo tanto esta diferencia es más remarcada.
El metanol y el agua tienen propiedades parecidas debido a que ambos tienen grupos hidroxilo que pueden formar puente de hidrógeno. El metanol forma puente de hidrógeno con el agua y por lo tanto es miscible (soluble en todas las proporciones) en este solvente. Igualmente el metanol es excelente solvente de sustancias polares, en
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donde se pueden disolver sustancias iónicas como el cloruro de sodio en cantidades apreciables.
De igual manera que el protón del hidroxilo del agua, el protón del hidroxilo del metanol es débilmente ácido. Se puede afirmar que la acidez del metanol es equivalente a la del agua.
El metanol es considerado como un producto o material inflamable de primera categoría ya que puede emitir vapores que, mezclados en proporciones adecuadas con el aire, originan mezclas combustibles. El metanol es un combustible con un gran poder calorífico, que arde con llama incolora o transparente y cuyo punto de inflamación es de 12,2 ºC.
El metanol es un compuesto orgánico muy importante ya que el grupo hidroxilo se convierte con facilidad en cualquier otro grupo funcional. Así el metanol se oxida para obtener formaldehído (formol) y ácido fórmico; mientras que por su reducción se obtiene metano. Igualmente importantes son las reacciones de éter y esterificación.
Procesos para la obtención de metanol
Originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de madera. Esta materia prima llevó al compuesto a poseer el 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. El proceso da como resultado un destilado acuoso (que se conoce como ácido piroleñoso y que contiene 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol, 0.5% de acetona y el resto en agua) y alquitrán de madera como producto de fondo.
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. En estos reactores se llevan a cabo las siguientes reacciones:
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La reacción se produce a una temperatura de 300-400 °C y a una presión de 200-300 atm. Los catalizadores usados son ZnO, Cr2O3 o una aleación de ambos.
El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos
procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho. Actualme nte 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.
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.
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).
2.2 FUNDAMENTOS METODOLÓGICOS 2.2.1 Tipo de investigación
Como se mencionó en el anterior capitulo, es evidente que Venezuela sufre un déficit en la producción de metanol, y en relación con los objetivos planteado, el tipo de investigación es “proyecto factible”. Según UPEL (2010), define el proyecto factible como:
“El Proyecto Factible consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de
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organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulac ió n de políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. El Proyecto debe tener apoyo en una investigación de tipo documenta l, de campo o un diseño que incluya ambas modalidades. ”
2.2.2 Diseño de la investigación
Según Arias (2006), “El diseño de la investigación es la estrategia que adopta el investigador para responder al problema planteado. En atención al diseño, la investigación se clasifica en: investigación documental, investigación de campo e investigación experimental”. Observando el proyecto a través de este concepto, el cual busca analizar el aumento de producción de metanol en Venezuela, se aplicará un diseño de tipo documental.
Santa Palella y Feliberto Martins (2010), indican que:
“El diseño bibliográfico o documental, se fundamenta en la revisió n sistemática, rigurosa y profunda del material documental de cualquier clase. Se procura el análisis de los fenómenos o el establecimiento de la relación entre dos o más variables. Cuando opta por este tipo de estudio, el investigador utiliza documentos, los recolecta, selecciona, analiza y presenta resultados coherentes”. Para esta investigación se siguieron los siguientes pasos:
Con la finalidad de profundizar los conocimientos del tema y poseer toda la información pertinente, se hizo la localización y comprobación de fuentes bibliográficas y documentales tales como:
Libros sobre los compuestos implicados.
Informes, tesis o proyectos detallados sobre las diferente s alternativas tecnológicas existentes.
Publicaciones referentes a los reactivos, productos y sub productos. Normativas relacionadas con los compuestos (como el transporte, la
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Información acerca de características fisicoquímicas, toxicidad, impacto ambiental, leyes entre otros.
Se investigó y redactó la información utilizada en el Capítulo I (Socio-tecnológico, Ético-político, Histórico-cultural, Socio-económico).
Luego de haber realizado esta búsqueda de documentación necesaria (alternat ivas tecnológicas, compuestos implicados, tipos de reacciones, equipos, sustancias contaminantes), se procedió a analizar cuatro alternativas disponibles y descartar algunas, tomando en cuenta los siguientes criterios:
Generación excesiva de contaminantes. Uso elevado de equipos.
Catalizadores difíciles de conseguir y mantener. Energía consumida.
Caracterización técnica.
Escasa documentación debido a la continua investigación de la patente o la privacidad de información por parte de las licencias.
Antigüedad del proceso.
Finalmente, se eligió una alternativa que armonizaba con las necesidades de Venezuela y resuelve la problemática planteada.
2.2.3 Procedimientos de la investigación Investigación documental
En este aspecto, se llevaron a cabo el siguiente procedimiento: se hizo una investigación a fondo de todas las fuentes bibliográficas al alcance de los investigadores que documentaran detalladamente las alternativas tecnológicas de producción de metanol (materias primas, reacciones involucradas, sustancias involucradas, catalizadores utilizados). Posteriormente, se hizo un análisis de las mismas y se redactó la información relevante para la investigación.
28 Caracterización de las alternativas tecnológicas
Para esto se procedió dando una descripción general del problema, se caracteriza la problemática a nivel tecnológico, histórico-cultural, ético-político y socio-económico, con la finalidad de conocer los criterios que lleven a la selección de la alternativa más viable.
Caracterización técnica de las alternativas tecnológicas
Es la esencia del proyecto de investigación, en donde se realiza la caracterizació n técnica de la alternativa planteada, así como la descripción de los procesos y diagramas flujo, los listados de equipos e identificación de las variables dentro del proceso, parámetros técnicos, balances de materia y energía.
Para el cálculo de los balances de materia y energía se utilizó una base de cálculo de 55 toneladas/año (55.000 kilogramos/año), cifra resultante del promedio de importaciones del metanol en los últimos años.
Análisis comparativo
Procedimiento en el que se conoce la alternativa tecnológica más eficiente para solventar la problemática, de acuerdo a la caracterización del técnica del proceso. Se exponen las conclusiones y recomendaciones, con el fin de mejorar la investigación y llevar a cabo el proyecto.
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CAPITULO III
CARACTERIZACIÓN TÉCNICA DE LAS ALTERNATIVAS SOCIO-TECNOLÓGICAS
3.1 DESCRIPCION DE LOS PROCESOS Y DIAGRAMAS DE FLUJO Tecnología Imperial Chemical Industries (ICI)
El proceso de baja presión ICI, operado por primera vez en una planta piloto en 1966, desempeña un papel dominante. Hoy en día, aproximadamente 65% de la producción de metanol mundial se basa en el proceso de ICI, que se caracteriza por menores costes de inversión y proceso. El catalizador a base de ZnO/Cr2O3 requiere
un gas de síntesis particularmente libre de azufre y cloro. Se introdujo recienteme nte una nueva generación de catalizadores con una mayor vida útil de 50%, aproximadamente de 3 a 5 años. La conversión es de 90% y el metanol se puede obtener con una pureza de hasta 99,99% en peso.
Algunas de sus características más significativas son las siguientes:
Utiliza una alimentación de gas natural que luego será reformado a gas de síntesis que contiene H2, CO y CO2. En esto se diferencia a los demás
procesos ya que la reformación de este proceso es usando vapor de agua.
Al tener una alimentación libre de azufre, el catalizador ZnO/Cr2O3
alarga su vida útil de 36 a 60 meses entre cada regeneración. (Industric Organic Chemistry. 1997. pp 29)
Recicla el metano no reaccionado en la sección de reformación, para de esa manera no perder materia prima.
Posee una sección de compresión de tres etapas con posterior enfriamiento. Esto disminuye los costos de equipos al no tener que utilizar compresores de rodillo con mayor potencia. La energía consumida por el proceso es menor que al utilizar compresores más costosos.
30
El reactor es extremadamente simple: es una estructura cilíndrica que contiene sólo una carga de catalizador que puede ser intercambiada rápidamente.
El proceso opera en presiones bajas (50 – 100 atm) y temperaturas bajas (240 – 260 °C), lo cual disminuye dramáticamente la energía consumida.
Se introduce gas frío en varios puntos de la estructura del reactor para absorber el calor de reacción. Esta técnica es conocida como “Quench”.
La producción de impurezas en el reactor de síntesis es cerca del 0,1%. En un caso de producirse, serían dimetil éter, ésteres, cetonas, carbonilos de hierro, y alcoholes livianos, los cuales pueden ser retirados en una torre de destilación.
Las plantas modernas tienen una capacidad de producción anual de alrededor de un millón de toneladas.
GAS NATURAL K-102 V-101 E-102 E-103 VAPOR F-101 K-103A/B/C K-105 E-106 E-107 R-101 E-108 V-103 K-104 E-109 E-101 TK-101 Quench HIDROCARBUROS PESADOS E-105A/B/C 4 2 3 5 9 18 13 14 16 17 19 21 22 25 28 29 27 30 31 32 34 35 23 36 F-102 AIRE EN EX CESO 8 26 33 V-102 11 12 10 1 6 7 15 24 E-104 20 K-101 E-110 C-101 E-112 TK-102 IMPUREZAS E-111 C-102 V-104 E-113 E-115 TK-103 METANOL V-105 TRATAMIENTOAGUA A 37 36 38 40 39 41 42 43 44 49 51 50 47 45 46 48 E-114 K-101 Compresor V-101 Tambor de succión K-102 Compresor E-101 Intercambiador de calor V-102 Separador E-102 Saturador E-108 Caldera K-104 Enfriador E-105A/B/C Intercambiadores en serie F-102 Caldera K-105 Compresor E-106 Precalentador R-101 Reactor de síntesis E-107 Intercambiador de calor E-109 Intercambiador de calor V-103 Separador TK-101 Tanque E-110 Intercambia dor de calor C-101 Torre de Destilacion TK-102 Tanque C-102 Torre de Destilacion E-112 Condensador E-111 Calderin V-104 Tambor de Reflujo E-113 Condensador E-114 Calderin E-115 Intercambia dor de calor V-105 Contenedor a presion TK-103 Tanque Nombre Fecha Dibujado Aprobado Plano N° Escala
I.U.T Dr. Federico Rivero Palacio Dpto. Procesos Químicos
10/11/2015 Carlos Calderón, José Luis,Yesica Rojas.
DFP PROCESO ICI 1 de 1 15/11/2015 N° de la corriente 1 2 3 4 5 6 9 11 12 13 14 15 16 17 18 20 22 28 29 32 33 35 36 37 48 51 Gas natural 3.112,68 3.112,68 2.645,78 466,90 - - - -Metano 2.393,65 2.393,65 2.034,60 359,04 2.034,60 - 2.034,60 203,48 2.034,60 2.034,60 2.034,60 - 2.034,60 203,46 - - - -Dióxido de carbono 389,08 389,08 330,72 58,36 330,72 - 330,72 - 330,72 330,72 330,72 - 330,72 2.161,87 2.161,87 2.161,87 2.161,87 2.161,89 3.294,06 3.296,06 3.296,06 - 3.296,06 -Hidrocarburos pesados 329,94 329,94 280,45 49,50 - 280,45 - - - -Agua - - - 6.103,82 6.103,82 6.103,82 610,38 610,38 610,38 610,38 610,38 1.669,83 1.669,83 1.669,83 1.669,83 - 1.669,83 17,36 1.949,62 Hidrógeno - - - 7.324,58 7.324,58 7.324,58 7.324,58 7.324,59 2.027,34 2.027,34 2.027,34 - 2.027,34 - - -Monóxido de carbono - - - 1.177,17 1.177,17 1.177,17 1.177,17 1.177,17 117,71 117,71 117,71 - 117,71 - - -Metanol - - - 2.118,89 2.118,89 2.118,89 2.118,92 - 2.118,92 1.718,75 102,63 Flujo (kgmol/año) 3.112,68 3.112,68 2.645,78 466,90 2.365,33 280,45 2.365,33 203,48 2.365,33 2.365,33 8.469,15 6.103,82 8.469,15 11.477,47 11.274,01 11.274,01 11.274,01 11.274,01 7.036,21 7.036,21 7.036,21 3.788,73 3.247,48 3.247,48 1.736,11 2.052,61 Temperatura (°C) - 38 34 34 34 - - - 20 172 - - - 873 - 39 53 20 - 108 45 - - 68 40 -Presión (atm) - 17 17 17 17 - 26 - 26 22,8 - - - 18,9 - 15 98,7 29 - - - -E-104 Intercambiador de calor F-101 Horno reformador E-104 Intercambiador de calor K-103A/B/C Compresores en serie
32 Descripción del proceso
El gas natural es alimentado al proceso a 17 atm de presión y 34°C de temperatura. Este posee una composición molar constituida principalmente por un 76,9% metano, 5,8% etano, 12,5% dióxido de carbono y el resto en hidrocarburos que serán retirados. El gas natural es pasado por un compresor K-101 en donde eleva la presión a 17 atm. La corriente 2 que sale de K-101 es dividida en dos partes: el 15% servirá como gas combustible para las calderas auxiliares, incinerador y para suplir la energía necesaria al horno reformador, mientras que el resto de la corriente (3) pasa a través del tambor de succión del compresor de gas V-101 para separar los gases indeseados. La corriente 5 que sale de V-101 pasa al compresor K-102 para aumentar la presión del gas hasta 26 atm, el valor requerido en la sección de reformación. Esta corriente (9) se mezcla con un recirculado (corriente 11) de metano de la sección de reformació n que no reaccionó en F-101. Por último, la corriente 10 entra al intercambiador de calor E-101 para aumentar su temperatura a 80°C.
Reformación
La corriente 12 pasa a través de los tubos del saturador E-102, el cual es un intercambiador de calor que tiene como función calentar el gas alimentado. Este condensado es evaporado por el gas natural de proceso que pasa a través de los tubos del saturador. La corriente 13 de gas sale del saturador a 172°C y 22,8 atm. La corriente 15 le suministra vapor a la corriente 13, obteniéndose así una corriente 14 con relación vapor/metano de 3:1. El exceso de vapor es necesario para maximizar la conversión de metano en CO y evitar la deposición de carbono sobre el catalizador de reformació n. La corriente 14 de gas de proceso más vapor es calentada hasta 530°C cuando pasa a través del intercambiador E-103, para luego entrar a los tubos catalíticos del reformador F-101. El horno de reformación F-101 es una estructura cuadrada aislada térmicamente que contiene tubos llenos de catalizador de óxido de níquel (NiO) donde ocurren las siguientes reacciones de reformación a elevadas temperaturas con un 90% de conversión del CH4 a CO y 35% de conversión de CO a CO2:
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La reacción global es endotérmica lo que es favorecida por altas temperaturas y el calor necesario para la reacción es suministrado por la combustión de una mezcla de gas natural y 100% aire en exceso en quemadores ubicados en la parte superior de la sección de radiación del reformador, obteniéndose como gas reformado una mezcla de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), agua (H2O) y
un poco de metano (CH4) que no reaccionó. Esta corriente alimenta a V-102, que es
un tanque a presión que separa el metano que no reaccionó y lo recircula a la corriente 10.
Compresión del gas reformado
El gas reformado (corriente 20), luego de ser enfriado en E-104, tiene una temperatura de 39°C y 15atm de presión. Debido a la alta presión requerida en el reactor de síntesis, el gas reformado (corriente 20) es comprimido hasta una presión de 98,7atm en el compresor de gas de síntesis K-103A/B/C, el cual es un compresor centrífugo que consta de tres etapas, cada una de las cuales presenta enfriamiento, de donde se obtiene el gas de síntesis a la presión deseada y a una temperatura de 96°C, condiciones a las cuales entra el lazo de síntesis como gas de alimentación. Los gases de descarga (corriente 22) de este compresor son mezclados con los gases de descarga del compresor de recirculación K-105 (corriente 24), de donde el gas de reciclo sale a una presión de 98,7atm y a una temperatura de 53°C. Este compresor mantiene una recirculación de gas residual en el lazo de síntesis.
Síntesis de metanol
La corriente de gas de alimentación y del gas de reciclo (corriente 23), es precalentada en el intercambiador E-106, y luego dividida en dos corrientes: una corriente (26) es la alimentación de gas fresco al reactor y la otra (27) se usa como gas de enfriamiento rápido (“Quench”) para controlar la temperatura de los lechos
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catalíticos ya que la reacción es altamente exotérmica. La alimentación de gas fresco es nuevamente precalentada en el precalentador E-107, por intercambio de calor con el gas que sale del reactor. Luego entra al reactor convertidor de metanol R-101 en donde la conversión de la reacción es de 90%. El catalizador usado en esta reacción es ZnO/Cr2O3. La reacción principal y las secundarias para la síntesis del metanol son:
El gas de reacción (corriente 29) que sale del reactor R-103, es enfriado mediante su paso por el precalentador E-107, la caldera de vapor de baja presión E-108, y del precalentador del reactor E-106, de donde sale a 108°C. Finalmente el gas fluye al enfriador por aire de metanol K-103, saliendo a 70°C y al enfriador por agua de metanol E-109, de donde el metanol y el agua formados en el reactor de síntesis son condensados y enfriados hasta 45°C aproximadamente. Esta corriente 34 pasa por el separador V-103, en donde el gas que no reaccionó es recirculado a través del compresor de recirculación K-104 como gas de reciclo elevando ligeramente su presión y el metanol crudo junto a las impurezas es enviado al tanque TK-101 para luego ser purificados en la sección de destilación.
Destilación
El metanol crudo proveniente de los tanques de almacenamiento TK-101 (corriente 35) contiene aproximadamente 80% de metanol, 18 % de agua y el resto de impurezas más volátiles, producidos simultáneamente en la síntesis de metanol. El metanol crudo es purificado en un sistema de dos columnas de destilación atmosférica.
La columna de destilación C-101 es una columna en la cual se separan impurezas tales como: dimetil éter, formato de metilo, acetona, cetonas e hidrocarburos livia nos. El metanol crudo proveniente de los tanques TK-101 es precalentado en el precalentador E-110 de donde sale a 68°C y alimenta la columna de destilación. El vapor que sale por el tope de la columna que contiene las impurezas livianas mezclada s con metanol, pasa a través del condensador de tope, de donde el metanol y las
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impurezas se enfrían y van al tanque TK-102. La función primordial de esta columna es la eliminación de compuestos livianos contenidos en el metanol crudo y eliminac ió n de azeotrópicos presentes en la mezcla de metanol crudo.
El producto de fondo de la columna de destilación (corriente 39) se usa como alimentación a la columna de destilación C-102. La columna de destilación C-102 es una columna de 100 platos perforados, en la cual se obtiene un 99 % del metanol como destilado. Los vapores de metanol purificado que salen por el tope de la columna son condensados en E-112. El metanol líquido a 60°C es recibido en el tambor de reflujo V-104 donde una porción es bombeada al tope de la columna como reflujo y el resto es retirado como metanol producto, enfriado hasta 40°C en el enfriador E-113 para finalmente almacenarse en el tanque TK-103 como metanol producto. El producto de fondo es agua y es almacenada en V-105 para posterior tratamiento.
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3.2 BALANCE GLOBAL DE MATERIA Y ENERGÍA 3.2.1 Balance de materia
Se realizó un balance de masa al proceso ICI, con una meta de producción de 55 toneladas por año, para cubrir la totalidad de las importaciones del metanol. Luego a partir de estos datos se calculó la materia prima necesaria para el proceso, conociendo así cuanto de gas natural y vapor de agua se requieren para producir metanol.
Un balance de masas se basa en la ley de la conservación de la materia, la cual dicta "En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivo es igual a la masa de los productos", cuya ecuación es la siguiente:
∑ 𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑ 𝑚𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Relacionándola con las reacciones que se llevan a cabo en el reactor de síntesis de metanol tenemos que:
Estas reacciones son las más importantes a considerar ya que sus productos son el metanol. No obstante, también se lleva otra reacción acabo, en donde el metanol producido se descompone para formar dimetil éter como impureza:
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Pero debido a la alta conversión de CO que ofrece la alternativa, esta reacción puede ser despreciada y no afectará de manera significativa el balance de materia.
Utilizando las reacciones que forman el producto deseado, aplicando la ley de conservación de la masa y haciendo un cálculo inverso a partir de 55 toneladas anuales de metanol que se quieren producir, se obtuvo que se requieren 49,93 toneladas de gas natural por año y 109,94 toneladas de vapor de agua por año. (Los cálculos de este balance se encuentran en el anexo 1)
3.2.2 Balance de energía
Un balance de energía tiene como finalidad conocer la cantidad de energía necesaria para que un proceso funcione correctamente. En este sentido, se puede hacer un balance de energía en cada alternativa tecnológica propuesta utilizando la primera ley de la termodinámica, cuyo enunciado formal es el siguiente: “La cantidad total de energía del universo es constante aunque adopte diferentes presentaciones; cuando desaparece una forma de energía surge simultáneamente con otra apariencia.” La ecuación del enunciado es:
∆𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 (𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎) = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎
Sustituyendo en la ecuación los tipos de energías generadas por el sistema (cinética, potencial e interna) y las transferidas al universo (trabajo y calor), la primera ley queda de la siguiente manera:
∆𝐸𝑐+ Δ𝐸𝑝+ Δ𝐸𝑈 = 𝑄 + 𝑊
Esta ley se conoce como la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados. No obstante, las alternativas tecnológicas son sistemas abiertos, por lo tanto habría que utilizar la primera ley de la termodinámica para sistemas abierto. En esta ecuación la energía interna se conoce como entalpía:
∑ ∆𝐸𝑐 + ∑ ∆𝐸𝑝+ ∑ ∆𝐻 = 𝑄 + 𝑊
Tomando en cuenta que la energía cinética, la energía potencial y el trabajo son igual a cero, o son números muy pequeños que se consideran despreciables, la ecuación para el balance queda de la siguiente manera:
