Monografia Gas de Sintesis1

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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

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“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

INGENIERO DE PETRÓLEO

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“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 Ing. ARTURO RODULFO Jurado Principal Jurado Principal

INGENIERO DE PETRÓLEO

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RESOLUCIÓN

IV

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”.

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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.

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DEDICATORIA

VI

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.

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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!

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DEDICATORIA

VIII

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.

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AGRADECIMIENTOS

X

AGRADECIMIENTOS

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

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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.

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AGRADECIMIENTOS

XII

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.

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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

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AGRADECIMIENTOS

XIV

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

A una 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.

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CONTENIDO

XVI

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.

1.2.- Planteamiento del Problema 1.3.- Objetivos (General y Específicos)

3 5 7

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

2.1.- Gas Natural. 2.2.- Ventajas.

2.3.- Características y propiedades del Gas Natural. 2.4.- Gas de Síntesis.

2.4.1.- Producción gas de síntesis.

2.4.2.- Gas de síntesis por gasificación de carbón. 2.4.2.1.- Factores de operación.

2.4.2.2.- Factores dependientes del residuo gasificado.

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

2.4.4.- Purificación y aplicación del gas de síntesis. xxxxx 9 9 10 12 12 13 16 18 20 22 26 28

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CONTENIDO 2.5.- Análisis Económico. 2.5.1.- Costos. 2.5.1.1.- Costos directos. 2.5.1.2.- Costos indirectos. 2.5.2.- Indicador de costos. 2.5.3.- Estimados de costos 30 30 30 30 30 31

CAPÍTULO III: METODOLOGÍA

3.1.- Recopilación de información.

3.2.- Distinción de los componentes principales del gas de síntesis.

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.

3.4.- Enfoque del proceso de obtención de gas de síntesis mediante un diagrama de campo.

3.5.- Estudio del proceso de obtención de gas de síntesis a través del simulador Hysys Plant.

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.

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.

3.8.- Redacción del trabajo de grado.

33 33 33 34 34 35 35 35

CAPÍTULO IV: DESARROLLO

4.1.- Obtención de los componentes puros del gas de síntesis. 4.1.1.- Monóxido de Carbono.

4.1.2.- El Hidrógeno.

4.1.2.1.- El hidrógeno como nueva fuente de energía. 4.1.2.2.- Utilización del hidrógeno.

37 37 39 40 41

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CONTENIDO

XVIII

4.1.2.3.- Obtención del hidrógeno. 4.5.- Diagrama de campo.

4.6.- Simulación Hysys Plant. 4.6.1- Proceso en estudio. 4.6.2.- Paquete Fluido.

4.6.3.- Reacciones del Modelo. 4.6.4.- Conjuntos de Reacciones.

4.6.5.- Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido. 4.6.6.- Simulación en estado estacionario.

4.6.6.1.- Reactor Reformador. 4.6.6.2.- Corrientes. 4.2.6.3.- Reactor de conversión. 4.6.6.4.- Reactor de combustión. 4.6.6.4.1.- Corrientes. 4.7.- Reactor de conversión. 4.8.- Reactores de síntesis. 4.8.1.- Reactor de equilíbrio R-102. 4.8.2.- Reactor de equilíbrio R-103. 4.8.3.- Reactor de equilíbrio R-104. 4.9.- Ajuste de Condiciones de Operación. 4.9.1.- Ajuste del Flujo de vapor.

4.9.2.- Ajuste del Flujo de aire. 4.9.3.- Casos de estudio.

4.10.- Estimados de costos clase V

4.10.1.- Método de estimación basado en el coste de equipos. Métodos factoriales. 4.10.1.1.- Método de Lang. 42 59 60 61 63 64 66 67 67 67 68 69 71 71 72 75 75 76 77 78 78 79 81 81 86 86

CAPÍTULO V: DISCUSIÓN DE RESULTADOS

CAPÍTULO VI:

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CONTENIDO

6.2.- Recomendaciones. 6.3.- Bibliografía.

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LISTA DE TABLAS

XX

LISTA DE TABLAS

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

Tabla Nº 2.- Características fisicoquímicas del hidrógeno.

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

(obtención) de hidrógeno.

Tabla Nº 4.- Composición típica del gas producido por los

diferentes tipos de gasificadores.

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

síntesis genera. (Análisis económico).

Tabla Nº 6.- Costos de maquinarias y equipos.

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

vapor con o sin secuestro.

Tabla Nº 8.- Eficiencia y costos anuales de la producción de

hidrógeno.

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

PDVSA. 11 39 43 54 82 83 83 84 85

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LISTA DE FIGURAS

LISTA DE FIGURAS

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

gas de síntesis.

Figura Nº 2.- Proceso Lurgi.

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

por hidrogenación Del CO.

Figura Nº 4.- Diagrama de flujo de reacciones químicas con

monóxido de carbono

Figura Nº 5.- Diagrama de obtención de hidrógeno.

Figura Nº 6.- Reformador de gas natural con vapor de agua. Figura Nº 7.- Equilibrio entre componentes del gas reformado en

función de la Temperatura.

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

reforming”..

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

de reformado con vapor.

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

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

síntesis con reformador secundario.

Figura Nº 12.- Diagrama de obtención de hidrogeno por

oxidación parcial de hidrocarburos.

Figura Nº 13.- Ciclo combinado, pila de combustible.

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

síntesis.

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

gas de síntesis.

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

global Rxn Set.

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

13 15 25 38 42 44 45 47 49 50 51 52 57 60 63 64 65

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LISTA DE FIGURAS

XXII

conjunto global Rxn Set.

Figura Nº 18.- Conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set” Figura Nº 19.- Conjunto de reacciones “Combustor Rxn Set” Figura Nº 20.- Conjunto de reacciones “Equilibrio Rxn Set”

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

y vapor.

Figura Nº 22.- Especificación del gas. Figura Nº 23.- Especificación del vapor.

Figura Nº 24.- Especificación entre el gas y el vaporC. Figura Nº 25.- Especificación entre el gas y el aire. Figura Nº 26.- Especificación del vaporC.

Figura Nº 27.- Especificación del aire. Figura Nº 28.- Especificación del Vr. Figura Nº 29.- Especificación del Vc. Figura Nº 30.- Especificación del Ve2. Figura Nº 31.- Especificación del Ve3.

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

temperatura de R-102. 67 68 68 69 70 70 72 72 73 73 74 75 76 76 78

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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.

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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

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CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN

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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.

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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.

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CAPÍTULO I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

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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.

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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.

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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]

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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

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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 QUÍMICA ESTADO 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 Dióxido de Carbono CO2 Gas 0,20 – 30,00 Oxígeno O2 Gas 0,09 – 0,30 Sulfuro de Hidrógeno H2S Gas TRAZAS – 28,00

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- 12 -

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]

(35)

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 2CO          mol kj kcal / 222 53 (2.2) 2C + H2O CO + H2          mol kj kcal / 130 31 (2.3)

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

(36)

- 14 -

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.

(37)

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

(38)

- 16 -

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.) (Hy-Gas = Instuitute Of (Hy-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

(39)

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]

(40)

- 18 -

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.

(41)

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]

(42)

- 20 -

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: - CH2- + 0.5 O2 → CO + H2          mol kj kcal / 92 22 (2.4) - CH2- + H2O → CO + 2H2          mol kj kcal / 151 36 (2.5)

El establecimiento simultaneo de los equilibrios de Boudouard, gas de agua y 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

(43)

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

700-830 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

(44)

- 22 -

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

N-metilpirrolidona. 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:

(45)

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.

(46)

- 24 -

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

(47)

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 CO + CO2 + H2 (2.11)

(48)

- 26 -

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

(49)

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.

(50)

- 28 -

Actualmente, las pilas de combustible consiguen una buena eficacia que permite obtener 2kW(2) por litro o por kilo de combustible. Esto se logra conectando una serie de hasta 200 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).

(51)

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 para obtenerlo tal y como he explicado anteriormente. Este proceso sufre la 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.

(52)

- 30 -

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]

(53)

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]

(54)

(55)

(56)

CAPÍTULO III. METODOLOGÍA

- 33 -

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

(57)

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.