República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica De la Fuerza Armada U.N.E.F.A (Núcleo) Anzoátegui - (Sede) San Tomé
PROFESOR:
INTEGRANTES:
ING. JOSE HILARRAZA
NARGELIS PULVE C.I 19.941.524 EYKER CORREA C.I 21.086.466 MARIO BOLAÑOS C.I 23.552.940 ANGEL VILLARROEL C.I 24.492.449 SECCIÓN: N02 8VO SEMESTRE DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO SAN TOMÉ, MAYO DE 2014 0
PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS Y SUS DERIVADOS
INTEGRANTES: EYKER CORREA C.I 21086466 MARIO BOLAÑOS C.I 23552940 ANGEL VILLARROEL C.I24492449 NARGELIS PULVE C.I19941524 SECCIÓN: N02 8VO SEMESTRE DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO
SAN TOMÉ, MAYO DE 2014 1
RESUMEN El gas natural es conocido como una mezcla de hidrocarburos gaseosos que se ha formado y acumulado en el interior de la tierra y es producto de la descomposición de la materia orgánica de animales y vegetales sepultados durante millones de años. Se utiliza como combustible y materia prima de la industria petroquímica. Sus moléculas de hidrocarburos varían, la composición real de un determinado gas se obtiene y aprecia por medio de análisis cualitativos y cuantitativos, en la cual estos análisis enumeran los componentes presentes y el porcentaje de cada componente en la composición total, siendo el Metano el componente principal del gas natural. En donde las principales cadenas petroquímicas de este hidrocarburo son el Metano, el Etano y las Naftas utilizadas como materia prima en la industria petroquímica para el crecimiento y desarrollo de importantes cadenas industriales como son la textil y del vestido; la automotriz y del transporte; la electrónica; la de construcción; la de los plásticos; la de los alimentos; la de los fertilizantes; la farmacéutica y la química, entre otras además también es utilizado para la obtención del gas de síntesis a través de varias tecnologías como el reformado de vapor de agua, Oxidación parcial POX, Reformado autotérmico o el Reformado combinado, en la cual cada una de estas tecnologías tiene un fin, que es la producción de Gas de síntesis (diversas mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno), el cual es utilizado para fabricar productos químicos. Sin embargo la aplicación más importante del gas de síntesis es la preparación del amoniaco (NH3), logrado a través del método de Haber cuyo método consiste en la reacción de nitrógeno e hidrógeno con la ayuda de un catalizador, después de la producción de amoniaco, la segunda aplicación en importancia del gas de síntesis es la obtención de metanol.
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INDICE DE CONTENIDO pág. Índice de figuras………………………………………………………………………5 Índice de tablas………………………………………………………………………..6 Índice de anexos……………………………………………………………………....7 Introducción………………………………………………………………………..….8 El gas natural………………………………………………………………………….9 Definición del gas natural…………………………………………………………....12 Clasificación del gas natural respecto a su composición y propiedades fisicoquímicas………………………………………………………………………..13 Procesamiento del gas natural………………………………………………...……..13 Productos comerciales que se obtienen del gas natural y sus principales usos……...14 Gas pobre………………………………………………………………….....14 LNG……….……………………………………………………….……...…14 Tipo de procesamientos……………………………………………………………...16 Procesos para la extracción de productos comerciales………………………....…....17 El gas como materia prima de la petroquímica…………………………………..….18 Metano (gas natural)……………………………………………………………..…..21 Etano (olefinas ligeras)………………………………………………………………22 Productos derivados del etileno………………………………………………...……23 Naftas aromáticas…………………………………………………………………….25 Principales productos…………………………………………………………...……29 Energía vs combustible………………………………………………………………30 Propiedades de la energía………………………………………………..…………..31 Características del combustible……………………………………………………...32 Combustible como fuente de energía………………………………………..………33 Combustibles sólidos……………………………………………………...…34 Combustibles fluidos………………………………………………………...34 Importancia del gas natural como combustible fósil……………………………...…36 Combustible eficiente…………………………………………………………..……38 3
Producción de gas de síntesis……………………………………………….……….39 Selección de la tecnología para la generación de gas natural de síntesis…………....43 Reformado por vapor de agua………………………………………………………..43 Oxidación parcial (POX)…………………………………………………………….45 Reformado autotérmico………………………………………………………..…….47 Reformado por combinación o por dos etapas………………………...…………….50 Comparación de cada tecnología…………………………………………………….51 Síntesis del amoniaco………………………………………………………………..55 Síntesis del metanol……………………………………………………………….…56 Proceso lurgi……………………………………………………………………..…..58 Reforming ……………………………………………………………………...……59 Síntesis………………………………………………………………………….……60 Destilación………………………………………………………………………...…60 Proceso ICI…………………………………………………………………………..61 Ammonia-casale……………………………………………………………………..61 Topsee……………………………………………………………………………..…61 Interpretaciones………………………………………………………………………62 Glosario de términos………………………………………………………………....79 Referencias bibliográficas………………………………………………….………..82 Anexos……………………………………………………………………………….83
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INDICE DE FIGURAS pág.
Figura 1. Aporte total en energía primaria según tipo de energía……..……………..9 Figura 2. Etapas del procesamiento del Gas Natural………………………………..18 Figura 3. Gas Natural como materia prima de la petroquímica……………………..19 Figura 4. Parafinas Normales…………………………………………………...…..21 Figura 5. Olefinas………………………………………………………………...…23 Figura 6. Aromáticos………………………………………………………….…….25 Figura 7. Diagrama de flujo de una planta de Gasificación………………..……….46 Figura 8. Reformado autotérmico…………………………………………………...49 Figura 9. Reformado por Combinación ó de dos etapas……………………….……51 Figura 10. Diagrama de Flujo del Proceso………………………………………….54 Figura 11. Esquema para la obtención del amoniaco…………………………...…..56 Figura 12. Diagrama de flujo síntesis del metanol………………………………….58
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INDICE DE TABLAS pág. Tabla 1. Componentes del Gas Natural (ENAGAS, 2011)………………………....12 Tabla 2. Composición porcentual del Gas Natural de acuerdo a su clasificación (ENAGAS, 2011)…………………………...……………………………………….13 Tabla3. Petroquímicos básicos y no básicos………………………………………...20 Tabla 4. Principales Derivados del Metano………………………………………....22 Tabla 5. Derivados del etano………………………………………………………..24 Tabla 6. Derivados de las Naftas……………………………………………………26 Tabla 7. Productos Principales………………………………………………………27 Tabla 8. Comparación de Tecnologías para la generación de gas de síntesis……....52
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INDICE DE ANEXOS Pág. Anexo 1. Separador bifásico horizontal…………………………………………….68 Anexo 2. Ubicación de las refinerías en Venezuela………………………………...68 Anexo 3. Hidrotratamiento de naftas………………………………………………..69 Anexo 4. Gas de síntesis……………………………………………………………..69 Anexo 5. Proceso de Lurgi…………………………………………………………..70 Anexo 6. Combustibles sólidos……………………………………………………...70 Anexo 7. Ubicación de los complejos petroquímicos en Venezuela…...……………71 Anexo 8. Proceso de extracción del gas natural…………………………………..…71 Anexo 9. Estructura del metanol…………………………………………………… 72 Anexo 10. Productos petroquímicos producidos a partir del gas natural…………...72
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INTRODUCCIÓN La historia de la producción del gas natural en Venezuela tiene sus inicios en 1918. La producción del mismo ha estado sujeta a la producción del petróleo. Su uso está dirigido principalmente al sector petrolero: reinyección en el yacimiento como método de recuperación secundaria y levantamiento artificial de gas, proceso de desulfuración, entre otros. El resto para el consumo, va dirigido al sector no petrolero: mercado interno como el sector petroquímico, siderúrgico, cemento, aluminio, eléctrico, comercial
y residencial. Por lo tanto el manejo, tratamiento,
acondicionamiento, transporte, distribución, comercialización y mercadeo del gas natural y sus líquidos son operaciones que han experimentado avances tecnológicos significativos en las últimas cuatro décadas. En casi todos los países productores de petróleo y de gas de los yacimientos petrolíferos o de yacimientos gasíferos solamente, el volumen de gas producido representa una substancial contribución como fuente de energía, cuya importancia resalta al calcular su equivalencia a barriles de petróleo. En la actualidad el Gas Natural es, dentro del sector energético, el combustible de mayor crecimiento en el mundo por las ventajas que ofrece su uso industrial, siderúrgico, petroquímico, doméstico y como fuente generadora de electricidad. La energía es esencial para lograr el anhelado desarrollo industrial y su importancia supera, en muchos casos, a la materia prima. No hay sector de nuestra economía que no pueda ser beneficiado con el gas natural. La agricultura, la minería, el transporte, la generación eléctrica, la siderurgia, la petroquímica, este último permite aprovechar al máximo las ventajas del gas natural. A continuación se presentara de manera detallada el gas como materia prima de la Petroquímica, la producción del gas de síntesis, así como las tecnologías utilizadas para dicha producción. Igualmente se diferenciara los términos energía y combustible y la síntesis del metanol y el amoniaco, siendo este último un importante material para la generación de muchos productos.
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EL GAS NATURAL El gas natural es una fuente de energía primaria de gran importancia en el escenario energético mundial. Ésta ha asumido el mayor avance en las últimas décadas. Actualmente es la segunda fuente de energía de mayor demanda luego del petróleo, representando la quinta parte del consumo de energía en el mundo. Muchos lo consideran como el combustible del futuro debido a las ventajas ambientales y económicas que éste tiene frente a otros, resultando así de gran interés su explotación para muchos países. De acuerdo a la Agencia Internacional de Energía o IEA por sus siglas en inglés, el gas natural en el año 1997 representaba el 22% de la producción de energía mundial y para el año 2020 se estima que represente un 26%., tal como se observa en la figura 1.
Figura 1. Aporte total en energía primaria según tipo de energía. Fuente: World Energy Outlook 2000, International Energy Agency
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DEFINICIÓN DE GAS NATURAL El gas se refiere a un fluido homogéneo de baja densidad y viscosidad el cual no tiene volumen definido. El gas natural generalmente es una mezcla gaseosa incolora e inodora, que tiene presentes compuestos hidrocarburos y no-hidrocarburos. Los compuestos de hidrocarburos o también conocidos como parafínicos, constituyen por lo general el 90% de la mezcla y estos son: metano (CH₄), etano (C₂H₆), propano (C₃H₈), normal butano (nC₄H₁₀), normal pentano (nC₅H₁₂), iso-pentano (iC₅H₁₂), hexano (C₆H₁₄) y heptano plus (C₇₊). Los componentes de gases no-hidrocarburos también referidos como impurezas, son: dióxido de carbono (CO₂), sulfuro de hidrógeno (H₂S), nitrógeno (N₂), así como vapor de agua y helio (He) en algunos casos; estos compuestos representan el 10% de la mezcla. El gas natural es encontrado en yacimientos donde la temperatura se encuentra por encima de la temperatura crítica. Existen tres clasificaciones de yacimientos de gas:
Gas Condensado: Se considera que el gas que a condiciones de yacimiento es un fluido monofásico, pero a determinadas condiciones de presión y temperatura se convierte en un fluido bifásico (gas y líquido) lo que es conocido como condensación retrograda. La temperatura de yacimiento se encuentra entre la crítica y la cricondentérmica.
Gas Seco: Es aquel en donde tanto a condiciones (presión y temperatura) de yacimiento como de superficie el hidrocarburo no condensa. Su presión inicial excede la temperatura cricondentérmica, y el gas se genera debido a un proceso de expansión.
Gas Húmedo: Este tipo de yacimiento es aquel donde la temperatura de yacimiento excede la cricondentérmica y el fluido en el yacimiento permanece en
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fase gaseosa, sin embargo al producir, la temperatura y la presión de gas disminuye, lo que hace que el gas entre en una región bifásica en donde este condensa en superficie.
Además de esta clasificación de yacimientos existe otra, que es la clasificación según su origen:
Yacimiento de Gas Asociado: Es aquel donde el gas se encuentra disuelto en el petróleo y por lo tanto la producción de gas está vinculada a la producción del petróleo. En este tipo de yacimientos por lo general el gas producido es usado para la reinyección en los pozos, por razones de manejo de volúmenes y además para mantener las presiones en el yacimiento.
Yacimiento de Gas No Asociado: Es definido como yacimiento de gas libre, o aquel que posee una porción de líquidos muy reducida, un ejemplo de esto son los yacimientos de gas condensado.
En la tabla 1, realizada con información suministrada por el Ente Nacional del Gas (ENAGAS), se observa la composición del gas y el estado físico de cada uno de los componentes, además de la diferenciación porcentual de los componentes cuando el gas es procedente de gas asociado o gas no asociado.
Componentes
Nomenclatura
Estado Natural
Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Nitrógeno Gas Carbónico Sulfuro de
CH₄ C₂H₆ C₃H₈ C₄H₁₀ C₅H₁₂ C₆H₁₄ C₇H₁₄ N₂ CO-CO₂ H₂S
Gaseoso Gaseoso Gaseoso Gaseoso Líquido Líquido Líquido Gaseoso Gaseoso Gaseoso
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Gas No asociado Composición (%) 55-98 0,1-20 0,05-12 0,01-0,8 0,01-0,8 0,01-0,5 0,01-0,4 0,1-5 0,2-30 Trazas-28
Gas Asociado Composición (%) 60-80 10-20 5-12 2-8 1-3 0,01-0,5 0,01-0,4 0,1-5 0,2-30 Trazas-28
Hidrógeno Hidrógeno Oxígeno Agua Helio
H₂ O₂ H₂O He
Gaseoso Gaseoso Gaseoso Gaseoso
Trazas-24 0,09-30 Trazas Trazas-4
Trazas-24 Trazas Trazas Trazas-4
Tabla 1. Componentes del Gas Natural (ENAGAS, 2011)
CLASIFICACIÓN DEL GAS NATURAL RESPECTO A SU COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS De acuerdo a los componentes que se encuentran presentes en el Gas Natural recibe una denominación específica, que indica de manera cuantitativa la composición de la mezcla. Es necesario hacer esta diferenciación, ya que de acuerdo a los componentes existentes, el gas puede ocasionar problemas tanto desde el punto de vista operacional, como de procesamiento y requerirá diferentes tratamientos para su manejo. La clasificación es la siguiente:
Gas Agrio: Es el que posee altos contenidos de CO₂ y derivados del azufre (sulfuro de hidrógeno, mercaptanos, sulfuros y disulfuros). Posee más de 4 ppmv de H₂S.
Gas Dulce: Es aquel que posee bajos contenidos de CO₂ y derivados de azufre. Este se obtiene por procesos de endulzamiento. Posee menos de 4 ppmv de H₂S.
Gas Húmedo: Gas con un contenido de humedad mayor a 112,11 mg de agua por m³ de gas.
Gas Seco: Gas con un contenido de humedad menor a 112,11 mg de agua por m³ de gas.
Gas Rico: Gas con un contenido significativo de compuestos más pesados que el etano.
Gas Pobre: Contiene pocas cantidades de propano y compuestos más pesados.
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En la tabla 2 presentada a continuación se observa la composición porcentual de etano, sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, de acuerdo al tipo de gas.
Denominación Componentes Etano H₂S CO₂
Gas Dulce Seco Gas Asociado >10% >1% >2%
Gas Acido Seco >10% <1% <2%
Gas Dulce Gas Acido Húmedo Húmedo Gas No Asociado <10% <10% >1% <1% >2% <2%
Tabla 2. Composición porcentual del Gas Natural de acuerdo a su clasificación (ENAGAS, 2011)
PROCESAMIENTO DEL GAS NATURAL Se define procesamiento como una actividad cuyo objetivo principal consiste en separar y fraccionar los componentes hidrocarburos del gas, a través de cualquier proceso físico, químico o físico-químico, es decir, que el objetivo principal de esta etapa consiste en obtener los componentes que conforman el gas, siendo este una materia prima, a través de un proceso de transformación.
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PRODUCTOS COMERCIALES QUE SE OBTIENEN DEL GAS NATURAL Y SUS PRINCIPALES USOS A continuación se mencionan los principales productos que se obtienen del procesamiento del gas natural y los diferentes tipos de usos y sectores de consumo de cada uno de esos.
Gas Pobre:
Anticongelante
Combustible para vehículos
Desinfectantes
Fertilizantes
Fumigantes
Materia para la fabricación de textiles
Tintas
LGN: Este tiene diversos usos como combustible para automóvil o autogas, combustible para refinerías y combustible doméstico, que se distribuye a través de bombonas o redes de distribución. Los usos en el sector industrial son los siguientes:
Generación de electricidad (alimentación de centrales eléctricas).
En los hornos de fabricación de cemento.
Fábricas de vidrio, textiles y alimentos.
Pulpas de papel.
Siderúrgica (obtención de hidrógeno y monóxido de carbono requeridos en procesos de reducción del hierro).
En el sector de la industria petroquímica el GLP es usado para obtener:
Etano: 14
- Cremas y perfumes - Detergentes - Filtros y envolturas para cigarros - Líquidos para frenos y amortiguadores - Materia para la fabricación de textiles - Partes automotrices - Plástico - Pinturas y esmaltes - Resinas - Tuberías
Gasolina Natural o Nafta:
- Adhesivos y pinturas - Bolsas - Cauchos - Cosméticos - Elastómeros - Insecticidas - Materias para la fabricación de textiles - Plásticos - Poliuretanos - Productos farmacéuticos - Resinas
Propano:
- Acrílicos - Partes automotrices - Pinturas y esmaltes - Productos sintéticos - Tuberías Otro de los usos en la industria petrolera del gas es para los procesos de desulfuración, es decir, retirar el contenido de azufre en el crudo. También se usa en
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campo para la generación eléctrica de plantas compresoras, refinerías y otras instalaciones de la industria. Como se puede observar el Gas Natural tiene múltiples usos, compitiendo con otras formas de generación de energía, ya que posee una serie de ventajas como la baja contaminación ambiental; un barril de petróleo equivalente de gas produce 87 Kg de CO₂, un barril de petróleo produce 104 Kg de CO₂ y uno de carbón 157 kg de CO₂, lo que lo hace una forma de energía más limpia que el petróleo y el carbón.
El procesamiento del gas además de la finalidad de obtención de productos de valor comercial como los mencionados anteriormente, tiene la finalidad de eliminar impurezas contenidas en el Gas Natural como los sólidos, gases ácidos, agua, y el H₂S, ya que son corrosivos y pueden ser altamente contaminantes. Los estándares de calidad del gas los rigen las empresas ambientales, distribución, almacenamiento, transporte y re-inyección, en donde debería entrar a ejercer su función un ente regulador para que estos estén satisfechos. Uno de los problemas que ocasiona el contenido de agua y H₂S, es la precipitación de sólidos y la formación de hidratos.
TIPOS DE PROCESAMIENTO
Existen dos tipos de procesamiento, el que se realiza directamente en campo y el que se realiza para la extracción de los productos comerciales. Del procesamiento realizado en campo, es decir, directamente después de la extracción del gas, existen las siguientes etapas:
Separación: Se refiere al proceso en donde se somete el gas a los procesos de separación de líquidos (petróleo, condensado y agua) en recipientes metálicos a presión llamados separadores, según PDVSA, 2005.
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Endulzamiento: En este proceso va dirigido hacia la remoción del H₂S y el dióxido de carbono del Gas Natural.
Deshidratación: Consiste en la remoción de agua del gas.
Control del punto de rocío: Este proceso consiste en regular las condiciones de presión y temperatura del gas, para evitar la condensación de hidrocarburos.
PROCESOS PARA LA EXTRACCIÓN DE PRODUCTOS COMERCIALES
Plantas criogénicas: Su función es recobrar los líquidos, disminuyendo la temperatura del gas a temperaturas criogénicas que se encuentran entre -100 a 150°F.
Plantas de fraccionamiento: Es el proceso mediante el cual se trata la mezcla líquida que se obtiene del proceso de criogenización, para extraer productos más puros como el etano, propano y la nafta.
En la figura 2, elaborada con información de Petróleos Mexicanos (PEMEX), se muestran las diferentes etapas del procesamiento del Gas Natural, inicialmente se observa la fuente del gas natural, si es extraído de yacimientos de gas asociado o no asociado y prosiguen cinco etapas; la primera etapa se basa en el proceso de separación, en la cual los productos son gas agrio y petróleo de los yacimientos procedentes de gas asociado y gas agrio de los yacimientos de gas no asociados. La segunda etapa consta de los procesos de endulzamiento, separación de agua y gases ácidos (H₂S y CO₂). La tercera etapa es el proceso de recuperación de azufre a través de reacciones térmicas y catalíticas, el azufre que se obtiene de este proceso es comercializado en el mercado. La cuarta etapa es el proceso de recuperación de productos licuables y la separación de hidrocarburos líquidos mediante procesos criogénicos, donde se obtiene el gas pobre (gas metano), que es uno de los productos para la venta. Finalmente, la quinta etapa es el fraccionamiento de los hidrocarburos, 17
de estos se obtiene los productos para la comercialización (el etileno, propileno y gasolina natural o naftas).
Figura 2. Etapas del procesamiento del Gas Natural Fuente: Petróleos Mexicanos (PEMEX)
EL GAS COMO MATERIA PRIMA DE LA PETROQUÍMICA
El gas seco, húmedo o condensado, a través de tratamientos adecuados, sirve de insumo para la refinación y petroquímica, donde por medio de plantas especialmente diseñadas se hacen recombinaciones de las moléculas de los hidrocarburos para obtener materia prima semielaborada para una cadena de otros procesos o productos finales para los mercados. El gas natural separado del petróleo (gas asociado) y el gas libre (no asociado) procedente de yacimientos de gas, solo es tratado y acondicionado para obtener gas
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seco de ciertas especificaciones: metano, que se despacha por gasoducto y red de distribución a ciudades y centros industriales donde se utiliza como combustible.
El gas, sujeto a procesos y tratamiento adecuados y separados en metano, etano, propano y butano, puede ir finalmente a las plantas petroquímicas para ser convertido ulteriormente en una variedad de productos semielaborados o finales. De igual manera puede ser enviado a las refinerías, donde sus moléculas son desintegradas térmicamente y, con extracciones adicionales derivadas de los crudos allí refinados, son enviadas a las plantas petroquímicas. A su vez, las plantas petroquímicas pueden enviar productos a las refinerías. En la Figura 3. Se ve que además de ser utilizado en las propias operaciones de los yacimientos que lo producen y en las instalaciones de campo, el gas natural asociado con el petróleo y el libre son materias primas importantes para las refinerías y la industria petroquímica
Figura 3. Gas Natural como materia prima de la petroquímica.
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La función de la industria petroquímica, es transformar el gas natural y algunos derivados del petróleo en materias primas, las cuales representan la base de diversas cadenas productivas.
Las principales cadenas petroquímicas son: 1. Metano. (Gas natural) 2. Etano (olefinas ligeras) 3. Naftas (aromáticos) La industria petroquímica es una plataforma fundamental para el crecimiento y desarrollo de importantes cadenas industriales como son la textil y del vestido; la automotriz y del transporte; la electrónica; la de construcción; la de los plásticos; la de los alimentos; la de los fertilizantes; la farmacéutica y la química, entre otras. Dado el valor que tiene esta industria como primer eslabón de importantes cadenas productivas como se observa en la tabla 3, es imprescindible que se fortalezca y pueda así abastecer oportunamente a la industria nacional con los insumos que ésta requiere.
Tabla3. Petroquímicos básicos y no básicos
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Metano (Gas Natural)
El metano es el elemento constitutivo del gas natural, y que se contrapone a los gases artificiales empleados como combustibles. Este contiene elementos orgánicos importantes como materias primas para la industria petrolera y química. Su capacidad para combinarse con otros compuestos hidrocarbonados arroja como resultado el hecho de que buena parte del volumen de producción del gas natural se licue en gasolina o sea tratado para formar gas licuado de petróleo (GLP). No produce mugre ni hollín, por lo tanto los equipos de manejo no necesitan mantenimiento especial. Puede manejarse a presiones deseadas por ser volumétricamente susceptible a la compresión o expansión dependiendo de la temperatura. Por estas cualidades, de él se derivan una cantidad de productos mencionados en la tabla 4. Y en la figura 4. Se pueden ver los diferentes elementos parafinados.
Figura 4. Parafinas Normales Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=n0ebp513aeor6m&tbnid=7oyumt6fkkbtpm:&ved=0cauqjr w&url=http%3a%2f%2ftuamigoelpetroleo.blogspot.com%2f&ei=_bwbu6wpioznsqs2 mikicw&bvm=bv.67720277,d.aww&psig=afqjcneomozbpe8fqq1urujxwdaktakiuq&u st=1401055097985036.
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Tabla 4. Principales Derivados del Metano. Fuente: http://www.energia.gob.mx/webSener/res/86/Petroquimica_final.pdf
ETANO (OLEFINAS LIGERAS)
Se obtiene de los líquidos del gas natural, de las naftas, de los gasóleos y del metano. La preferencia de una de estas fuentes depende de las posibilidades y confiabilidad del suministro y del precio en la tabla 5 se observa sus derivados.
De los derivados del etileno se confeccionan diariamente una casi inagotable serie de artículos que se utilizan en todas las actividades de la vida moderna. Esta prodigiosidad del etileno ayuda a conservar muchos otros recursos minerales y
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vegetales que antes constituían las fuentes principales para la obtención de esos artículos. Además, tanto la abundancia del gas y de los derivados del petróleo como la tecnología moderna de la manufactura de plásticos y otros artículos a partir del etileno, han permitido que los precios de todos esos artículos sean más asequibles a la totalidad de la población mundial. Las olefinas o también llamados alquenos son hidrocarburos insaturados que tienen un doble enlace y tiene enlaces sigma y pi tal como se ilustra en la figura 5.
Figura 5. Olefinas fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=& cad=rja&uact=8&docid=twgdyagaadntim&tbnid=ge_matpwkr90sm:&ved=0cauqjrw &url=http%3a%2f%2fwww.imp.mx%2fpetroleo%2f%3fimp%3dcomp&ei=brebu7ly ce_gsasezyloba&bvm=bv.67720277,d.aww&psig=afqjcng1xyxpejzvf0fnrxtdibjv0ny b0a&ust=1401055362639137
PRODUCTOS DERIVADOS DEL ETILENO
El etileno (C2H4) es una olefina que sirve como materia prima para obtener una enorme variedad de productos petroquímicos. La doble ligadura olefínica que contiene la molécula nos permite introducir dentro de la misma muchos tipos de heteroátomos como el oxígeno para hacer óxido de etileno, el cloro que nos proporciona el dicloroetano, el agua para darnos etanol, entre otros. Asimismo
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permite unir otros hidrocarburos como el benceno para dar etilbenceno, y otras olefinas útiles en la obtención de polímeros y copolímeros del etileno.
Tabla 5. Derivados del etano Fuente: El Pozo Ilustrado (1988)
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NAFTAS (AROMÁTICOS)
El benceno se obtiene a partir de las reformadoras de nafta, de la desintegración térmica con vapor de agua de la gasolina, de las plantas de etileno y por desalquilación del tolueno en la figura 6 se tienen algunos compuestos aromáticos.
Figura 6. Aromáticos Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=TwgdyAGaAdNTiM&tbnid=HgUyN1nK2OOsGM:&ved =0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.imp.mx%2Fpetroleo%2F%3Fimp%3Dco mp&ei=6ReBU5HyHPTHsAT64YGgDA&bvm=bv.67720277,d.aWw&psig=AFQjC NFVckA2smdpaLps6mUQvmzQTWTpAQ&ust=1401055590428911
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Tabla 6. Derivados de las Naftas. Fuente: El Pozo Ilustrado (1988)
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PRINCIPALES PRODUCTOS
A continuación se presenta una Tabla 7. Que muestra los diferentes productos derivados de las cadenas petroquímicas.
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Tabla 7. Productos Principales Fuente: http://www.energia.gob.mx/webSener/res/86/Petroquimica_final.pdf
ENERGÍA VS COMBUSTIBLE
Antes de analizar y comparar
los términos de energía y combustible es
importante conocer sus definiciones. Primero, se define a la energía como la capacidad de realizar trabajos, fuerzas, movimientos; no podemos verla, solo descubrimos sus efectos. Es lo que permite que suceda casi todo en el universo: La vida, una luz, una corriente eléctrica, la carrera de un auto, una llama, un ruido o el viento. La ley de la conservación de la energía dice que esta no se pierde sino que se transforma, no se puede crear ni destruir, y cuando creemos que desaparece solo se ha convertido en otra forma de energía. Es relevante hacer notar, sin embargo, que el
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concepto “energía” es relativamente reciente. Los primeros intentos de definir una magnitud similar a la energía, estaría regida por una ley de conservación.
PROPIEDADES DE LA ENERGÍA
Entre las principales propiedades del concepto de energía, conviene destacar las siguientes: • La energía es una magnitud escalar. No está asociada a ninguna dirección. • La energía es una magnitud física que caracteriza un cierto estado de un cuerpo o de un campo. Diremos que tal o cual cuerpo posee o tiene tanta energía, o que este campo eléctrico o gravitatorio almacena tanta cantidad de energía o que aquella onda transporta tanta energía. En este sentido se parece al concepto de masa. A diferencia de la masa, sin embargo, la cantidad de energía que posee un cuerpo puede variar con mucha facilidad. • La energía se puede presentar en una gran variedad de formas. Es decir, existe un gran número de tipos de energía: energía mecánica, energía eléctrica, energía química, energía atómica, energía nuclear, energía luminosa, energía acústica, entre otros. • La energía se puede transformar de un tipo en otro. De hecho, son precisamente las transformaciones de energía los procesos más dignos de estudio y de mayor importancia práctica. • La energía se puede transferir de un cuerpo a otro: es decir, un cuerpo puede ceder parte de su energía a otro cuerpo.
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•
En todas las transformaciones de energía de un tipo a otro y en todas las
transferencias de energía de un cuerpo a otro, la energía total se conserva. Esta es la propiedad más importante de la energía. Ya aclarado el concepto de energía se procede ahora a definir el término Combustible.
El Combustible se define como cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor, es decir, supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energía térmica) o energía mecánica (motores térmicos) dejando como residuo calor (energía térmica), dióxido de carbono y algún otro compuesto químico.
CARACTERÍSTICAS DEL COMBUSTIBLE
La principal característica de un combustible es el calor desprendido por la combustión completa una unidad de masa (kilogramo) de combustible, llamado poder calorífico, se mide en joules por kilogramo, en el sistema internacional.
Otra característica de los combustibles, en ciertos casos muy importantes, es la llamada temperatura de ignición, o temperatura a la que se desencadena la reacción de combustión.
Ya aclarado los dos conceptos se puede decir que tanto la energía como el combustible son términos diferentes pero que están estrechamente relacionados. Ya
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que a partir del combustible podemos obtener la energía. Es decir, el combustible es una fuente de energía, ósea que la energía es aquello por lo cual pagamos cuando compramos combustible.
Por ejemplo cuando compramos gasolina, carbón o leña, lo que nos interesa, y lo que realmente pagamos, no son los productos que quedan después de la combustión (dióxido de carbono, agua, cenizas, entre otros) sino algo muy diferente, algo que usamos para hacer funcionar el automóvil, para hacer andar un tren, entre otros. Ese algo es energía. Otro combustible de particular interés son los alimentos. Ingerimos alimentos para obtener la energía que éstos pueden proporcionarnos. Energía que necesitamos para movernos, para trabajar y estudiar.
Podemos decir que la energía solar es el origen de todas las demás, ya que el viento, la lluvia, los alimentos, los combustibles, entre otros, no existirían sin la energía que recibimos del Sol.
COMBUSTIBLE COMO FUENTE DE ENERGÍA
Una fuente de energía es un recurso natural, así como la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial y económico del mismo. La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo final sino un bien intermedio para satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios.
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Las fuentes de energía son elaboraciones naturales más o menos complejas de las que el ser humano puede extraer energía para realizar un determinado trabajo u obtener alguna utilidad. Por ejemplo el viento, el agua, el sol, entre otros. Existen varios tipos de combustibles, están los:
Combustibles sólidos: se incluyen el carbón, la madera y la turba. El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción).
Combustibles fluidos: se encuentran los líquidos como el gasóleo, el queroseno o la gasolina (o nafta) y los gaseosos, como el gas natural o los gases licuados de petróleo (GLP), representados por el propano y el butano. Las gasolinas, gasóleos y hasta los gases, se utilizan para motores de combustión interna. El petróleo en mucha ocasiones aparecen a grandes bolsas de gas natural que aún no se ha disuelto en el petróleo. Recién traído del yacimiento, el petróleo crudo no tiene aplicación comercial, por lo que es necesario someterlo a un proceso de destilación fraccionada en refinerías, para sepa en distintas partes en función de su punto de ebullición.
El gas natural es una de las varias e importantes fuentes de energía no renovables formada por una mezcla de gases ligeros que se encuentra en yacimientos de petróleo, disuelto o asociado con el petróleo. Aunque su composición varía en función del yacimiento del que se saca, está compuesto principalmente por metano en cantidades que comúnmente pueden superar el 90 o 95 % , y suele contener otros gases como nitrógeno, ácido sulfhídrico, helio y mercaptanos. Como fuentes adicionales de este recurso natural, se están investigando los yacimientos de hidratos de metano que, según estimaciones, pueden suponer una reserva energética muy superiores a las actuales de gas natural.
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Puede obtenerse también con procesos de descomposición de restos orgánicos (basuras, vegetales - gas de pantanos) en las plantas de tratamiento de estos restos (depuradoras de aguas residuales urbanas, plantas de procesado de basuras, de desechos orgánicos animales, entre otros). El gas obtenido así se llama biogás.
Algunos de los gases que forman parte del gas natural cuando es extraído se separan de la mezcla porque no tienen capacidad energética (nitrógeno o CO2) o porque pueden depositarse en las tuberías usadas para su distribución debido a su alto punto de ebullición. Si el gas fuese criogénicamente licuado para su almacenamiento, el dióxido de carbono (CO2) solidificaría interfiriendo con el proceso criogénico. El CO2 puede ser determinado por los procedimientos ASTM D 1137 o ASTM D 1945.
El propano, butano e hidrocarburos más pesados en comparación con el gas natural son extraídos, puesto que su presencia puede causar accidentes durante la combustión del gas natural. El vapor de agua también se elimina por estos motivos y porque a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente y presiones altas forma hidratos de metano que pueden obstruir los gasoductos. Los compuestos de azufre son eliminados hasta niveles muy bajos para evitar corrosión y olores perniciosos, así como para reducir las emisiones de compuestos causantes de lluvia ácida. La detección y la medición de H2S se pueden realizar con los métodos ASTM D2385 o ASTM D 2725 . Para uso doméstico, al igual que al butano, se le añaden trazas de compuestos de la familia de los mercaptanos entre ellos el metil-mercaptano, para que sea fácil detectar una fuga de gas y evitar su ignición espontánea.
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IMPORTANCIA DEL GAS NATURAL COMO COMBUSTIBLE FÓSIL
Entre las alternativas energéticas, el gas natural es reconocido como una energía noble por su eficiencia, limpieza y precios competitivos. Es el combustible que menos contamina, calienta con rapidez y no necesita almacenaje previo, por lo que proporciona un elevado grado de confort en los hogares.
En la industria, la calidad de su llama, regular y sin impurezas, permite numerosas aplicaciones. Su combustión hace posible una mejor regulación de la temperatura en las cámaras de combustión de una extensa gama de equipos, así como su aplicación directa en el tratamiento de múltiples productos. Por su alto contenido en hidrógeno, el gas natural es la materia prima más utilizada en la producción de amoniaco para fertilizantes, así como en otras aplicaciones petroquímicas.
Como combustible es utilizado en la totalidad de los sectores industriales que demandan energía térmica. Las aplicaciones industriales más destacadas son la generación de vapor, cocción de productos cerámicos, alimentarios, tratamientos térmicos, procesos de secado directo, sistema de calefacción, generación electrónica y hornos de fusión. La composición química del gas natural es la razón de su amplia aceptación como el más limpio de los combustibles fósiles. En efecto, la mayor relación hidrógeno/carbono en la composición del gas natural, en comparación con la de otros combustibles fósiles, hace que en su combustión se emita menos CO2 por unidad de energía producida.
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La combustión del gas natural, compuesto principalmente por metano (CH4), produce un 25% menos de CO2 que los productos petrolíferos y un 40% menos de CO2 que la combustión del carbón por unidad de energía producida. Se atribuye al CO2 el 65% de la influencia de la actividad humana en el efecto invernadero, y al CH4 el 19% de dicha influencia.
La mayor parte del CO2 emitido (75% - 90%) es producido por la combustión de combustibles fósiles. Sin embargo, las emisiones de metano son producidas en su mayoría por la ganadería y la agricultura, los vertederos, las aguas residuales, y las actividades relacionadas con los combustibles fósiles. A las empresas que distribuyen gas natural les corresponde menos del 10% de las emisiones de metano a la atmósfera, cifra que cada año se va reduciendo por las medidas que han adoptado las empresas como renovación de tuberías antiguas, recuperación de venteos de gas, entre otros. De este modo, el gas natural es el combustible fósil que emite menos CO2 por unidad de energía producida. Por tratarse de un gas, su mezcla con aire y posterior combustión es más fácil que con otros combustibles fósiles y la ausencia de partículas y compuestos corrosivos de azufre, facilitan la recuperación del calor residual y, por tanto, las eficacias de su utilización. Además, las reservas de gas natural son abundantes, y su transporte y distribución mediante tuberías enterradas hacen que su impacto sobre el paisaje sea mínimo.
Por su rendimiento y baja emisión de contaminantes, el gas natural es especialmente apropiado para la generación de electricidad y cogeneración, uso de calderas y hornos industriales, automoción, climatización y otros usos en los sectores comercial y doméstico.
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Su rendimiento energético es elevado lo que permite una mayor producción de energía con menor cantidad de combustible.
Por otra parte, es importante destacar la relación que existe entre la energía requerida para extraer y procesar una fuente energética y la energía que al final se obtiene de ella, de ésta relación surge la energía neta. A mayor consumo de energía en los procesos que permitirán aprovechar esta fuente energética, menor será la energía neta proporcionada por esa fuente a los distintos sectores de consumo; pero además el costo y la contaminación serán mayores. La energía neta del gas natural es mucho mayor que la gran mayoría de las otras fuentes energéticas primarias en el mundo, incluyendo el petróleo, y es mucho más amigable con el ambiente. Por lo que se recomienda hacer una evaluación desde una perspectiva ambiental del desarrollo de fuentes de energía sustentables localizadas en Venezuela.
COMBUSTIBLE EFICIENTE Como combustible, ofrece ventajas que sobrepasan las características, disponibilidad, eficiencia y manejo de otros combustibles y líquidos. • Es limpio. No produce hollín ni mugre. Por lo tanto, los equipos en que se usa como combustible no requieren mantenimiento especial. • Puede manejarse a presiones deseadas de entrega en los sitios de consumo. • Su poder calorífico y combustión son altamente satisfactorios. • Volumétricamente es susceptible a la compresión o expansión, en función a la relación presión-temperatura que se le desee imponer.
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• Puede ser transportado por sistemas de tuberías madres, troncales y ramales, especialmente diseñadas, que permiten mantener rangos de volúmenes a presiones deseadas Su entrega a clientes puede ser continua y directa a los artefactos donde debe consumirse, utilizando controles y reguladores, sin requerimientos de almacenaje en sitio o preocupación por volúmenes almacenados en el hogar, la oficina, el taller, la planta o fábrica. • La reversibilidad gas-líquido-gas lo hace apto para el envasado en pequeños y seguros recipientes, fáciles de manejar, transportar e instalar para suplir combustibles en sitios no servidos por red de tuberías de distribución. El gas licuado puede también transportarse en barcos, desde áreas remotas de producción y procesamiento a grandes terminales de almacenamiento que surten a industrias y a miles de clientes particulares. • Por su eficiencia y poder calórico, su costo por volumen es muy económico. • Las características de funcionamiento limpio y eficiente, su rendimiento y precio económico han logrado que cada día se expanda el mercado de Gas Natural para Vehículos (GNV). Se ha comprobado que como combustible el gas metano es muchísimo menos contaminante del ambiente que otros, como la gasolina y el Diésel
PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS
Las principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno, propileno y butenos) y la de los aromáticos. La cadena del gas natural se inicia con el proceso de reformación con vapor por medio del cual el metano reacciona catalíticamente con agua para producir el llamado gas de síntesis, que consiste en una mezcla de hidrógeno y óxidos de carbono. El descubrimiento de este proceso permitió la producción a gran escala de hidrógeno, haciendo factible la producción posterior de amoníaco por su reacción con nitrógeno, separado del aire. 39
El amoníaco es la base en la producción de fertilizantes. 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
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 Carbón + Agua CO + CO2 + H2
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.
También a partir de los componentes del gas de síntesis se produce metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter y teramil-metil-éter, componentes de la gasolina; otra aplicación es su uso como solvente en la industria de pinturas.
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La cadena del etileno se inicia a partir del etano recuperado del gas natural en las plantas criogénicas, el cual se somete a un proceso de descomposición térmica para producir etileno principalmente, aunque también se forma
hidrógeno, propano,
propileno, butano, butilenos, butadieno y gasolina pirolítica. Del etileno se producen un gran número de derivados, como las
diferentes clases de polietilenos cuyas
características dependen del proceso de polimerización; su aplicación se encuentra en la producción de plásticos, recubrimientos, moldes, entre otros.
Por otro lado, el etileno puede reaccionar con cloro para producir dicloroetano y posteriormente monómero de cloruro de vinilo, un componente fundamental en la industria del plástico, y otros componentes clorados de uso industrial. La oxidación del etileno produce óxido de etileno y glicoles, componentes básicos
para la
producción de poliéster, así como de otros componentes de gran importancia para la industria química, incluyendo las resinas PET (poli etilén tereftalato), actualmente usadas en la fabricación de botellas para refresco, medicinas, etc. El monómero de estireno, componente fundamental de la industria del plástico y el hule sintético, se produce también a partir del etileno, cuando éste se somete, primero a su reacción con benceno para producir etilbenceno y después a la deshidrogenación de este compuesto. El acetaldehído, componente básico en la producción de ácido acético y otros productos químicos, también se produce a partir del etileno.
Otra olefina ligera, el propileno, que se produce ya sea por deshidrogenación del propano contenido en el gas LP, como subproducto en las plantas de etileno o en las plantas de descomposición catalítica fluida FCC de refinerías, es la base para la producción de polipropileno a través de plantas de polimerización. Otro producto derivado del propileno y del amoníaco es el acrilonitrilo, de importancia fundamental en la industria de las fibras sintéticas.
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Del propileno se puede producir alcohol isopropílico de gran aplicación en la industria de solventes y pinturas, así como el óxido de propileno; otros derivados del propileno son el ácido acrílico, la acroleína, compuestos importantes en la industria del plástico.
Como derivado de la deshidrogenación de los butenos o bien como subproducto del proceso de fabricación del etileno, se obtiene el 1,3 butadieno, que es una materia prima fundamental en la industria de los elastómeros, llantas para toda clase de vehículos, juntas, sellos, etc. Una cadena
fundamental en la industria
petroquímica se basa en los aromáticos (benceno, tolueno y xilenos). La nafta virgen obtenida del petróleo crudo contiene
parafinas, nafténicos y aromáticos en el
intervalo de 6 a 9 átomos de carbono. Esta fracción del petróleo, después de un hidrotratamiento para eliminar
compuestos de azufre, se somete al proceso de
Reformación BTX, el cual promueve fundamentalmente las reacciones de ciclización de parafinas y de deshidrogenación de nafténicos, con lo cual se obtiene una mezcla de hidrocarburos rica en aromáticos. Estos componentes se separan, primero del resto de los hidrocarburos a través de un proceso de extracción con solvente, y después entre ellos, por medio de diversos esquemas de separación. En procesos ulteriores se ajusta la proporción relativa de los aromáticos a la
demanda del
mercado, por ejemplo, convirtiendo tolueno en benceno por hidrodealquilación, o bien en la isomerización de xilenos, para aumentar la producción de orto-xileno.
Otro proceso fundamental es la desproporcionalización de los aromáticos pesados para incrementar la producción de benceno, tolueno y xilenos. Una vez separados los aromáticos, se inicia la cadena petroquímica de cada uno de ellos. El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del nylon, así como del cumeno para la producción industrial de acetona y
fenol; el tolueno
participa de una forma importante en la industria de los solventes, explosivos y en la
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elaboración de poliuretanos. Los xilenos son el
inicio de diversas cadenas
petroquímicas, principalmente la de las fibras sintéticas.
SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA PARA GENERACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS.
La elección de la tecnología de Reformado influirá en la eficiencia térmica de la planta y en el costo (instalación) del reformador, planta de O2 (si es necesaria) y la sección de Fischer – Tropsch. Uno de los desafíos más grandes es la optimización de la energía de integración entre las secciones de generación y conversión de Syngas. Para convertir el gas natural (en su mayoría CH4) a Syngas (una mezcla de H2 y CO), se debe tener en cuenta las siguientes tecnologías de reformado.
1. REFORMADO POR VAPOR DE AGUA
El reformado con vapor es un método para la obtención de hidrógeno a partir de hidrocarburos, y en particular gas natural. Este proceso requiere de una gran cantidad de energía para realizar el reformado y en el caso de algunos combustibles, se necesita una remoción de contenidos de azufre y otras impurezas. Este proceso consiste en exponer al gas natural, de alto contenido de metano, con vapor de agua a alta temperatura y moderada presión. Se obtienen como resultado de la reacción química hidrógeno y dióxido de carbono, y dependiendo la mezcla reformada, también monóxido de carbono, este proceso tiene un rendimiento de 65%, y en el caso de que el gas natural contenga azufre, este debe ser eliminado mediante la desulfuración. El proceso se lleva a cabo mediante dos reacciones, la primera es la reacción de Water Gas Shift entre el agua y el metano: CH4 + 2 H2O → 4 H2 + CO2 43
Esta primera reacción de reformado tiene lugar entre 800–900° C a una presión de 25bar, obteniéndose un gas rico en dióxido de carbono e hidrógeno y, en menor cantidad, monóxido de carbono. Se elimina primeramente el monóxido por medio de las reacciones de cambio de alta a baja temperatura a 400 y 200 °C respectivamente y se produce una mezcla gaseosa de H2, CO2, H2O y un poco de CO y CH4. Después de esta etapa se realiza una última purificación, mediante el proceso Pressure Swing Adsorption (PSA), el cual permite obtener hidrógeno puro al 99.99%, cuyo contenido energético es mayor que del gas natural del cual precede.
Una de sus principales ventajas es la no utilización de una planta de O2. Sin embargo puesto que estos reformadores son más costosos que los POX y reformadores autotérmicos, existe un tamaño mínimo de planta sobre el cual la economía de escala de una planta criogénica de O2 en combinación con un POX ó reformador autotérmico es más barato que el reformador por vapor de agua:
Otras desventajas de este tipo de reformadores son:
Una relación de Syngas H2 / CO > 4, que se considera muy alta en comparación a la óptima requerida en la sección de F-T.
Conversión de CH baja debido a la operación a máxima temperatura.
Velocidad de consumo de agua muy alta.
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Recirculando el CO2 y removiendo el exceso de H2 a través de membranas puede ser disminuida la relación H / CO a niveles más aceptables en la sección de F-T. 2
Debido a que la conversión de CH es función de la presión de operación, se debe 4
disminuir esta para permitir el incremento de dicha conversión. Debido a los costos
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relacionados con estas etapas, el uso de reformadores de vapor será más apropiado cuando se tengan las siguientes condiciones:
Planta de GTL relativamente pequeña con una capacidad relativamente menor a 10000 bpd.
El exceso de h2 puede ser utilizado para la producción de metanol o amoniaco cuando el gas natural contiene elevado grado de CO2.
Cuando las cantidades de agua pueden ser obtenidas a bajo costo.
2. OXIDACIÓN PARCIAL (POX)
Las plantas de oxidación parcial se utilizan para formar hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua a partir de los residuos (hidrocarburos altamente viscosos, líquidos) del proceso de refinado. Los productos pueden utilizarse como gas de síntesis, gas combustible o alimentadores para la recuperación del oxígeno Figura 7. Un suministro de oxígeno individualizado para la oxidación parcial (POX) ofrece los siguientes beneficios:
Una reutilización de los residuos más limpia y eficaz
Una base económica más amplia en la refinería
Mayor flexibilidad a través de una gama de productos más amplia
Manipulación de compuestos de alimentación refinados con largo alcance.
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Figura 7. Diagrama de flujo de una planta de Gasificación Fuente: gas-de-síntesis-refinación-del-gas-PDF.
La combustión parcial no catalítica del CH4 produce Syngas con una relación H2 / CO < 2, la cual se considera cercana a la óptima requerida por la sección de F-T. Esta relación baja resulta de poca cantidad de vapor que es utilizado en el proceso
Debido a la ausencia de catalizador, el reformador opera a T>1400 °C. Estas temperaturas altas y la falta de catalizadores otorgan las siguientes desventajas a estos reformadores con relación a los autotérmicos:
Formación de hollín (carbonilo) y altos niveles de amoniaco y HCN (ácido cianhídrico) para los cuales se utilizará un scruber (absorbedor) para limpiar el gas.
Altos consumos de O
2
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Debido a la ausencia de la reacción gas-agua, el CH4 no convertido como el producido por las reacciones de F-T, no pueden ser recirculadas al reformador sin CO del gas de colas de eliminar el f-t 2
Dependiendo de la energía necesaria en la planta, el Syngas del reformador puede ser enfriado con agua o por la producción de vapor en un intercambiador de calor.
3. REFORMADO AUTOTÉRMICO
El reformado autotérmico es una combinación de la oxidación parcial (POX) y la de reformado por vapor (SR). La temperatura se regula usando el calor que genera la combustión como fuente de energía en la reacción de reformado con vapor de agua.
CnHm + H2O+ n/2 O2 ↔ n CO + m/2 H2
En el reformado autotérmico, el hidrocarburo reacciona con el vapor de agua y con el aire para producir un gas rico en hidrógeno. Las reacciones de reformado por vapor (SR) y de oxidación parcial (POX), tienen lugar de forma conjunta. Con la correcta combinación de alimentación de entrada (fuel, aire y vapor), el calor de reacción de la oxidación parcial es suficiente para que se dé la reacción de reformado por vapor.
Como ocurre en los otros métodos de reformado, se hace necesario un reactor WGS y una etapa de purificación de la corriente de hidrógeno para eliminar los óxidos de carbono (CO).
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Los reformadores autotérmicos típicos emplean un lecho catalizador de metales nobles y operan en un rango de temperaturas que oscila entre 800ºC y los 1300ºC. Comparándolos con los reformadores por vapor, la ventaja de operar a tan elevadas temperaturas hace que los sulfuros del fuel no sean tan venenosos para el catalizador. Aun así, debido al elevado contenido en azufre del queroseno (400-600 ppm) la desulfuración previa del combustible sigue siendo necesaria ya que no existe ningún catalizador para este método capaz de soportar estos niveles de contaminación sin envenenarse. Otra ventaja de este método de obtención es que los tiempos de respuesta son menores que los del reformado por vapor.
Los inconvenientes que presenta este método tienen que ver, el primero de ellos, con el tamaño de todo el equipo en conjunto. Al llevar asociado un sistema de recuperación del calor, el equipo es muy grande y costoso. Por otra parte, es difícil vaporizar la alimentación si es de hidrocarburos pesado, y que pase de forma uniforme sobre todo el lecho catalizador.
Este método presenta la ventaja de que al no ser necesario un aporte de calor al sistema el coste de funcionamiento y operación se reduce considerablemente frente a los otros sistemas de reformado.
Aun así, el reformado autotérmico es una de las tecnologías que más se están estudiando en los últimos tiempos para la producción in situ de hidrógeno para aplicaciones móviles, puesto que combina las ventajas e inconvenientes del reformado con vapor y la oxidación parcial.
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Figura 8. Reformado autotérmico. Fuente: http://combustibles-alternativos.weebly.com/gas-de-siacutentesis.html
A diferencia del reformador por oxidación parcial, el autotérmico utiliza un catalizador para reformar el gas natural a Syngas en presencia de vapor y O2. Debido a las condiciones de operación (Tsal.= 1000°C aprox.) y el uso de vapor (relación vapor / carbón (S / C) normalmente más de 1.3), el Syngas está libre de hollín y posee una porción mínima de amoniaco y HCN. Sin embargo para una relación S/C = 1.3, se tendrá una razón H2 / CO = 2.5 aprox. La cual es considerada alta. La última relación puede ser controlada por la variación de S/C y el reciclo de CO al reformador. 2
Aunque relaciones de S/C por debajo de 1.3 no son comercialmente utilizadas, Haldor Topsoe
y sasol han completado satisfactoriamente pruebas para bajas
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relaciones S/C en escalas comerciales en plantas de Sasol para combustibles sintéticos en Sud África.
Algunos otros parámetros de diseño para la sección de Syngas que influyen en el costo y eficiencia térmica de una planta de GTL, son los siguientes:
En el precalentamiento de O2 y gas natural, se determinarán las máximas temperaturas de precalentamiento por factores de seguridad y para prevenir la producción de carbonilo.
La presión de vapor generada en el reboiler. Una eficiencia de energía más elevada podrá ser obtenida del vapor. La presión óptima del vapor será determinada por el costo relativo de capital y energía.
4. REFORMADO POR COMBINACIÓN O POR DOS ETAPAS
Al combinar un reformador de metano con vapor (SMR) y un reformador autotérmico (ATR) puede ser obtenida una mejor utilización de la energía que usando por separado estas tecnologías. Para combinar el trabajo que realiza un reformador de vapor y un autotérmico, se debe considerar que se obtendrá un relativo incremento de energía en comparación a las otras tecnologías.
Dependiendo del grado de energía de integración y las condiciones de operación, la eficiencia térmica para esta tecnología en una planta de GTL será mejorada alrededor de 1 o 2 %. Aunque este tipo de reformador es menos costoso que el reformador con vapor y más que el autotérmico, la selección se basará en el costo del gas natural, debido a que este reformador es menos costoso que el reformador con vapor y más que el autotérmico.
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Figura 9. Reformado por Combinación ó de dos etapas. Fuente: http://combustibles-alternativos.weebly.com/gas-de-siacutentesis.html
COMPARACIÓN DE CADA TECNOLOGÍA
Después de haber observado las características de cada una de las tecnologías utilizadas para la generación de Gas de Síntesis, se puede mencionar que para dicha selección se deben tomar en cuenta factores de tipo técnico, económico entre otros:
Los reformadores de metano con vapor de agua y de Oxidación Parcial No catalítica superan notablemente a las demás tecnologías en cuanto a la amplia experiencia industrial este hacho promueve mayor confianza al utilizar dichas tecnologías pues las demás aún se encuentran en desarrollo y su experiencia es limitada
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Si se tratara el aspecto económico, se puede indicar que la tecnología más favorable llega a ser la del Reformado Autotérmico (ATR) pues está es una de las últimas tecnologías que se están desarrollando y presenta ciertas ventajas en cuanto a costos que la hace más económica.
La conversión de gas natural a productos líquidos en escalas convencionales, juega un papel importante en la economía energética. Un parámetro esencial es la producción del gas de síntesis. Hoy en día el ATR aparece como la solución más barata, cubriendo todo requerimiento óptimo para las síntesis de metanol y F-T”.
La tecnología de Reformado de Metano con Vapor para la generación de Gas de Síntesis posee ventajas muy amplias en cuanto a experiencia industrial, disponibilidad plena de datos para su operación y posterior diseño, en la Tabla 8 se puede comparar de manera clara las distintas tecnologías.
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Tabla 8. Comparación de Tecnologías para la generación de gas de síntesis Fuente: Fuel Processig Technology 71 (2001) pág. 139-148 “Producción de gas de [23]
Síntesis para las Aplicaciones de Gas a Líquidos” www.elsevier.com/locate/fuproc http://www.sfapacific.com).
A continuación en la figura 10 se presenta un Diagrama de Flujo del Proceso del Método de Fischer- tropsch. Para la obtención del gas de síntesis.
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Figura 10. Diagrama de Flujo del Proceso
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SÍNTESIS DEL AMONIACO
En química, el proceso de Haber - Bosch es la reacción de nitrógeno e hidrógeno gaseosos para producir amoníaco Fig 2. La importancia de la reacción radica en la dificultad de producir amoníaco a un nivel industrial.
|Alrededor del 78,1% del aire que nos rodea es nitrógeno molecular, N2. El elemento como molécula diatómica gaseosa es muy estable y relativamente inerte debido al enlace triple que mantiene los dos átomos fuertemente unidos. No fue sino hasta los primeros años del siglo XX cuando este proceso fue desarrollado para obtener nitrógeno del aire y producir amoníaco, que al oxidarse forma nitritos y nitratos. Éstos son esenciales en los fertilizantes.
|Como la reacción natural es muy lenta, se acelera con un catalizador de hierro (Fe3+) y óxidos de aluminio (Al2O3) y potasio (K2O). Los factores que aumentan el rendimiento, al desplazar el equilibrio de la reacción hacia los productos (Principio de Le Châtelier), son las condiciones de alta presión (150-300 atmósferas) y altas temperaturas (400-500°C), resultando en un rendimiento del 10-20%.
N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g) + ΔH
ΔH representa el calor generado, también llamado entalpía, y equivale a -92,4 kj/mol. Como libera calor, la reacción es exotérmica en la figura 11se ilustra mejor el proceso de síntesis del amoniaco.
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Figura 11. Esquema para la obtención del amoniaco. Fuente: gas-de-síntesis-refinación-del-gas-PDF.
SÍNTESIS DEL METANOL
Al principio 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.
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Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno Fig 3. Esta reacción emplea altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados.
CO + CO2 + H2 CH3OH
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. El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho.
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) en la figura 12 se detalla el Diagrama de flujo síntesis del metanol.
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Figura 12. Diagrama de flujo síntesis del metanol Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=_Roi4oI7OkFmgM&tbnid=vBKJBBo9DRojMM:&ved=0 CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.textoscientificos.com%2Fquimica%2Fmeta nol%2Fobtencion&ei=HiGBU57EHZSvsASRhYHgAg&bvm=bv.67720277,d.aWw &psig=AFQjCNG-99hNGU8Y3pNlzMeeGS0up-MMLg&ust=1401057863908349
PROCESO LURGI Se denomina proceso de baja presión para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, líquidos o carbón. El proceso consta de tres etapas bien diferenciadas:
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REFORMING
Es en esta etapa donde se produce la diferencia en el proceso en función del tipo de alimentación.
En el caso de que la alimentación sea de gas natural, este se desulfuriza antes de alimentar el reactor. Aproximadamente la mitad de la alimentación entra al primer reactor, el cual está alimentado con vapor de agua a media presión. Dentro del reactor se produce la oxidación parcial del gas natural. De esta manera se obtiene H2, CO, CO2 y un 20% de CH4 residual.
Gas Natural + Vapor de Agua CO + CO2 + H2 Esta reacción se produce a 780 °C y a 40 atm.
El gas de síntesis más el metano residual que sale del primer reactor se mezcla con la otra mitad de la alimentación (previamente desulfurizada). Esta mezcla de gases entra en el segundo reactor, el cual está alimentado por O2. Este se proviene de una planta de obtención de oxígeno a partir de aire.
CH4 + CO + CO2 + O2 CO + CO2 + H2 Esta reacción se produce a 950 °C.
En caso de que la alimentación sea líquida o carbón, ésta es parcialmente oxidada por O2 y vapor de agua a 1400-1500 °C y 55-60 atm. El gas así formado 59
consiste en H2, CO con algunas impurezas formadas por pequeñas cantidades de CO2, CH4, H2S y carbón libre. Esta mezcla pasa luego a otro reactor donde se acondiciona el gas de síntesis eliminándose el carbón libre, el H2S y parte del CO2, quedando el gas listo para alimentar el reactor de metanol.
SINTESIS
El gas de síntesis se comprime a 70-100 atm. y se precalienta. Luego alimenta al reactor de síntesis de metanol junto con el gas de recirculación. El reactor Lurgi es un reactor tubular, cuyos tubos están llenos de catalizador y enfriados exteriormente por agua en ebullición. La temperatura de reacción se mantiene así entre 240-270 °C.
CO + H2 - CH3OH ΔH < 0 CO2 + H2 - CH3OH ΔH < 0
Una buena cantidad de calor de reacción se transmite al agua en ebullición obteniéndose de 1 a 1.4 Kg. de vapor por Kg. de metanol. Además se protege a los catalizadores.
DESTILACIÓN
El metanol en estado gaseoso que abandona el reactor debe ser purificado. Para ello primeramente pasa por un intercambiador de calor que reduce su temperatura, condensándose el metanol. Este se separa luego por medio de separador,
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del cual salen gases que se condicionan (temperatura y presión adecuadas) y se recirculan. El metanol en estado líquido que sale del separador alimenta una columna de destilación alimentada con vapor de agua a baja presión. De la torre de destilación sale el metanol en condiciones normalizadas.
PROCESO ICI
La diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya que 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 realzarse en una sola. Todas las demás características son similares al proceso Lurgi antes descrito.
AMMONIA-CASALE El reactor posee múltiples catalizadores de lecho fluidizado, con gas refrigerante, flujos axiales y radiales y bajas caídas de presión. La producción en este tipo de reactores puede llegar a 5.000 t/día.
TOPSOE Se caracteriza por desarrollar un flujo radial a través de tres catalizadores de lecho fluidizado en distintos compartimentos. El intercambio de calor es externo
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INTERPRETACIÓN (ÁNGEL VILLARROEL)
Hace millones de años la descomposición de materia orgánica de plantas y animales en el interior de la tierra, y por efecto de varios factores como presión, temperatura entre otros dio origen a esa mezcla de hidrocarburos gaseosos que se conocen como “Gas Natural”, considerado desde hace mucho tiempo como una gran fuente de energía del cual se puede extraer una gran variedad de productos y subproductos, la cuales pueden ser utilizados como combustibles o materia prima ´para otras industrias.
Para ser utilizado debe ser descontaminado (extraer sus impurezas) ya que desde que viene del subsuelo trae consigo considerables impurezas como el dióxido de carbono, sulfuro de hidrogeno, nitrógeno, mercurio agua y oxígeno ya que son corrosivos y pueden ser altamente contaminantes. Luego cuando el gas es sometido a diversos procesos, se separa en Metano, Etano, Propano y Butano para la elaboración de productos finales o semielaborados por medio de la industria petroquímica.
Una vez obtenidos los componentes del gas, la petroquímica los transforma en su materia prima, entre ellos Metano, Etano y Naftas, de cada uno de ellos se obtienen muchos productos para la vida cotidiana (amoniaco, metanol, polietilino, etilieno. Etc.) Aplicándole los procesos necesarios, aunque también puede ser trasladado a las refinerías donde por medio de craqueo se le rompen sus moléculas para dar origen a nuevas presentaciones del gas. Además también es necesario la obtención del gas de síntesis, que no es más que una mezcla de hidrogeno con óxidos de carbono haciendo reaccionar catalíticamente el metano gracias a la capacidad que este tiene para combinarse con otros compuestos hidrocarbonados y que en el ámbito
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económico los equipos de manejo no necesitan mantenimiento especial porque no produce mugre.
Para ello han existidos numerosas tecnologías para poder obtener el gas de síntesis, por ejemplo, “el reformado por vapor de agua” para lograr conseguir hidrogeno, sometiendo al metano a altas temperaturas y moderadas presiones con vapor de agua, ocurriendo una reacción química hidrogeno y dióxido de carbono, además de ciertas impurezas como el azufre, que se retiran por otros procesos como la reacción de Water Gas Shift entre el agua y el metano.
La oxidación parcial POX como tecnología para obtener gas de síntesis a partir del gas natural, se hace por la reacción no catalítica del metano en presencia de vapor y O2 (sin catalizador), operando con elevadas temperaturas las hace tener como desventaja altos consumos de oxígeno y altos niveles de amoniaco (para evitarlo se utiliza un absolvedor). Luego tenemos el “reformador autotérmico” y el “reformador combinado”, el primero, el gas reacciona con el vapor de agua y con el aire para producir un syngas rico en hidrógeno por lo que se hace necesario un reactor WGS y una etapa de purificación de la corriente de hidrógeno para eliminar los óxidos de carbono . Esta metodología si involucra el uso de un catalizador permitiendo operar con temperaturas
que van desde 800 a 1300 °C, y, el en segundo se dice que es
combinado o por dos etapas porque prácticamente se utilizan dos tecnologías en ella, se combinan el “reformador con vapor” y un “reformador autotérmico (ATR)” considerarando que se obtendrá un relativo incremento de energía en comparación a las otras tecnologías, pero, se obtienen mejores beneficios de obtención de syngas que operando por separado, ahora, tratándose de aspecto económico la selección de esta
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dependerá costo del gas natural debido a que este reformador es menos costoso que el reformador con vapor y más que el autotérmico, siendo el ATR la más económica de todas.
Cabe recalcar que del gas natural se obtiene gas de síntesis, luego de este se obtiene síntesis del amoniaco y síntesis del metanol, que debido a la dificultad de obtención industrialmente se utilizan ciertos procesos como el de Haber-Bosch, la cual se basa en hacer reaccionar de forma exotérmica nitrógeno e hidrogeno, acelerada por la utilización de un catalizador de hierro, oxido de aluminio y potasio con condiciones altas de presión y altas temperaturas resultando en un rendimiento del 10-20%.
La síntesis del metanol es un poco más complicada que la del amoniaco, cuyo proceso se inicia reaccionando catalíticamente a elevadas presiones y temperaturas el hidrogeno y monóxido de carbono, para ello se requiere el uso de reactores grandes y catalizadores de ZnO o Cr2O3. Aunque también existen otros procesos para obtener metanol entre los cuales están: Lurgi, Proforming, Ici, y el topsoe, este último se diferencia ampliamente por la utilización de tres catalizadores de lecho fluidizado en distintos compartimentos creando flujo tipo radial a través de ellos.
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INTERPRETACIÓN (MARIO BOLAÑOS)
Si bien es sabido que el gas natural representa tanto para nuestro país como para el mundo el principal recurso energético debido a que este se emplea en muchos casos como por ejemplo existen motores de carros a gas, entre otros casos de mayor importancia, lo cierto es que en las últimas décadas este ha sumido un avance muy significativo, además también ha logrado ser la segundo fuente de energía de mayor consumo en el mundo. Por otra parte mucho lo han considerado el combustible del futuro debido a sus ventajas ambientales y económicas que este posee con respecto a otros.
De acuerdo a esto el gas natural en el año 1997 representaba solo el 22% y se estima que llegue a representar el 26% en el año 2020. El gas natural es un fluido homogéneo que posee una baja densidad y viscosidad y este no posee un volumen definido dado que este se adapta a cualquier recipiente que lo contenga, no posee color ni olor, además posee compuestos hidrocarburos y no hidrocarburos. Este es localizado en yacimientos donde la temperatura es muy alta existen tres maneras para clasificar los yacimientos de gas los cuales son: gas condensado, gas seco y gas húmedo. También se clasifican según su origen que son: gas asociado, gas no asociado.
De acuerdo a sus componentes podemos clasificar o denominar el gas natural de una forma específica lo que puede indicar de una manera cuantitativa su composición de la mezcla: gas agrio, gas dulce, gas húmedo, gas seco, gas rico y gas pobre. Una vez obtenido
finalizada su extracción el paso siguiente es su
procesamiento el cual implica la separación de los componentes hidrocarburos del gas
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esto se realiza a través de cualquier proceso físico-químico siendo el objetivo de esta la obtención de los componentes que conforman el gas.
Esto se realizar por medio de los dos tipos de procesamientos que existen los cuales son: los que se realizan directamente en el campo y el que se efectúa para la obtención de los productos comerciales entre estos tenemos: separación, endulzamiento, deshidratación y control de punto de roció.
Luego de realizar lo antes mencionando seguiría la obtención de los productos comerciales que se obtienen del gas natural y su uso: como combustibles para vehículos, materiales para las industrias textiles, cremas y perfumes, líquidos para frenos y amortiguadores, bolsas, cauchos resinas y muchos otros derivados cabe destacar que estos se obtienen de los tipos de gases, y el uso que más nos interesa en nuestra industria petrolera es que este se aplica para la desulfuración. Para la extracción de los productos comerciales se cuentan con plantas criogénicas y plantas de fraccionamiento.
También se debe saber que el gas como materia prima en la industria petroquímica es de gran importancia dado que a través de tratamientos adecuados sirve de insumo para la refinación. La industria petroquímica es una plataforma muy fundamental para el desarrollo de muchas empresas industriales como las industrias textiles y del vestido, la automotriz y del transporte y muchas otras más es importante que se fortalezca y pueda así abastecer oportunamente a la industria nacional con los insumos que ésta requiere.
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El metano es el elemento constitutivo del gas natural de allí se debe su contraponamiento a los gases artificiales implementados como combustibles y este posee muchos elementos orgánicos de mucha importancia como materia prima en la industria petrolera y química. Por otra parte el etano se deriva o se obtiene de los líquidos del gas natural. De naftas y otros, la preferencia de una de estas fuentes depende de las posibilidades y confiabilidad del suministro y del precio.
El etileno es una olefina y sirve como materia prima para la obtención de una diversa variedad de productos químicos este permite la unión de otros hidrocarburos como el benceno para así obtener elibenceno y otras olefinas, por otra parte tenemos las naftas aromáticas como el benceno el cual se origina a partir de reformadoras de nafta y de la deshidratación térmica con vapor de agua entre sus principales productos se encuentra en amoniaco, el metanol, el etileno, el paraxileno entre otros.
La energía vs combustión, primero sabemos que la energía se refiere a la capacidad de realizar algún trabajo con destreza, también sabemos que estas no se crea ni se destruye sino que se transforma en otro tipo de energía de allí que la energía se puede presentar en una gran variedad de formas como los tipos de energía. Mientras que el combustible se refiera a cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida un ejemplo de esto sería la madera.
Entre las características del combustible
podemos encontrar el calor
desprendido y la temperatura, una vez aclarado esto se puede decir que estos dos conceptos poseen terminologías diferentes pero van directamente ligados, el combustible como una fuente de energía es una fuente muy natural así como la tecnología, existen combustibles sólidos como el carbón y otros y combustibles líquidos o fluidos como el queroseno o la gasolina.
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La importancia del gas como combustible fósil este es reconocido mundialmente como una energía muy noble por su eficiencia , limpieza y precios competitivos y es el combustible que menos contaminación posee , calienta con eficacia y a gran velocidad y no necesita almacenaje previo debido a esto proporciona un gran confort en los hogares, en la industria la calidad de su llama , regular y sin impurezas nos permite una gran cantidad de aplicaciones y su combustión hace posible una mejor regulación.
Como combustible ofrece muchas ventajas las cuales tienen una numerosa aplicación debido a que este es limpio, puede manejarse a presiones deseadas, su poder calorífico es muy satisfactorio, volumétricamente es susceptible y puede ser transportado de un lugar a otro por sistemas y su reversibilidad lo hace apto para el empaquetamiento o envasado en pequeños y seguros contenedores o recipientes , su costo por volumen es muy económico, por sus característica se ha logrado imponer en el mercado internacional.
Por consiguiente debemos saber que la producción del gas de síntesis en las principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, estas cadenas se comienzan con el proceso de la reformación del gas natural implementando vapor , por medio de este el metano reaccionara catalíticamente con el agua para lograr la obtención del llamado gas de síntesis como se mencionó entes. El descubrimiento de este proceso enmarco la producción del hidrogeno a gran escala, haciendo posible la factibilidad de la producción del amoniaco por su reacción con el nitrógeno, mas sin embargo este también se puede obtener a partir de la combustión parcial de mezclas.
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Para lograr esto se debe seleccionar la tecnología para lograr la generación del gas de síntesis, porque la reformación influirá en el desarrollo térmico de la planta y en el costo del reformador. Entre los reformadores que se emplean en este proceso podemos nombrar el reformador por vapor de agua el cual no es más que un método que nos permite la obtención de hidrogeno mediante hidrocarburos y en particular gas natural. La oxidación parcial juega un papel muy importante dado que estas se utilizan para generar hidrogeno el cual se empleara en muchos beneficios como una base económica más amplia en la refinería, manipulación de los compuestos entre otros.
No se puede dejar de hacer mención a cerca de la combustión no catalítica, así como de la formación de hollín y de los altos consumos de O El reformado 2.
autotérmico no es más que la combinación de la oxidación parcial y el reformado por vapor de agua, en este reformado el hidrocarburo reacciona con el vapor de agua y con el aire para darle paso a la formación de un gas rico en hidrogeno, tanto en este reformado como en los anteriores se hace necesaria la implementación de un reactor WGS, este reformador autotérmico utiliza un catalizador para la formación del gas natural.
Mientras que el reformado por combinación o por dos etapas, se caracteriza porque fusiona dos reformadores como lo es el reformador de metano con vapor y el reformador autotérmico. De igual manera la síntesis de amoniaco no es más que una reacción química propuesta por el proceso de Haber - Bosch es la reacción de nitrógeno e hidrógeno gaseosos para producir amoníaco. De igual manera la síntesis del metanol que no es más que un proceso que tan solo consiste en la destilación de la madera en ausencia de aire y a 400 centígrados dándole de esta forma el paso a la formación de gases combustibles.
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Una vez aclarado este también existe otro proceso llamado proceso de lurgi el cual se denomina de baja presión para lograr la obtención de metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, mientras que el reforming es la etapa donde se logra la diferencia en el proceso en función del tipo de alimentación en el caso de que esta sea de gas natural. La síntesis no es más que la compresión a 70-100atm y se precalienta. Luego alimenta al reactor de síntesis de metanol junto con el gas de recirculación.
La destilación se basa en la purificación del metanol dado que este posee impurezas las cuales se les tienen que remover, el proceso ICI es la diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor de metanol, ya que los procesos de obtención de gas de síntesis y purificación de metanol son similares para todos los procesos. Ammonia–casale acá el reactor consta de múltiples catalizadores de lecho fluidizado para lograr la mejor obtención de flujos axiales. De acuerdo a esto el topsoe se caracteriza porque desarrolla un flujo radial de tres catalizadores.
De esta manera se deja acentuado que la producción del gas natural es el bigban de los próximos años debido a que se están implementando diversos procesos y existen una gran variedad de derivados de este los cuales se proveen que sigan siendo implementados en un futuro y a mayor escala de hecho en nuestro país se estudia la idea de realizar plantas refinadoras de gas para obtener mayores beneficios para nuestro país y para el mundo.
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INTERPRETACIÓN (EYKER CORREA)
Antes que nada,
hoy en día a nivel mundial, es de suma importancia
aprovechar las mejores fuentes de energía al menor costo posible, por lo tanto, el gas natural es una de estas fuentes, que nos permite facilitar el aprovechamiento de su gran riqueza de una manera más fácil en comparación a otros combustibles fósiles; ya que el gas natural es una mezcla gaseosa compuesta principalmente por metano, que es un elemento con gran capacidad para combinarse con otros compuestos hidrocarbonados, permitiendo que gran parte del volumen de producción del gas natural se licue en gasolina, y forme gas licuado de petróleo.
Cabe considerar, que el gas natural se puede encontrar en los yacimientos de petróleo, disuelto o asociado con este. Además de contener compuestos parafinados, suele contener también otros gases considerados impurezas para el mismo, como por ejemplo: Azufre, sulfuro de hidrogeno, vapor de agua, dióxido de carbono, nitrógeno, entre otros. Estas impurezas se separan del gas natural mediante un tratamiento previo, y se separa del petróleo si se encuentra asociado a este, mediante separadores. Las impurezas al ser separadas también se aprovechan
y se utilizan para otros
procesos.
Por otra parte, el gas natural es la materia prima más utilizada en las petroquímicas para la producción de amoniaco, así como para otras aplicaciones, que son cadenas productivas de otros procesos o productos finales para los mercados. Las principales cadenas petroquímicas son: el gas natural (metano), olefinas ligeras (etano) y aromáticos (naftas); las cuales darán paso a los principales productos. Por ejemplo: el metano permite producir amoniaco, que es un gas incoloro soluble en agua, utilizado para la producción de fertilizantes, la industria farmacéutica, entre
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otros. Además, el etano se extrae de los líquidos del gas natural, de las naftas, de los gasóleos y del metano.
De igual manera el gas natural es considerado uno de los mejores combustibles fósiles, debido a que la energía neta del gas natural es mucho mayor que la gran mayoría de las otras fuentes energéticas primarias en el mundo, incluyendo el petróleo. Aparte de ser mucho más limpio ya que emite menos dióxido de carbono por unidad de energía producida. En otras palabras, el rendimiento energético del gas natural es más elevado, lo que permite una mayor producción de energía con menor cantidad de combustible. De aquí radica la importancia del gas natural como combustible fósil.
También es importante considerar, la producción del gas de síntesis, que consiste en una mezcla de hidrogeno y óxidos de carbono, el cual se produce a partir de varias tecnologías; Uno de los más utilizados actualmente es la combustión parcial del gas natural en presencia de vapor de agua, conocido también como reformado por vapor de agua, este método consiste en exponer el gas natural de alto contenido de metano con vapor de agua a altas temperaturas y moderada presión, obteniéndose un gas rico en dióxido de carbono e hidrogeno, y en menor cantidad de monóxido de carbono.
Por lo mencionado anteriormente, se debe eliminar primeramente el monóxido por medio de las reacciones de cambio de alta a baja temperatura a 400 y 200 °C respectivamente y se produce una mezcla gaseosa de H2, CO2, H2O y un poco de CO y CH4. Después de esta etapa se realiza una última purificación, mediante el proceso Pressure Swing Adsorption (PSA), el cual permite obtener hidrógeno puro al 99.99%, cuyo contenido energético es mayor que del gas natural del cual precede. Una de sus
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principales ventajas es que no utiliza plantas de oxígeno, es decir, que no requiere oxígeno, además tiene una amplia experiencia industrial, por lo que promueve una mejor confianza.
Algo semejante ocurre con
la otra tecnología conocida como oxidación
parcial, ya que tiene una desarrollada experiencia industrial, no obstante la ausencia de catalizadores le permite la formación de carbono y por lo tanto la operación sin vapor y el contenido de CO2 en el gas de síntesis disminuirán notablemente. A diferencia del reformado por vapor de agua, este método requiere generalmente de oxígeno, y la relación hidrogeno y monóxido de carbono es pequeño lo cual se presenta como una ventaja para las aplicaciones que requieren relaciones menores a 2.0.
Ahora bien, a parte de los dos métodos ya mencionados, existe otro llamado reformado autotérmico, el cual consiste en una combinación de la oxidación parcial y el reformado por vapor. Una de las desventajas de este método tiene que ver, el primero de ellos, con el tamaño de todo el equipo en conjunto. Al llevar asociado un sistema de recuperación del calor, el equipo es muy grande y costoso. Por otra parte, es difícil vaporizar la alimentación si es de hidrocarburos pesado, y que pase de forma uniforme sobre todo el lecho catalizador, y por ser un método novedoso su experiencia comercial se encuentra limitada.
Este método presenta la ventaja de que al no ser necesario un aporte de calor al sistema el coste de funcionamiento y operación se reduce considerablemente frente a los otros sistemas de reformado y a diferencia del reformador por oxidación parcial, el autotérmico utiliza un catalizador para reformar el gas natural en presencia de vapor y oxígeno. Debido a las condiciones de operación y el uso de vapor (relación
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vapor / carbón (S / C) normalmente más de 1.3), el Syngas está libre de hollín y posee una porción mínima de amoniaco y HCN.
Por último, en cuanto a las tecnologías utilizadas para la producción de gas de síntesis se encuentra el reformado por combinación o por dos etapas, que consiste en combinar un reformador con vapor y un reformador autotérmico, esta combinación permite obtener un relativo incremento de energía en comparación a las otras tecnologías. Una de sus desventajas es la utilización de una elevada temperatura y la complejidad en el proceso de incrementos, usualmente requiere oxígeno.
Dentro de este marco, también es importante considerar la síntesis del amoniaco y del metanol, que son dos grandes productos derivados del Metano en la industria petroquímica. Para la síntesis del amoniaco, No fue sino hasta los primeros años del siglo XX cuando el proceso de Haber-Bosch fue desarrollado para obtener nitrógeno del aire y producir amoníaco, que al oxidarse forma nitritos y nitratos; como la reacción natural es muy lenta se acelera con un catalizador de hierro y oxidos de aluminio y potasio. Este proceso tiene un rendimiento del 10 a 20 %.
La síntesis del metanol, se sintetiza actualmente, mediante un proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. 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. El Proceso lurgi es un proceso de baja presión para obtener metanol a partir de hidrocarburos gaseosos, líquidos o carbón. El proceso consta de tres etapas: el reforming, síntesis, y destilación. Antes de estos procesos el gas debe pasar por un tratamiento previo para eliminarle sus impurezas. En conclusión, el gas natural nos permite obtener una mayor eficiencia y producción de energía al menor costo posible, en comparación a otros combustibles. Por lo que es 74
indispensable tener en cuenta cuáles son los procesos y tecnologías que proporcionan el mejor aprovechamiento de este gran recurso, dependiendo de la composición del mismo. A su vez permite utilizarlo como inyección de pozos petroleros para mejorar y aumentar la producción de petróleo
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INTERPRETACIÓN (NARGELIS PULVE) El Gas Natural es conocido como una mezcla de hidrocarburos gaseosos que se ha formado y acumulado en el interior de la tierra y es producto de la descomposición de la materia orgánica de animales y vegetales sepultados durante millones de años. En Venezuela tiene sus inicios desde 1918, y su producción ha estado sujeta a la producción de petróleo y está dirigido principalmente al sector petrolero tal como lo es la reinyección en el yacimiento como método de recuperación secundaria y levantamiento artificial de gas, proceso de desulfuración, entre otros. El resto para el consumo, va dirigido al sector no petrolero mercado interno como el sector petroquímico, siderúrgico, cemento, aluminio, eléctrico, comercial y residencial.
En la actualidad el Gas Natural es, dentro del sector energético, el combustible de mayor crecimiento en el mundo por las ventajas que ofrece su uso industrial, siderúrgico, petroquímico, doméstico y como fuente generadora de electricidad, esta fuente de energía primaria es de gran importancia en el escenario energético mundial y actualmente es la segunda fuente de energía de mayor demanda luego del petróleo representando la quinta parte del consumo de energía en el mundo y muchos lo consideran como el combustible del futuro debido a las ventajas ambientales y económicas que éste tiene frente a otros, resultando así de gran interés su explotación para muchos países.
El gas se refiere a un fluido homogéneo de baja densidad y viscosidad el cual no tiene volumen definido y generalmente es una mezcla gaseosa incolora e inodora, que tiene presentes compuestos hidrocarburos y no-hidrocarburos, entre los compuestos de hidrocarburos o también conocidos como parafínicos, constituyen por lo general el 90% de la mezcla (metano (CH₄), etano (C₂H₆), propano (C₃H₈), normal butano (nC₄H₁₀), normal pentano (nC₅H₁₂), iso-pentano (iC₅H₁₂), hexano
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(C₆H₁₄) y heptano plus (C₇₊) ) y los componentes de gases no-hidrocarburos también referidos como impurezas representan el 10% de la mezcla (dióxido de carbono (CO₂), sulfuro de hidrógeno (H₂S), nitrógeno (N₂), así como vapor de agua y helio (He) en algunos casos. El gas natural es encontrado en yacimientos donde la temperatura se encuentra por encima de la temperatura crítica, este gas existe en yacimientos de gas seco, gas condensado y gas húmedo, donde estos a su vez pueden ser clasificados según su origen como yacimientos de gas asociado donde el gas se encuentra disuelto en el petróleo y yacimiento de gas no asociado que son definidos como yacimiento de gas libre, o aquel que posee una porción de líquidos muy reducida.
El gas seco, húmedo o condensado, a través de tratamientos adecuados, sirve de insumo para la refinación y petroquímica, donde por medio de plantas especialmente diseñadas se hacen recombinaciones de las moléculas de los hidrocarburos para obtener materia prima semielaborada para una cadena de otros procesos o productos finales para los mercados, entre las principales cadenas petroquímicas tenemos el Metano (Gas natural), Etano (olefinas ligeras), Naftas (aromáticos).
La industria petroquímica es una plataforma fundamental para el crecimiento y desarrollo de importantes cadenas industriales como son la textil y del vestido; la automotriz y del transporte; la electrónica; la de construcción; la de los plásticos; la de los alimentos; la de los fertilizantes; la farmacéutica y la química, entre otras. El procesamiento del gas tiene como objetivo principal obtener los componentes que conforman el gas, siendo este una materia prima, a través de un proceso de transformación, existen dos tipos de procesamiento, el que se realiza directamente en campo y el que se realiza para la extracción de los productos comerciales, una vez realizada la extracción del gas. Existen distintas etapas como lo son la separación, que es el proceso donde se somete el gas a los procesos de separación de líquidos (petróleo, condensado y agua), de igual forma existe el
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procesos de endulzamiento que es el proceso que va dirigido hacia la remoción del H₂S y el dióxido de carbono del Gas Natural, también está el proceso de deshidratación que consiste en la remoción de agua del gas y por último el procesos de control del punto de rocío, este proceso consiste en regular las condiciones de presión y temperatura del gas, para evitar la condensación de hidrocarburos.
El proceso de producción de gas de síntesis, fue un procedimiento que permitió la producción a gran escala de hidrógeno, haciendo factible la producción posterior de amoníaco por su reacción con nitrógeno, separado del aire, la cadena del gas natural se inicia con el proceso de reformación con vapor por medio del cual el metano reacciona catalíticamente con agua para producir el llamado gas de síntesis, que consiste en una mezcla de hidrógeno y óxidos de carbono.
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GLOSARIO
Aromáticos: Hidrocarburos con estructura cíclica insaturada, que generalmente presentan olor y buenas propiedades solventes, por ejemplo, el benceno.
Benceno: Es el compuesto aromático más simple y una de las más importantes materias primas de la industria química.
Conversión: Procedimiento que permite disminuir el contenido de monóxido (bióxido de carbono e hidrógeno) de un gas combustible por medio de una transformación catalítica en presencia de vapor de agua.
Desulfuración: Es el proceso de eliminación del azufre de algo para evitar la contaminación. También conocido como la hidrodesulfuración, este proceso químico reduce las emisiones de dióxido de azufre y los convierte en ácido sulfúrico.
Dióxido de Carbono: también denominado gas carbónico y anhídrido carbónico es un gas incoloro, denso y poco reactivo cuyas moléculas están compuestas por dos átomos de oxígeno y uno de carbono. Su fórmula química es CO2.
Etano: Es un hidrocarburo alifático alcano con dos átomos de carbono, de fórmula C2H6. En condiciones normales es gaseoso y un excelente combustible. Su punto de ebullición está en -88 °C.
Fertilizantes: Sustancias o denominados nutrientes, en formas químicas solubles y asimilables por las raíces de las plantas, para mantener y/o incrementar el contenido de estos elementos en el suelo.
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Gasoductos: Conducciones que sirven para transportar gases combustibles a gran escala. Es muy importante su función en la actividad económica actual.
GLP: Gas licuado del petróleo. Mezcla de gases (propano y butano), presentes en el gas natural o en el petróleo.
Helio: Es un gas monoatómico incoloro e inodoro que cuenta con el menor punto de ebullición de todos los elementos químicos y solo puede ser licuado bajo presiones muy grandes y no puede ser congelado.
Parafínicos: De la parafina o relativo a esta sustancia química, que es el nombre común de un grupo de hidrocarburos alcanos de fórmula general CnH2n+2, donde n es el número de átomos de carbono.
Propano: Es un gas incoloro e inodoro. Pertenece a los hidrocarburos alifáticos con enlaces simples de carbono, conocidos como alcanos. Su fórmula química es C3H8
Reacciones Catalíticas: Son aquellas reacciones que requieren de una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para modificar la velocidad de reacción.
Reacciones Térmicas: Son aquellas donde se libera o recibe calor durante una reacción.
Sulfuros: Sal resultante de la combinación de azufre con un metal derivado del ácido sulfhídrico.
Temperatura Cricondentérmica: Máxima temperatura en la cual coexisten equilibradamente la fase líquida y la gaseosa. 80
Temperatura Crítica: Temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede ser licuado por compresión. Por encima de esta temperatura no es posible condensar un gas aumentando la presión.
Temperatura de Ignición: Temperatura mínima necesaria para que los vapores generados por un combustible comiencen a arder o hervir.
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REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA CONSULTA DE LIBROS:
BARBERIL, E (1987). "El Pozo Ilustrado", CEPET/PDVSA. Venezuela.
BARBERII, Efraín E.: El Pozo Ilustrado, publicación editada por el Departamento de Relaciones Públicas, Lagoven S.A., tercera edición, Caracas, diciembre 1985.
Bitúmenes Orinoco S.A. (BITOR): Informe, mayo-julio 1995.
PÁGINAS WEB:
http://es.wikipedia.org/wiki/Proceso_de_Haber
http://www.textoscientificos.com/quimica/metanol/obtencion
http://es.wikipedia.org/wiki/Producci%C3%B3n_de_olefinas
http://petroquimicaperu.blogspot.com/2011/07/proceso-de-craqueo.html
http://www.lacomunidadpetrolera.com/showthread.php/454Alquilaci%C3%B3n
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ANEXOS
Anexo 1. Separador bifásico horizontal. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=SQcgO4FAMmvbFM&tbnid=PZAmMxr9iWyJMM:&ved =0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.octopus.
Anexo 2. Ubicación de las refinerías en Venezuela. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=rCulvoHG2ylSeM&tbnid=oGfdWZkcASTkBM:&ved=0C AUQjRw&url=%2Furl%3Fsa%3Di%26rct%3Dj%26q%3D%26esrc%3Ds%26source %
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Anexo 3. Hidrotratamiento de naftas. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=RUJuxZPDnqMn5M&tbnid=HIWiQdlpGo18IM:&ved=0 CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fgustato.com%2Fpetroleo%2Fhidrotratamiento.
Anexo 4. Gas de síntesis. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=RRZ3eNLkFxf2nM&tbnid=clbBbRgFOkt2M:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fcombustiblesalternativos.weebly.com 84
Anexo 5. Proceso de Lurgi. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=nwU8MsFTMeJShM&tbnid=aqb4RhFUmMpxM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fesmiblogdequimicaitsoeh.o bolog.es
Anexo 6. Combustibles sólidos. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=Nv0nmCEj2dDolM&tbnid=uo5FMvzQlcOXrM:&ved=0C AUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.miportal.edu.sv 85
Anexo 7. Ubicación de los complejos petroquímicos en Venezuela. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=H9b7NRoq0NMvGM&tbnid=yOw_jLgV9ly4KM:&ved= 0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fusmpetrolero.wordpress.com
Anexo 8. Proceso de extracción del gas natural. Fuente:http://www.google.co.ve/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&d ocid=OIjJxYXmGf9sVM&tbnid=iaQsR6dQMTQyhM&ved=0CAgQjRw&url=http% 3A%2F%2Fwww.gasnaturalfenosa.com.mx 86
Anexo 9. Estructura del metanol. Fuente:http://www.google.co.ve/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&d ocid=hSAe9nemf06SPM&tbnid=NW5kXiw8igb2CM&ved=0CAgQjRw&url=http% 3A%2F%2Fpoica2010b.wordpress.com
Anexo 10. Productos petroquímicos producidos a partir del gas natural. Fuente:https://www.google.co.ve/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd= &cad=rja&uact=8&docid=eT0LTK3EO73lCM&tbnid=6zm2Dm_KAWYymM:&ved =0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.pdvsa.com
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