El dimetil éter (DME) es un combustible gaseoso que se puede ingresar al mercado boliviano como alternativa al GLP. Actualmente en Bolivia no se produce DME, tampoco se importa, por estas razones se tomará el mercado para el GLP como base para estudiar el mercado potencial del DME. El objetivo del presente estudio de mercado fue determinar la existencia de demanda insatisfecha de GLP en Bolivia y qué porcentaje de esa demanda se podrá abarcar con la producción nacional de DME. La creación de una demanda interna para el DME será esencial para el desarrollo del mercado potencial y la comercialización de DME como combustible. El estudio de mercado fue elaborado mediante la recopilación de información obtenida de datos estadísticos recopilados por organismos especializados en Bolivia (Superintendencia de Hidrocarburos, Yacimientos petrolíferos Fiscales Bolivianos).
DIMETIL ÉTER Y SUS USOS El DME es un producto sintético que es usado comercialmente para servir de propulsor en latas de aerosoles porque no es tóxico. Sin embargo, el DME está atrayendo mucho la atención en el mundo como una fuente de energía para el siglo XXI que puede ser obtenido de múltiples fuentes, tiene excelentes propiedades físicas y químicas; y excelentes propiedades de almacenaje. La característica más resaltante del DME como un combustible limpio es que puede ser obtenido de múltiples fuentes y puede tener múltiples usos. Esto significa que el DME puede ser producido de muchas fuentes como carbón, gas natural, biomasa u otros residuos orgánicos a través de la gasificación a gas de síntesis. En efecto desde 1999, en Ucrania y China se usaron pequeñas cantidades de DME como sustituto al GLP. Algunas características importantes del DME son: Fácil y bajo costo de producción de una variedad de fuentes. Fácil conversión de gas y líquido Libre de azufre Menos humo de combustión y bajas emisiones de NOx en los gases de escape Fácil mezclado con hidrocarburos y compuestos oxigenados Fácil conversión a productos químicos u olefinas, que permiten utilizarla como una fuente de energía de la próxima generación como sigue: Sustituto para el GLP DME para células de combustible Combustible Diesel libre de humo Mezcla de Bio-diesel – DME (llamado Eco-diesel) Combustible para la generación de energía con turbinas de gas con reforma DME mezclado con GLP Materia prima para varias plantas químicas
PRODUCCIÓN Y DEMANDA DE DME A NIVEL MUNDIAL La producción mundial total de DME está entre 100.000 y 150.000 toneladas métricas por año; una lista de los países productores de DME se presenta en la Tabla 3.1. Tabla 3.1. Capacidad de Producción de DME Mundial
País
Capacidad (TM/Año)
Alemania Estados Unidos Holanda
70.000 15.000 10.000
Australia Taiwán Japón China
Total
10.000 15.000 10.000 13.000 143.000
En la actualidad las naciones europeas producen la mayor cantidad de DME. En la mayoría de estos lugares, la pureza del DME es alrededor de 99 % en peso, con el fin de satisfacer los requisitos para las diferentes aplicaciones. La Tabla 3.2. muestra la demanda actual de DME en el mundo y el porcentaje del mercado que abarcan. Tabla 3.2. Demanda de DME a nivel mundial
Producto
Porcentaje de Mercado (%)
Aerosol para el cabello Pinturas en aerosol Repelente para insectos/Insecticidas Adhesivos Materias Primas Industriales
48 6 6
Otros
5 31 4
El DME es comercializado y vendido en forma similar al GLP. Dada la naturaleza fraccionada de un gran segmento del mercado de DME, más del 30% se comercializa en los Estados Unidos y se vende a través de distribuidores que suministran pequeñas cantidades de DME, como gases de alta presión en cilindros o como líquidos de baja presión en contenedores para usuarios de pequeños volúmenes. Precio de DME Según datos históricos internacionales, para los últimos 5 años evaluados, el precio de venta de DME grado combustible oscila entre 430-630 $us/TM como se muestra en la Tabla 3.11. Tabla 3.11. Precio de DME
Año
Precio ($us/TM)
2004 2005 2006 2007 2008
433 428 534 507 636
Tal como se hubo realizado anteriormente al proyectar la demanda de GLP, es también posible realizar la proyección del precio del DME, la relación matemática que se ha utilizado para la proyección es:
= (1 + ) =636(1+0,46) Tabla 3.12. Proyección del precio de DME
Año
Precio ($us/TM)
2008 2009 2010 2011 2012 2013
665 696 728 761 796 833
En ausencia de un precio de DME en el mercado boliviano, en el estudio se tomó como base el precio internacional estimado de 833 $us/TM de DME.
PRECIO DE METANOL Según datos históricos internacionales, para los últimos años, el precio de venta de Metanol grado comercial oscila entre 246-552 $us/TM como se muestra en la Tabla 3.13. Tabla 3.13. Precio de Metanol
Año
Precio ($us/TM)
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
175 249 270 314 417 472 550 253 372 442 452 513
En ausencia de un precio de Metanol en el mercado boliviano, en el estudio se tomó como base el precio estimado de 410 $us/TM de DME, este monto es aproximadamente el 80 % del precio vigente en el mercado internacional a Julio de 2013.
COMERCIALIZACIÓN DE DME En la actualidad no existe comercialización de DME en Bolivia. Por lo tanto la obligatoriedad de la mezcla de GLP con DME es la vía más expedita para establecer el mercado boliviano del DME, debido a que no es necesario realizar modificaciones a los equipos de cocina o a las redes de distribución que contienen hasta un 30 % de DME. La similitud de las propiedades de manipulación y almacenamiento que tiene ambos combustibles permite realizar una mezcla de DME/GLP hasta 30/70 (30 %, DME; 70 % GLP, en masa). Debido a la mezcla 30/70 la pérdida de valor calorífico es de 7%. Una pérdida del 7 % en el poder calorífico, es lo suficientemente pequeña para pasar desapercibida por el consumidor final. Es notable que, en una base independiente, el DME tenga un menor poder calorífico que el GLP. En la mezcla el DME mejora el rendimiento del GLP. Cuando se mezcla DME/GLP, el GLP se quema completamente evitando pérdidas. Esto se debe al alto contenido de oxígeno que tiene el DME.
CADENA DE COMERCIALIZACIÓN El gobierno deberá acelerar el desarrollo del mercado de DME, estableciendo que el GLP utilizado en el país se mezcle con DME. EI DME puede ser vendido a los distribuidores de GLP, quienes la mezclaran con GLP, para mejorar las propiedades de combustión de GLP y reducir los costos. Posteriormente ésta mezcla DME/GLP será vendida a los consumidores finales. Determinación de la capacidad y localización de la planta de DME La demanda insatisfecha de GLP pronosticada al año 2028 es de 1386 TM/Día, este déficit representa un mercado potencial para el DME. Tomando en cuenta este déficit el presente proyecto plantea instalar una planta con una capacidad de 140 TM/Día de DME. Según el balance Oferta-Demanda se puede apreciar que los valores de la demanda insatisfecha en los años futuros son crecientes, asumiendo que el proyecto pretende cubrir alrededor del 10 % de la demanda insatisfecha del mercado objetivo para el año 2028. Se plantea que la localización para la implementación de la planta sea en la provincia de Río Grande en el departamento de Santa Cruz en inmediaciones de la Planta separadora de líquidos de Río Grande, donde YPFB tiene planificado ejecutar la construcción de una planta de producción de metanol a partir de gas natural.
PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ETER DIMETILICO (DME) INTRODUCCIÓN EI DME se produce por uno de los métodos siguientes: Síntesis indirecta a partir del gas de síntesis. Síntesis directa a partir de metanol puro, comercial o crudo. Comparación de las Tecnologías de Producción de DME El proceso de síntesis indirecta tiene muchas ventajas con respecto al proceso de síntesis directa las principales ventajas son las siguientes: El proceso de producción de metanol está técnicamente probado y es altamente confiable. El proceso de deshidratación de metanol es relativamente simple y está comercialmente establecido. El escalamiento del proceso de producción de DME se puede lograr con poco riesgo técnico por la integración de los dos procesos mencionados anteriormente. La tasa de producción de metanol y DME puede ser ajustado a cualquier relación dependiendo de la demanda de mercado. Los parámetros del proceso (temperatura y presión) son más flexibles y el rango de conversión de metanol es más alto. Producción de DME por Síntesis Indirecta El proceso de síntesis de DME sucede por la reacción de deshidratación catalítica de metanol para su conversión en DME. La deshidratación catalítica de metanol se da sobre un catalizador de alúmina o uno a base de zeolitas de naturaleza ácida. El diagrama de proceso para la producción de DME por síntesis indirecta se muestra en la Figura 4.1.
Figura 4.1. Flujograma para la producción de DME - Tecnología TEC [Toyo Engineering Corporation, 2008]
EI metanol es vaporizado y alimentado a un reactor de lecho fijo donde la deshidratación exotérmica tiene lugar para formar DME y agua. La temperatura del reactor esta típicamente entre 270 y 310 ºC y una presión de 16 bares, en este rango de temperaturas se evita reacciones secundarias de consideración. La conversión por el paso en el reactor es de aproximadamente 80%. El efluente gaseoso que abandona el reactor se enfría para lograr la vaporización del agua dela mezcla resultante. Antes de enviar esta corriente a las torres de destilación para obtener el DME puro, es necesario reducir la presión hasta 10 bares. El DME producido se obtiene por cabeza de la primera columna de destilación. El producto de fondo de esta primera columna se lleva a una segunda torre donde se separa el metanol que no ha reaccionado del agua, la cual tras ser enfriada se envía a un proceso de tratamiento de agua residual para eliminar los restos de compuestos orgánicos que pudiera contener. El metanol que se obtiene por cabeza de esta columna se recicla a cabeza del proceso En el método indirecto el metanol es deshidratado con un sólido ácido a DME mediante la siguiente ecuación:
2 → + La deshidratación es una simple reacción exotérmica de deshidratación intermolecular y procesos industriales ya han sido establecidos. El catalizador para esta reacción es principalmente un sólido acido como una alúmina o una zeolita. Cuando la acidez es fuerte, en el caso de la zeolita, la reacción procede a baja temperatura mientras que los productos secundarios se incrementan. Los productos secundarios causan una baja selectividad de DME. En la Tabla 4.1. se muestra una comparación de las industrias que se desarrollan la síntesis de DME por deshidratación de metanol de manera comercial. Tabla 4.1. Producción de DME por Síntesis Indirecta
Lurgi Process
Haldor Topsoe
MGC
Toyo Engineering
SK
Alimentación
Metanol puro Lecho fijo adiabático Gamma alúmina
Metanol puro Lecho fijo adiabático DMK - 10
Metanol crudo Lecho fijo
Metanol crudo o puro Lecho fijo
Metanol crudo Lecho fijo
Base activada de alúmina Dentro: 270 250-400 Fuera: 380
Gamma alúmina
Alúmina + Na40-HZSM5
Dentro: 220250 Fuera: 300350
230-330
Tipo de reactor Catalizador
Temperatura (ºC)
290-400
Presión (Psig) Conversión (%)
145-165
164
145-362
145-290
147-162
80
80
70-80
70-85
80
Se ha determinado que las mejores opciones para producir DME por deshidratación de metanol son las desarrolladas por las empresas Toyo Engineering Corporation y Haldor Topsoe debido a su alto grado de conversión y los intervalos de operación en los que se efectúa la reacción.
DESHIDRATACIÓN CATALÍTICA DEL METANOL Para poder realizar el análisis correcto para el reactor en lo que será la síntesis es necesario conocer que tipo de reacción se trata, porque se escoge esa conversión, el efecto que tiene la temperatura en la reacción junto con la presión además de saber que tipo de alimentación se tiene para identificar las reacciones que ocurren y la secuencia que tienen estas si hay más de una. Para poder hacer esto hay que conocer los datos cinéticos y de equilibrio, lo que a su vez afecta la decisión de emplear un proceso en batch o continuo, el catalizador usado particularmente para el producto deseado y si el proceso necesita o no de calor. Tipo y secuencia según la alimentación La síntesis indirecta involucra la deshidratación de metanol para la síntesis de DME, esta reacción es una combinación de las reacciones. Esta síntesis se da mediante la siguiente ecuación:
2 → + Se sabe que esta reacción es exotérmica y que se busca que la conversión sea del 80 % mol de metanol. Esto es porque se reporta que para metanol puro las conversiones son mayores al 83% en un rango de temperatura de 250ºC a 400ºC. Se tienen entonces una reacción principal que es reversible y exotérmica que puede considerarse está conformada por las siguientes reacciones:
Metanol
DME
2 → () +
DME
Metanol
() + → 2
Datos de la cinética y equilibrio de la reacción La deshidratación del metanol a fin de producir DME puede describirse con la reacción general:
Un numero de estudios acerca de la deshidratación del metanol a DME han sido realizados, incluyendo aquellos de Bercic y Levec (1992, 1993), Royaee et al (2008). Asimismo, se han propuesto desde modelos cinéticos simples, como el de Bandiera y Naccache (1991), hasta modelos complejos con mecanismos catalíticos de varios para la deshidratación catalítica del metanol. Un ejemplo de la velocidad de reacción de la deshidratación catalítica del metanol, empleándose específicamente un catalizador zeolítico, viene expresada por la ecuación de Bandiera y Naccache (1991):
] − = exp[− Donde k0 = 1.21x106 kmol/(m3 reactor h kPa), Ea = 80.48 kJ/mol, y Pmetanol = presión parcial del metanol. Tal que:
−80480 ] − =1,2110 exp[8,314 ∙
La expresión de la constante de equilibrio para esta reacción viene dada por:
ln= −2,205+ {2708 }
= ∙ /
Como se puede observar, conforme aumenta la temperatura disminuye el valor de la constante de equilibrio, y por lo tanto disminuye la conversión de equilibrio. Por lo tanto, la conversión de equilibrio se ve favorecida a temperaturas relativamente bajas. Algunos de los demás modelos de tipo catalítico propuesto s más estudiados y empleados se resumen en la Tabla 4.2. a continuación: Tabla 4.2. Resumen de modelos cinéticos publicados
De modo general se ha encontrado que la reacción según el modelo de Bercic y Levec controlada por la velocidad superficial de reacción y con adsorción disociativa del metanol se correlaciona bien con resultados experimentales. Mecanismo catalítico heterogéneo de reacción
Siguiendo la cinética de reacción el comportamiento del modelo siguiente:
Donde; S, es el sitio activo; CCH3OH,CH2O y Cf son concentraciones de metanol, agua y sitios libres respectivamente; C MS y C WS, son las concentraciones de metanol y agua adsorbidos en los sitios activos. R M es la velocidad de deshidratación del metanol; k s, es la constante de velocidad; Keq es la constante de equilibrio la cual es una función de la temperatura; KCH3OH y KH2O, son los coeficientes de adsorción de las especies respectivas. La Tabla muestra los parámetros optimizados para la reacción presentada. Tabla 4.3. Contantes cinéticas y de equilibrio de la reacción
Parámetro
Valor
Ks (kmol kg-1 hr -1) KCH3OH (m3 kmol-1) KH2O (m3 kmol-1)
5,35·1013 exp(-17280/T) 5,39·104 exp(8487/T) 8,47·10-2 exp(5070/T)
Keq
exp(4019/T + 3,707log(T) -2,783·10-3·T + 3,8·107 2 ·T - 6,561·104/T3 - 26,64)
PROPIEDADES DEL DIMETIL ÉTER El dimetil éter (DME) es la forma más simple de los éteres, su fórmula química es CH3OCH3 y es un gas incoloro, casi inodoro a temperatura y presión ambiente. Es un combustible limpio que no contiene compuestos de azufre o nitrógeno, su toxicidad es muy baja para los humanos, no es cancerígeno y no tiene efectos corrosivos sobre los metales. Sus características de manipulación son muy similares a las del gas licuado de petróleo (GLP). Es almacenado en tanques a presión ambiental como un líquido refrigerado (-25ºC) o en tanques presurizados (5 bar) a 20ºC. En estado gaseoso su poder calorífico neto alcanza un valor de 28,8 MJ/Kg, que es más alto que del metano pero más bajo que del propano y butano. Considerando las propiedades de combustión su límite de explosión es más amplio que del propano y butano, pero casi idéntico al del metano y muy cercano al del metanol. El DME es un compuesto muy estable que solo reacciona o se descompone en condiciones muy críticas de presión y temperatura. La velocidad de descomposición estimada a 493 K es alrededor de uno por ciento por año y es inerte químicamente. Tiene una alta solubilidad en sustancias polares y no polares
