Produccion de Syngas

INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: 1 de 13

1. F FND NDAM AMEN ENTO TO TE TEOR ORIC ICO O Combus Combustib tibles les sintét sintético icoss son típica típicamen mente te produc producido idoss por medio medio del del gas gas de síntesis – hidrogeno (H 2 ! "on#$ido de Carbono (C%& usando el proceso 'ischer&ropsch) *l proceso implica la gasi+icaci#n pre,ia del carb#n por o$idaci#n parcial utili-ando o$igeno como o$idante ! ,apor de agua como moderador a altas temperaturas. apro$) 1100 . se obtiene una me-cla de H 2 ! C%. gas de síntesis) a relaci#n molar del gas de síntesis esta determinada por las proporciones de o$idante ! moderador utili-adas) a posibilidad de utili-ar me-clas de carb#n ! biomasa residual o residuos de carcter orgnico. como +uente de carbono. permite desarrollar procesos de carcter cada ,e- ms neutro con respecto al C%2 atmos+érico. al mismo tiempo ue no compite con la alimentaci#n) as reacciones ue inter,ienen en el proceso de gasi+icaci#n son3 C ( s) + CO ⇆ 2 CO oudouard *c) 1&1 C ( s) + H O ⇆ CO + H as de gua *c) 1&2 2

2

"etanaci#n

2

CO + 3 H 2 ⇆ CH 4 + H 2 O

*c) 1&7

8espla-amiento de gua CO + H O ⇆ CO + H

*c) 1&4 *l aboratorio 9acional de :daho (:9. en con;unto con Ceramatec :nc) (
2

2

a=e Cit!. >< han estado in,estigando sobre el uso de tecnología de celdas o$idaci#n de combustible s#lido para electroli-ar ,apor en grandes escalas con +uente +uentess nuc nuclea leares res para para la produc producci# ci#nn de hidrog hidrogeno eno)) h hora ora.. un pro!e pro!ecto cto de in,est in,estiga igaci# ci#nn e$p e$perim eriment ental al est est ba;o ba;o contr control ol de la :9 para in,est in,estiga igarr la +actibilidad de producir gas de síntesis por electroli-aci#n simultnea de ,apor ! di#$ di#$id idoo de carb carbon onoo a alta altass temp temper erat atur uras as usan usando do tecn tecnol olog ogía ía de celd celdas as de o$idaci#n de combustible s#lido) *l gas de síntesis puede ser usado para la producci#n de combustibles sintéticos) *l prog progra rama ma incl inclu! u!ee una una comb combin inac aci# i#nn de acti acti,i ,ida dade dess e$pe e$perim rimen enta tale less ! computacionales) 8esde ue el material de electrolito de #$ido solido es un conducto de iones de o$ígeno. el C% puede ser producido al electroli-ar C% 2 1

8iego Hermosa C l ?i

?aisson #pe? i B i 

@aul Aalle;o

INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: ! de 13 secuestrado de algunos procesos emisores de gas de e+ecto in,ernadero) a;o ciertas condiciones. sin embargo. C% puede ser electrolíticamente promo,ido para producir carb#n. el cuan puede depositarse en las super+icies de las celdas ! reducir el rendimiento de la celda)

!. E"PERIMENTO os componentes primarios inclu!en cilindros de suministro de gas. generador de gas nitr#geno. controladores de +lu;os de masa. humidi+icador. estaciones de medida de punto de rocío. medidores de presi#n ! temperatura. horno de alta temperatura. ! celdas de electrolisis ! o$idaci#n de s#lidos) *l 9itr#geno es usado como un gas transportador inerte) *l uso de un gas transportador permite ue la ,ariaci#n sea independiente de las presiones parciales ! ue los +lu;os del ,apor e hidrogeno continDen operando a una presi#n cercana a la atmos+érica) *l +lu;o de aire a la pila es suministrado por un sistema generador de aire. después de pasar a tra,és de dos etapas e$tractor/secador) *l nitr#geno es me-clado con un peueo +lu;o de hidr#geno ! C%2)
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@aul Aalle;o

INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: 3 de 13 tiempo) odas las líneas de gas locali-adas ba;o la corriente del humidi+icador son calentadas para pre,enir la condensaci#n del ,apor) a me-cla de gas de ingreso es lle,ada directamente a un horno de alta temperatura) *l electroli-ador es calentado ! se mantiene a una temperatura apropiada de operaci#n (E00 a E70 FC con un control de retroalimentaci#n computari-ado) *l o$ígeno producido por electrolisis es capturado por un barrido de una corriente de gas ! e$pulsado en el laboratorio) a corriente se producto de gas de síntesis ,a hacia un segundo sensor de punto de rocío ! un sensor de C%2 sobre la salida del horno ! luego a un condensador a tra,és de una línea con calentamiento) *l condensador remue,e la ma!or parte de los residuos de ,apor del escape) *l escape +inal de la corriente es ,enteada +uera del laboratorio a tra,és del techo) os +lu;os de ,apor ! C%2 para electrolisis son monitoreados mediante cambios en mediciones de concentraci#n en entradas ! salidas de ,apor ! C%2 con mediciones de sensores) *n adici#n. un cromat#gra+o de gases ha sido incorporado en las instalaciones para cuanti+icar los constitu!entes secos en la corriente de productos de la electrolisis (inclu!endo metano ue se pudo haber producido)

F#g$%a !&1. 8iagrama de 'lu;o del @roceso

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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: ' de 13

F$ee: Gecuperado de3 <. 2006

3. *ALANCE DE MASA Y ENERG+A Coelectrolisis de ,apor/C%2 H O + C O → H + CO + O Ec . −1 2

2

2

2

a coelectrolisis es signi+icati,amente ms comple;a ue la simple electr#lisis de ,apor) *sto se debe principalmente a las mDltiples reacciones ue se producen3 electr#lisis de ,apor. electr#lisis C%2. ! la reacci#n de despla-amiento in,ersa (G
2

2

a cinética de la reacci#n gobiernan las contribuciones relati,as de estas tres reacciones) ambién es importante sealar ue las reacciones de electr#lisis no estn de euilibrio) *l electrolito separa los productos de los reacti,os)
2

 altas temperaturas alrededor de 00FC. la +ormaci#n catalítica (9i de metano puede ocurrir 3 H + C O → C H + H O E c .− 4 2

4

2

*l ,apor ! el C%2 se podrían separar para producir gas sintético) alance de masa3 F#g$%a 3&1.& *suema general para la producci#n proceso electrouímico) 4



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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: , de 13

F$ee a composici#n de salida <%*C depende de la temperatura. la densidad de corriente aplicada en la celda. ! de la composici#n de la alimentaci#n)
0

0

0

1

8onde a , b , c y d 0

H 2

0

0

1

0

1

1

representan la +racci#n molar +ría de

CO

. C O ! 2

! H O respecti,amente. se sabe de la entrada de +lu;o de gas ! el 2

punto de rocío.
como

carbono. hidrogeno ! o$igeno son3 a + b → a + b Ec . −6 0

0

1

1

2 c 0+ 2 d 0 → 2 c 1 + 2 d 1 Ec . − 7

5



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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: - de 13 a0 + 2 b0 + d 0 → a1 + 2 b1 + d 1 Ec . −8

alance de *nergía @ara el sistema completo de 4 ecuaciones ! 4 inc#gnitas. tenemos la constante de euilibrio de la reacci#n3 b ∗c K RSR ( T )= Ec . −9 a ∗d 1

1

1

1

>na ,e- ue se determina la composici#n de euilibrio térmico. el potencial de 9ernst puede ser calculado de3 −∆ G f , H O ( T ) RT − ln V N = 2

2 F

2 F

−∆ G f ,CO ( T ) RT ¿ − ln 2

2 F

2 F

[(

[(

d1 1

c 1 y O2 2

d1 1

c 1 y O2 2

)( ) P Pstd

)( ) P P std

−1 2

−1 2

]

Ec .−10

]

Ec . −11

8onde3 V N es el potencial de 9erst en A) ∆ Gf , H 2 O es la energía de +ormaci#n del H2% en ?)

!%2 respecti,amente es la +racci#n molar gaseosa en la salida) P y Pstd son la presi#n e;ercida ! la presi#n estndar (0.1017"@a)

'. PLANTA REAL >na de las plantas ue !a estn utili-ando dichos procesos es la planta de udi en Ierlte. lemania) "ediante electricidad. agua ! di#$ido de carbono obtienen hidr#geno ! metano sintético. denominado udi e&gas) a planta de udi e&gas +unciona en un proceso de dos etapas3 electrolisis ! metani-aci#n) a planta utili-a electricidad regenerati,a para descomponer el agua en o$ígeno e hidr#geno con tres electroli-adores) 8icho hidr#geno reacciona con C%2 produciéndose así metano sintético o udi e&gas) a planta de udi producir alrededor de 1 000 toneladas métricas de udi e&gas al ao. utili-ando unas 2 E00 toneladas métricas de C%2. una cantidad eui,alente al C%2 ue absorben 224 000 rboles en un ao) 6



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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág:  de 13 *l agua ! el o$ígeno sern los Dnicos subproductos de la planta) *l C%2 utili-ado es un producto de desecho procedente de una planta de biogs ad!acente. por lo ue sir,e como materia prima para la producci#n de udi e& gas. ! no se emite a la atm#s+era) @or su parte. el calor residual ue se desprende en el proceso de metani-aci#n. en el ue se hace reaccionar el C%2 con hidr#geno para generar el metano sintético. se utili-a en las instalaciones de biogs contiguas. incrementando signi+icati,amente la e+iciencia global)  continuaci#n podemos ,er unas +iguras ue representan la planta ! los reactores utili-ados para la electrolisis ! la metani-aci#n en la misma)

F#g$%a '&1.& @lanta udi&egas

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@aul Aalle;o

INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: / de 13 F$ee: "olina. :) %) @ro!ecto +in de carrera :ngeniería :ndustrial nlisis de sistemas de captura de C%2 ! de con,ersi#n a
,. TECNOLOG+A EN EL ECADOR *n el *cuador e$iste un pro!ecto denominado J:mplementaci#n de una @lanta de @rocesamiento de asura mediante Cogasi+icaci#n para una @oblaci#n de 10 400 habitantes en el cant#n *cheandíaK)  se utili-ar para la producci#n de metanol ! la mitad restante para la producci#n de gasolina blanca. adems. el gas remanente del proceso se lo utili-ar para generaci#n eléctrica) @ara el proceso de obtenci#n de metanol ! gasolina blanca. se considera un rendimiento del 20 al 40L de e+iciencia. !a ue podrían e$istir +actores uímicos (catali-adores. temperatura. presi#n. presencia de partículas indeseables. etc) ! mecnicos (perdida de calor por tuberías ! otros elementos. perdida de presi#n. etc) ue a+ectan al proceso ! por lo tanto a la cantidad de productos obtenidos) %btenci#n de "etanol 8e 1 =g de basura al pasar a tra,és del proceso de gasi+icaci#n ! 'ischer ropsch (adems del catali-ador adecuado para metanol. se obtienen 0.00M itros de metanol (tomando en cuenta el +actor de e+iciencia pertinente. es decir al utili-ar la mitad de la basura generada (orgnica solamente por 10 400 personas durante un ao ! usarla como materia prima para el proceso !a descrito se obtienen 17 22.5M itros de metanol anuales)

-. PRODCCI0N DE SYNGAS (CO&ELECTROLISIS)

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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág:  de 13 nidos

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toneladas/acre Ncebada son desechados. sabiendo ue contiene la pa;a de cebada un 50L en peso de carbono se podría apro,echar E416 toneladas C/ día para la producci#n de esta gas sintético
. COSTOS DE PRODCCI0N @ara el +uncionamiento de esta planta se plantea los siguientes costos @ara la planta se tendría ue producir 1000 "I de electricidad teniendo un costo de P4 millones de d#lares @ara la *nergía necesaria para la co&electrolisis en donde se necesita altas temperaturas tendría un costo de P500 millones de d#lares. en donde se usaría 74 =I&h / =g de agua a siguiente gra+ica describe la demanda de cantidad de energía necesaria para el proceso de electrolisis del agua)

F#g$%a.-&1 8emanda de energía para la electrolisis

9



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F$ee: Carl ni,ersit!. 9eQ Ror=) *l costo de producci#n sería de P 7)50 / gal#n de diésel de precio de euilibrio)

/. TIPO DE COM*STI*LE SADO PARA LA OPERACI0N *ste nue,o proceso para la obtenci#n de combustibles sintéticos lo con,ierte en un partido atracti,o para las +uentes intermitentes de energía e#lica. solar. nuclear ue obtiene una alta e+iciencia al utili-ar energía de una me-cla di,ersa

F#g$%a &1 *nergía *#lica !
F$ee: Carl ni,ersit!. 9eQ Ror= . @ara el electroli-ador se puede suministrar la electricidad de 7.4 I para la electr#lisis eui,alente a E5 =m2 gran;a e#lica) 10



@aul Aalle;o


. CONCLSIONES DE LA APLICACI0N EN FNCI0N DE LA REALIDAD NACIONAL  ntes ue todo ,ale aclarar ciertas de+iniciones como son3 A9(Aalor ctual 9eto3 Bue es la ,ariaci#n actual de todo el e+ecti,o tanto de ingresos ! egresos. nos indica si un pro!ecto es una in,ersi#n aceptable o no) :G(asa interna de retorno3 *n este caso si este ,alor es ma!or a la tasa de interés con,iene reali-ar la in,ersi#n. si es igual es indi+erente hacerlo o no ! si es menor es me;or recha-ar el pro!ecto)  @rimeramente debemos mencionar ue el uso de la coelectrolisis para la realidad nacional es simplemente in,iable por los precios del crudo actuales ! los enormes costos de energía ue reuiere el diseo del proceso) demas esta tecnología es relati,amente nue,a por lo tanto toda,ía no es comerciablemente ,iable. ! la degradaci#n de las celdas es un proceso ine,itable ue reueriría mantenimientos correcti,os continuos)  a gran ,enta;a es innegable. la coelectrolisis tiene una e+iciencia mu! alta en comparaci#n con un proceso de cogasi+icacion ue alcan-a ,alores de 20 a 40 L. ademas ue se puede reciclar el C%2 ! con,ertirlo en carb#n de alto ,alor) o ue si podemos concluir es en +unci#n de un pro!ecto relati,amente nue,o para el país sobre una tecnología !a ampliamente estudiada) n pro!ecto en el *cuador a mediana escala es tanto +inanciera. econ#micamente ! técnicamente ,iable. donde para la planta de *cheandia el A9 es positi,o ! el :G ma!or al 5 L de interés. ,alor ue puede ba;ar debido a ue dichas in,ersiones tienen descuentos estatales)  @ara un ma!or escalado se debe tomar en cuenta di,ersos +actores a ni,el técnico principalmente en las partes criticas del pro!ecto como el gasi+icador ue sería necesario usar ms de uno ! en paralelo para aumentar la e+iciencia ue es in,ersamente proporcional a su tamao ! comen-ar a usar material aislante ! re+ractario para controlar las pérdidas de calor) 11



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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: 1! de 13 *n la parte +inanciera ! econ#mica se disparan los precios de personal si se contrata personal cali+icado. auí para una planta de ma!or escalado. podría traba;ar personal del :9*G o del :@*)   ni,el de costos de operaci#n ! mantenimiento el principal +actor de interés es la electricidad ue es en ma!or parte utili-ada para el +uncionamiento del compresor ! si ha! ms de un compresor igualmente le consumo aumenta igual para las bombas) @ara mantenimiento se deberían hacer mantenimientos pre,enti,os para re,isar +ugas o reparaciones menores ademas de limpie-a de euipos ! mantenimientos correcti,os en el resto de euipos) spectos sociales ! ambientales 
*#4#5g%a67a  <. Gecuperado de3  ?oseph ?) Hart,igsen) ('ebruar! 200M


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INGENIERIA TERMODINÁMICA Fecha: 2016/05/24 SINTESIS DE GAS (SYNTROLYSIS) Pág: 13 de 13  Rousse+ Gedissi) (2017

Cha=ib ouallou. Aalori-ation o+ carbon

dio$ide b! co&electrol!sis o+ C%2/H2% at high temperature +or s!ngas production. *nerg! @rocedia 7 666 – 66E) Gecuperado de3 https3//QQQ)researchgate)net/publication/2457502M  Carl ni,ersit!. 9eQ Ror=) Gecuperado

de3

http3//QQQ)sciencedirect)com/science/article/pii/<1E661021700E424  "olina. :) %) @ro!ecto +in de carrera :ngeniería :ndustrial nlisis de sistemas de captura de C%2 ! de con,ersi#n a ni,ersit!. 9eQ Ror=)  :9*G) (2015) *studio de 'actibilidad écnica. 'inanciera ! *con#mica para el @ro!ecto J:"@*"*9C:S9 8* >9 @9 8* @G%C*<":*9% 8* <>G "*8:9* C%<:':CC:S9 @G >9 @%C:S9 8* 10)400 H:9*< *9 * C9S9 *CH*98T) 27 de "a!o de 2016. de :nstituto 9acional de *+iciencia *nergética ! Gecursos Geno,ables
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