ESTUDIO TÉCNICO Y FINANCIERO PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO A PARTIR DE GAS NATURAL MEDIANTE LA TECNOLOGIA DE OXIDACCION PARCIAL

2016

Contenido

1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO 4

3.1 SUPOSICIONES PARA LA TOMA DE DECISIONES EN EL DISEÑO DE LOS EQUIPOS Y LA PLANTA 7

3.2 ELECCIÓN DE PAQUETES TERMODINÁMICOS 7

3.3 MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES 8

4. COSTOS DE CAPITAL DEL PROYECTO 8

4.1 SUPOSICIONES PARA EL CÁLCULO DEL FCI 8

4.2 COSTOS DE LOS EQUIPOS POR SECCIÓN DE LA PLANTA 8

4.3 COSTO POR TIPO DE EQUIPO 9

4.4 COSTO DE CAPITAL DE LA PLANTA 9

4.5 ANÁLISIS DE PARETO COSTO DE CAPITAL 9

5. COSTO DE OPERACIÓN DEL PROCESO 10

5.1 COSTO POR MANO DE OBRA COL 10

5.1.1 Suposiciones para el COL 10

5.1.2 Resultados del COL 10

5.2 COSTO POR TRATAMIENTO DE LOS RESIDUOS CWT 11

5.2.1 Suposiciones para el CWT 11

5.2.2 Resultados del CWT 11

5.3 COSTO POR SERVICIOS CUT 11

5.3.1 Suposiciones para el CUT 11

5.3.2 Resultados del CUT 11

5.4 COSTO DE MATERIA PRIMA (CRM) E INSUMOS: 12

5.4.1 Suposiciones para el cálculo del CRM e insumos 12

5.4.2 Resultados del CRM e insumos 12

5.5 COSTOS DE OPERACIÓN COM 12

5.5.1 Ecuación COM y sus coeficientes; Costos fijos, Costos generales y Costos Variables. 12

5.6 ANÁLISIS DE PARETO COSTOS DE OPERACIÓN 12

6. INDICADORES DE FACTIBILIDAD 13

6.1 SUPOSICIONES PARA LOS INDICADORES DE FACTIBILIDAD 13

6.2 INDICADORES DE FACTIBILIDAD 13

6.3 PRECIO DE VENTA DEL PRODUCTO 13

6.4 PUNTO DE EQUILIBRIO 14

7. FACTIBILIDAD DEL PROYECTO 14

8. LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA 14

9. ALTERNATIVAS DEL PROYECTO 14

BIBLIOGRAFÍA 17

ANEXOS 18

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

Este proceso se enfoca en la producción de hidrógeno a partir de gas natural por medio de la tecnología de oxidación parcial. La importancia en la producción de hidrógeno está en que hace parte de un gran número de industrias desde las refinerías, que lo usan para mejorar el octanaje de la gasolina, hasta la industrial de transporte en vehículos con motores de combustión interna. El desarrollo de este proceso consta de 3 partes principales, la primera parte se da en un reactor a una presión de 600 kPa [1] y una temperatura entre los 800 y 1400 °C [2]. En este reactor tiene lugar la oxidación parcial del metano y se tiene como productos monóxido de carbono e hidrógeno, tal como lo describe la siguiente reacción:

CH_4+0.5O_2→CO+〖2H〗_2

Ecuación 1

La segunda parte del proceso consiste en convertir el monóxido en dióxido de carbono con el fin de eliminar el contaminante y aumentar la producción de hidrógeno. Esta parte del proceso se compone de dos reactores shift, uno de alta temperatura entre 300

– 400 °C [1] que maneja un tiempo de residencia menor y por lo tanto menor conversión y otro de baja temperatura entre 200 - 250°C [1] con un tiempo de residencia y conversión mayores, a los que se les inyecta vapor de agua para hacerlo reaccionar con el monóxido. En ambos reactores la reacción se describe de la siguiente manera:

CO+H_2 O→CO+H_2

Ecuación 2

Como productos de esta etapa, se obtiene una mezcla de gases CO2 y H2 en su gran mayoría los cuales son introducidos a una torre de absorción con el fin de generar una producción de hidrógeno con una pureza de 96% usando aminas como agente absorbente.

A continuación, presentamos el diagrama BFD del proceso anteriormente descrito:

Figura1. Blocks flow diagram. (BFD)

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL PROCESO

El gas natural utilizado en el proceso se extrae del campo Ballenas, ubicado en el departamento de la Guajira. El proveedor encargado del transporte y la comercialización es la empresa PROMIGAS ubicada en la ciudad de Cartagena.

Se escogió este gas natural debido a que en este campo, las concentraciones de sulfuros, tienden a ser nulas.

La corriente de gas natural se mezcla con una corriente de oxígeno en la tubería, estas corrientes ingresan al compresor C-101, para llevar de 100 kPa a 250 kPa, luego se procede a enfriar en la unidad E-101 a 34.64 °C, para luego comprimirse en el equipo C-102 a una presión de 619 kPa.[5]

Al salir del compresor se precalienta con el horno de fuego directo H-101 para aumentar su temperatura de 135.2 °C a 431.5 °C. Con esto se favorece la reacción a alta temperatura. El reactor PFR-101 utiliza como catalizador el Ni/MgAl2O4, la reacción que se lleva al cabo es

〖CH〗_4+〖0.5O〗_2→CO+2H_2

Ecuación 1

Estos productos obtenidos en la corriente 8 se mezclan con una corriente de vapor de agua, después esta mezcla se introduce a los equipos PFR-201 y PFR-301 respectivamente, el catalizador utilizado es Fe3O4/Cr2O3 y la reacción que se realiza en estas unidades es:

CO+H_2 O→CO+H_2

Ecuación 2

Como la corriente de productos contiene gran cantidad de CO2, fue necesario implementar un sistema de separación para lograr obtener la pureza de hidrógeno deseada. A continuación, se explicará el funcionamiento de este.

Al salir del tren de reactores la corriente de los productos se ingresa a la unidad E-401 para enfriarla de 352.3 °C a 34.58 °C, para ser sometida a un proceso de compresión de 4 etapas para alcanzar la presión requerida por la torre de absorción empacada (T-401), la cual utiliza aminas (DEA) [4], el rendimiento óptimo de las aminas se da a temperaturas bajas y presiones altas, por eso fue necesario el tren de compresores.

Como es necesario que las aminas entren a la misma presión de la corriente de productos, es importante aumentar la presión 178 kPa a 6000 kPa por medio de un tren de bombas. Con este proceso de obtuvo una pureza de H2 de 96.2 %

La corriente de desechos (corriente 28) se introduce a un sistema de recuperación de aminas, esto es debido a su alto costo. El orden del sistema de recuperación es el siguiente: un separador flash (V-501), seguido por una torre de absorción de (platos T-501) y se procede a la implementación de dos enfriador (E-601 y E-602) que disminuyen la temperatura de 125 °C a 51 °C, para luego introducirse al tren de bombas y así completar el reciclo. Cabe aclarar que la corriente fresca de aminas se introduce en el equipo MIX-601.

ESTRATEGIAS DE DISEÑO DEL PROCESO

SUPOSICIONES PARA LA TOMA DE DECISIONES EN EL DISEÑO DE LOS EQUIPOS Y LA PLANTA

Se utilizará un tren de compresores con el fin de disminuir el gasto energético en el proceso, ya que la cantidad de energía que se requiere demanda un

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