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 equipo de grandes dimensiones y alto costo.

El calentador E-102 que se implementará será un horno, esto se debe a que el cambio de temperatura requerido en la corriente no es posible de alcanzar con un intercambiador de calentador convencional, debido a que el vapor de calentamiento no alcanza temperaturas mayores a aproximadamente 260 [°C].

Los catalizadores implementados poseen una vida útil corta, favoreciendo su fácil de adquisición y bajo costo. Por estas razones se trabaja con catalizadores metálicos.

Se implementó la utilización de dos reactores SHIFT con el fin de eliminar la presencia del CO y aumentar la producción de hidrógeno por medio de la inyección de una corriente de vapor de agua.

El tipo de empaque de la torre es metálico, ya que las sustancias a absorber no son tan corrosivas, además que esto favorece a la disminución de costos.

Como las aminas trabajan a altas presiones y bajas temperaturas se utilizaron un enfriador y un compresor, para garantizar las condiciones requeridas y así garantizar una mayor absorción.

ELECCIÓN DE PAQUETES TERMODINÁMICOS

Se implementaron dos paquetes termodinámicos en el proceso:

Acid gas: Sección de purificación, debido a la presencia de aminas, las cuales son altamente corrosivas.

Peng Robinson: Sección de oxidación parcial, debido a las sustancia en el proceso son de naturaleza apolar y se pueden modelar como gases ideales.

MATRIZ DE CONDICIONES ESPECIALES

La justificación del uso de condiciones especiales en los equipos del proceso para producir hidrogeno por la tecnología de oxidación parcial se muestra en la pestaña matriz de condiciones especiales en la memoria de cálculo.

4. COSTOS DE CAPITAL DEL PROYECTO

4.1 SUPOSICIONES PARA EL CÁLCULO DEL FCI

Para realizar el cálculo de FCI es necesario tener presente principalmente los costos de los equipos a las condiciones propias de cada uno teniendo en cuenta parámetros importantes como temperaturas, presiones y materiales de construcción, los cuales se tomaron de la herramienta de Excel PECEv2.3, además, del costo del terreno el cual también influye directamente en el cálculo de FCI.

Para calcular el costo de terreno se emplearon los valores encontrados en literatura, para los precios actuales de terrenos en Cartagena de Indias en Colombia. El precio encontrado para ese terreno es de 620,000 COP por m2, ubicado en la zona franca de la Candelaria, ya que tiene gran cercanía con el puerto de Mamonal y CONTECA, además de estar cerca de la zona industrial de esta ciudad, lo que permite acceder de manera sencilla a las materias primas por medio de ductos; también cuenta con un contenedor de carga de y vías de acceso, lo que la convierten en un sitio asequible.

La totalidad del área del terreno utilizada

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