Reformado Del Gas de Sintesis

7/25/2019 Reformado Del Gas de Sintesis

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Reformado del gas de sintesis


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REFORMADO DEL GAS NATURAL

UTILIZACION DEL GAS NATURAL

Los usos del gas natural comprenden su empleo como: fuente de energa

primaria, domiciliaria e industrial, materia prima petroqumica, combustible para

vehculos y otras formas de empleo que se puede a preciar. Si bien su uso ms

extendido es como fuente de energa primaria, en este trabajo veremos la

importancia del gas natural como materia prima.

Empleo del gas naturalSECTOR APLICACIONES PROCESOS

ndustrial

!eneraci"n de vapor

ndustria de alimentos

Secado

#occi"n de productos cermicos

$undici"n de metales

%ratamientos t&rmicos%emple y recocido de metales

!eneraci"n el&ctrica

'roducci"n de petroqumicos

Sistema de calefacci"n

(ornos de fusi"n

#omercio y

Servicios

#alefacci"n central

)ire acondicionado

#occi"n*preparaci"n de alimentos

)gua caliente

+nerga#ogeneraci"n el&ctrica

#entrales t&rmicas

esidencial

#ocina

#alefacci"n)gua caliente

)ire acondicionado

%ransporte%axis

-uses Fuente Te!nolog"a del Gas Natural# $%&'( )Re*( +,-l,ogr.*,!a /0

FUENTE DE ENERG1A PRIMARIA

#omo fuente de energa primaria el gas natural posee excelentes propiedades

tanto para su empleo dom&stico como industrial. +ntre las principales ventajas se

puede mencionar las siguientes:

!enera productos de combusti"n no corrosivos ni contaminantes. Su combusti"n es fcilmente controlable. 'resenta escasos o nulos problemas de almacenamiento. 'osee una eficiencia mayor al resto de los combustibles Se puede consumir en forma directa sin necesidad de procesos previos de

acondicionamiento.


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Su coste de utiliaci"n es inferior que los correspondientes a los derivados

del crudo y al carb"n.

EL GAS NATURAL COMO MATERIA PRIMA PETRO2U1MICA

La transformaci"n del gas natural en productos qumicos y petroqumicos es laalternativa que ms incrementa su valor a/adido.

+l consumo de gas natural en el mundo es de 0010 -#2 aproximadamente, las

reservas establecidas alcanan los 345.3 %#2 y la relaci"n reservas*consumo es

un 678 superior a la del petr"leo. ) pesar de estas cifras, y de las ventajas que

ofrece el gas natural, solo el 68 se utilia como materia prima de productos

qumicos. ) su ve, de este 68, el 478 se emplea para fabricar amoniaco, el 368

para producir metanol y el resto para otros productos.

Sin embargo durante los 9ltimos 7 a/os y en particular despu&s de la crisis del

petr"leo en 3150 las empresas han intensificado las tareas de investigaci"n y

desarrollo sobre nuevos procesos que emplean el gas natural como materia prima,

especialmente en aquellos pases que poseen abundantes reservas y la

tecnologa e infraestructura necesaria para su desarrollo.

Comple3os petro4u"m,!os

La industria petroqumica, es la industria que se encarga de transformar

qumicamente los componentes del !as ;atural y sus condensados y otros

hidrocarburos lquidos en otros materiales de mayor valor agregado.

+l gas natural y el petr"leo son las materias primas de la gran mayora de los

productos qumicos de uso masivo. )quellos que se obtienen directamente de

dichas materias primas se denominan intermediarios de primera generaci"n


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MATERIA PRIMA

(Gas Natutal, 230-260 !"#TM$

(%rudo, 6&0-'20 !"#TM$

PETR)*MI%A +!I%A''2-2 !"#TM

PETR)*MI%A INTERME.IA2-/2/3 !"#TM

PETR)*MI%A INA1/2/3-/33 !"#TM

Fuente Os,nergm,n# Industr,a Petro4u"m,!a# 56$$( )Re*( +,-l,ogr.*,!a 770

Los procesos claves que dan lugar a los intermediarios de primera generaci"nson: reformado con vapor, craqueo con vapor y reformado cataltico. +stos

procesos estn identificados con los tres principales complejos petroqumicos:

> #omplejos basados en la qumica del gas de sntesis #omplejos aromticos, tambi&n empleados en la industria de la refinaci"n del

petr"leo para producir gasolinas de alto octanaje, tienen como proceso clave el

reformado cataltico de gasolinas. !eneran fundamentalmente, benceno, tolueno,

xilenos y etilbenceno.

La figura .37 presenta el valor promedio de la industria petroqumica en cada una

de sus etapas, y tomando como materia prima al gas natural y al petr"leo crudo.

Cadena de 8alor de la ,ndustr,a petro4u"m,!a


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Fuente Os,nergm,n# Industr,a Petro4u"m,!a# 56$$( )Re*( +,-l,ogr.*,!a 770

ENFO2UE DEL ESTUDIO DEL GAS NATURAL A GAS DE S1NTESIS

@ebido a la gran variedad de productos qumicos que pueden obtenerse de los

constituyentes principales del gas natural, separemos a estos en tres grupos:

metano, etano y L'!


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+l gas de sntesis se emplea para sintetiar compuestos orgnicos o inorgnicos,

producir combustibles lquidos, reducir el mineral de hierro, generar atmosferas

reductoras necesarias en la fabricaci"n del vidrio y en los procesos sider9rgicos,

producir gas ciudad, etc. Las ilimitadas aplicaciones del gas de sntesis hacen que

numerosas industrias lo utilicen, por ejemplo la industria sider9rgica, metal9rgica,

del vidrio, alimentaria, etc.

+l hidr"geno y el mon"xido de carbono conocidos conjuntamente como gas de

sntesis son dos de los ms importantes bloques de construcci"n de la industria

qumica. +l hidr"geno se usa principalmente en la sntesis de amoniaco y metanol,

as como en el refinamiento del petr"leo. +l mon"xido de carbono se usa para

producir pinturas, plsticos, espumas, pesticidas e insecticidas, entre otros.

UTILIZACI9N DEL GAS DE S1NTESIS

La mayor parte del gas de sntesis obtenido en la industria se destina a la

producci"n de amoniaco. @el total de gas de sntesis producido, aproximadamente

el H08 se emplea en la sntesis de amonaco, el 338 para la sntesis de metanol y

el 08 para la producci"n de (, que se utilia en los procesos de

hidrotratamientos que se llevan a cabo en las refineras.

@e acuerdo con la figura .33, tras la producci"n de metanol, el gas de sntesis

tambi&n se utilia como producto intermedio en la producci"n de petr"leo sint&tico,

para su uso como combustible o lubricante a trav&s de la sntesis de $ischer>

%ropsch, y previamente al proceso 2obilpara convertir metanol en gasolina.

)dems, una peque/a proporci"n de la producci"n total de gas de sntesis sedestina a la generaci"n de electricidad, principalmente a trav&s de la gasificaci"n

integrada en ciclo combinado


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'4

2/4

/04

4

'4 /4

Amonia5o

62 7ara re8nerias

Metanol

Ele5tri5idad

Te5nologia GT1 (gas a li9uido$

tros

F,gura 5($$ Mer!ado mund,al para el gas de s"ntes,s

Fuente Adaptado de Ed:ards ;


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Gas de !:ntesis

(62 - %$

Metanol

%i5loa5;ti5o

Etanol -Etileno

Pro5esoM+I1

0olmalde


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alta temperatura y presi"n. La reacci"n tiene utilidad en una planta para disminuir

la contaminaci"n.

Reformado autotrmico. +l reformado autot&rmico


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>?enta@a%ataliBadoresdeNiCAla=a@astem7eraturasDAlse7ararel62eneE5esodelgasdesintesis(sCngas$7uedeser5omer5ialiBado>.esFenta@aAltafra55ionde62#%,9uedisminuCeel5re5imientodela

5adenaDRea55ionligeramenteendotermi5aGmuC5ostosaDPro5eso Reformado de?a7or (!MR$

%6 H 62 I % H 362

>?enta@aRea55ionligeramenteeEotermi5aDfra55ionde62#%(2/$ideal7aralas:[email protected]%am7os5onalto5ontenidode%2D>.esFenta@aAltatem7eraturaC7resionD+a@afra55ion62#%DPro5eso

endot;rmi5oPro5eso Reformado de

%2%6 H %2 I 2% H 262

>?enta@a!eunelaoEida5ion7ar5ialCelreformadodeFa7orDPresionesCtem7eraturasmoderadasDAlusarairesedisminuCeelalto5ostodela7lantadese7ara5iondeaireD>.esFenta@aRea5toresmasgrandessiseusaairedire5tamenteD

Pro5eso Reformadoautot;rmi5o (ATR$

>?enta@a1area55iKnselleFaa5a=o7orlaioniBa5iKndelgasDAaltatem7eraturanosere9uiereoEigenoD>.esFenta@aAltane5esidaddeenergia,7orlo5ualsoloes5omer5iala

7e9ueLaes5alaD+a@ae85ien5iaD

Pro5eso Plasma

Benta3as = des8enta3as de !ada pro!eso

Fuente Ed:ards ;


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condensaci"n el producto de la reacci"n en forma de soluci"n acuosa de metanol.

Los modernos cataliadores de "xidos de cobre, meclado con "xidos de inc y de

aluminio


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#ompresi"n del gas de sntesis.

Sntesis.

La reacci"n para hacer el amoniaco es la siguiente:

N2+3H22NH3 H=22,08Kcal /molo52.5KJ/mol (2.3)

no de los principales productos secundarios en la fabricaci"n del amoniaco es el

di"xido de carbono. +ste gas tiene muchas aplicaciones industriales. 'or ejemplo,

cuando se comprime, el di"xido de carbono se transforma en el hielo seco que se

usa como refrigerante en carritos de helados. %ambi&n encuentra amplia

aplicaci"n en la fabricaci"n de agua mineral y de bebidas gaseosas en general.

La mayor parte del amoniaco se usa para hacer fertiliantes tales como el nitrato

de amonio, sulfato de amonio, urea, fosfato de amonio y amoniaco disuelto en

fertiliantes lquidos y s"lidos.

Atras aplicaciones industriales incluyen la fabricaci"n de reactivos qumicos como

el cido ntrico, acrilonitrilo y cido cianhdrico, que se utilian para hacer

explosivos, plsticos, fibras sint&ticas, papel, etc.


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. 'ara el proceso de cogeneraci"n de vapor y generaci"n de energa el&ctrica.0. 'ara la manufactura del amoniaco


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TECNOLOGIAS TRADICIONALES PARA LA O+TENCI9N DE GAS DES1NTESIS

REFORMADO DE BAPOR

+l procedimiento ms empleado a escala industrial para la producci"n de gas de

sntesis es, hoy en da, el reformado de vapor

principales reacciones qumicas cataliadas son:


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C H4+H2 OCO+3H2(3.1)

C H4+2H2O C O2+4H2(3.2)

CO+H2 O C O2+H2(3.3)

+cuaci"n general para la transformaci"n de un hidrocarburo a gas de sntesis:

CnHm+n H2 OnCO+[n+m2]H2(3.4)

+n el caso del metano, el sistema reaccionante est descrito por las tres

reacciones qumicas cin&ticamente independientes dadas por las ecuaciones


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-oudouard es exot&rmica y por lo tanto resulta penaliada por las temperaturas

superiores a H77M#.

C H4 C+2H2 H298=75Kj mol1(3.5)

2COC+CO2 H298=172Kj mol1(3.6)

La formaci"n de carb"n puede causar severos problemas operacionales en un

gran n9mero de procesos catalticos industriales, por lo que debe ser inhibida con

el objeto de evitar el bloqueo del lecho cataltico, la aparici"n de puntos calientes,

el envenenamiento y la destrucci"n textural del cataliador.

Atra de las principales causas de desactivaci"n de los cataliadores metlicos en

este proceso es el envenenamiento por aufre, el cual est presente en la

alimentaci"n y el sinteriado metlico que se puede producir debido a que el

cataliador est expuesto a las altas temperaturas del proceso. 'ara prevenir el

envenenamiento del cataliador metlico por compuestos de aufre, la corriente

de gas natural debe ser pre tratada antes de su paso por el reformador. +n cuanto

a la desactivaci"n por deposici"n de carb"n en los sitios activos del cataliador se

evita, a nivel industrial, operando el reformador con exceso de vapor de agua


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La reacci"n de gas de agua o I!S se puede expresar seg9n la siguiente

ecuaci"n:

CO+H2 O H2+CO2 H298=41Kj mol1(3.8)

@ebido a la naturalea endot&rmica de la reacci"n de reformaci"n


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@e acuerdo con ostrup>;ielsen, los reformadores primarios contienen

usualmente entre K7 y K77 tubos, de entre H a 3 m de longitud, 57 a 3H7 mm de

dimetro y 37 a 7 mm de espesor de pared.

Los tubos son rectos y se disponen verticalmente colgados por su parte superior

de modo que puedan dilatarse y fluir hacia abajo libremente en un hornorectangular que opera a presi"n atmosf&rica. Los tubos del reactor contienen

cataliador, normalmente nquel disperso sobre un soporte de al9mina o espinel

de magnesio, en la forma de cilindros o anillos aschig, existen una gran variedad

de estos como se muestra en la figura 0., los cuales se encuentran distribuidos

en el mercado de acuerdo a su geometra pudiendo tener uno o varios agujeros

axiales, con respecto a su composici"n y a la empresa licenciante.

An,llos Ras!H,g @de5!m

Fuente K7 bar debido a las altas


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presiones en los lasos de sntesis, la necesidad de tener altos flujos y una baja

cada de presi"n por un lado y la conversi"n reducida y aumento de los costos al

usar altas presiones por el otro lado.

+l combustible quemado en los mecheros


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+n la d&cada de los a/os 31H7 y 57, los cataliadores utiliados para el reformado

de metano con vapor de agua se basaron en sistemas coprecipitados de nquel y

aluminio? un excelente trabajo de revisi"n sobre este tipo de sistemas fue

realiado por oss, 3140. Los cataliadores obtenidos por coprecipitacion,

presentan una fuerte interacci"n entre ambos metales, lo que parece jugar un

papel importante en el retardo del mecanismo de sinteriado. La principal

desventaja que presentan estos cataliadores es la menor resistencia mecnica,

en relaci"n a los sistemas soportados y la p&rdida de fase activa al resultar ocluida

por el s"lido en su interior


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mencionados


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OIDACI9N PARCIAL

La oxidaci"n parcial de metano %ropsch.

Los mecanismos qumicos que intervienen en la oxidaci"n parcial son muy

complejos pero se puede hacer una interpretaci"n simplificada tomando como

materia prima el metano? en este caso se puede considerar que ocurren las

siguientes reacciones:

CH4+1

2O

22H

2+C O H

298=36Kj mol1(3.9)

CO+H2 O C O2+H2(3.9 . a)

C H4 C+2H2(3.9 .b)

La primera es la reacci"n de combusti"n, altamente exot&rmica, y aporta el calor

necesario para la reacci"n, alcanando niveles de conversi"n cercanos a la unidad

y temperaturas del orden de 167 a 367 M#. La reacci"n de descomposici"n del

metano constituye la reacci"n no deseada. La presencia de #A y (A permite, en

cierta medida, combatir la formaci"n de carb"n. +s posible obtener un efluente

gaseoso con bajo contenido de metano y evitar la formaci"n de carb"n ajustando

la relaci"n inicial A*#(K.

La oxidaci"n parcial presenta la ventaja de ser una reacci"n exot&rmica para la

que no se requiere el uso de cataliadores. ;o obstante, si se opera sin

cataliador, son necesarias altas presiones y temperaturas, por lo que se suelen

utiliar cataliadores de ;i, los cuales pueden desactivarse a causa de dep"sitos

de carb"n. )dems, aunque la reacci"n de oxidaci"n parcial est

termodinmicamente favorecida, las selectividades se ven afectadas por la

formaci"n de (A y #A, resultantes de la oxidaci"n total del metano.

Las tecnologas de oxidaci"n parcial de fracciones petrolferas y gas natural

pueden ser t&rmicas


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rendimiento energ&tico es menor, principalmente debido a las dificultades para

recuperar y aprovechar el calor generado. La combinaci"n de una elevada

conversi"n de metano y alta velocidad espacial da lugar a la liberaci"n de gran

cantidad de calor, que puede da/ar el cataliador y convertir el proceso en

peligroso y difcil de controlar.

D,agrama de *lu3o del re*ormador de o,da!,?n par!,al

Fuente


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CH4+CO2 2CO+2H2 H298=247.4Kj mol1(3.10)

@ependiendo de las condiciones de operaci"n la reacci"n de reformado de

metano con #Apuede estar acompa/ada de varias reacciones secundarias, las

cuales determinan la selectividad del proceso. )s a temperaturas inferiores a477M#, es muy probable que ocurra la reacci"n inversa de desplaamiento con

vapor de agua o I!S 568 de #(K

y un 6>K68 de #A, y puede contener traas de ;, A, (S o #A. 'or lo tanto, el

reformado de biogs es fundamentalmente el reformado de metano con #A . +l

reformado de biogs a gas de sntesis, para la posterior producci"n de hidr"geno,


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se presenta como una opci"n ms efica que la combusti"n en turbina para

producir electricidad y llevar a cabo la electr"lisis de agua, o ms apto que la

eliminaci"n de #Apresente en el biogs seguido del reformado con vapor del

metano separado. )dems, el biogs presenta la ventaja frente al gas natural de

ser una materia prima renovable, local y de bajo costo.

'or 9ltimo, cabe mencionar el concepto de reformado mixto, es decir, la reacci"n

simultnea de metano con #A, (A y A. La combinaci"n de la reacci"n de

reformado seco con el reformado con vapor y*o la oxidaci"n parcial presenta

varias ventajas frente a llevar a cabo cada uno de los procesos de forma

individual:


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agua junto con oxgeno de origen criog&nico o, cuando se produce gas de sntesis

como se ilustra el la figura 0.6, este se puede ser usado para la fabricaci"n de

amonaco u otro producto intermedio.

La combusti"n de parte del gas con el oxgeno proporciona el calor necesario para

las reacciones de reformado.

Re*ormador Autotrm,!o

Fuente


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+n todo caso, el #A debe ser eliminado finalmente en una unidad de

descarbonataci"n absorbi&ndolo con una soluci"n de carbonato potsico a

presi"n, que pasa a bicarbonato y luego se regenera mediante aporte de calor y

bajando la presi"n, seg9n la reacci"n reversible.

CO2+H2 O+K2C O3 2KHCO3(6)

Caractersticas qumicas del proceso autotrmico

Las reacciones que ocurren en la ona de la combusti"n del reactor de reformado

autot&rmico son:

CnHm+n

2O

2nCO+

m

2H

2

C H4+ 12

O2 CO+2H2

H2+1

2O

2 H

2O

CO+1

2O

2CO

2

Las reacciones en la ona de reformado por vapor son las siguientes:

C H4+H

2OCO+3H

2

CO+1

2O

2C O

2+H

2

n cataliador del nquel en soporte de magnesio>al9mina se utilia en la secci"n

cataltica del lecho fijo del reactor. Las reacciones de la formaci"n del carb"n son

prevenidas de ocurrir en la ona de la combusti"n, por la selecci"n cuidadosa de

las condiciones de operaci"n y mediante la mecla apropiada de las corrientes deentrada al proceso.

Las caractersticas de la temperatura, presi"n, eficiencia energ&tica de los

diferentes reformadores tradicionales se presentan en la tabla 0.3 donde adems

se puede observar la conversi"n eficiente que se lleva a cabo en cada una de

estas, su escala, consumo de vapor y la relaci"n (*#A. @e esta tabla se puede

afirmar que los reformadores ms importantes y con mayor conocimiento de su


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tecnologa y por su eficiencia para transformar metano en gas de sntesis son el

reformado de vapor y el reformado autot&rmico.

Ta-la ($ Compara!,?n entre los d,*erentes re*ormadoresRe*ormado

deBapor

Re*ormado deO,da!,?n Par!,al

Re*ormadode CO5

Re*ormadoAutotrm,!o

E*,!,en!,a energt,!a# 47>46 57>56 > 57>47Cara!ter"st,!as Trm,!as +ndot&rmico +xot&rmico +ndot&rmico Lig. +ndot&rmicoTemperatura# 370>3350 3K55>3535 > 3350>350Pres,?n# MPa .5>H.1 > 3.H>Rela!,?n 6 3.H> 3> 3.H>.6Con8ers,?n de C16 16>377 > 16>377O"geno ;ada )lto ;ada )ltoConsumo de Bapor )lto Apcional Apcional )ltoEm,s,ones )lto -ajo 2ediano -ajo

Es!ala Larga 'eque/a a Larga 'eque/a Larga

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