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Ciencias Bsicas e Ingeniera

Departamento de Ingeniera de Procesos e Hidrulica

Dimensionamiento de una Unidad para la Produccin de Hidrgeno a partir de Gases Residuales

PROYECTO TERMINALQue para obtener el grado acadmico de LICENCIADO EN INGENIERA QUMICA PRESENTAN

Palacios Sampedro Eric Manuel Ulin Avila Carlos Antonio

Mxico, D.F.

MAYO

2002

INDICE

Objetivo

1

I.

INTRODUCCIN I.1 Importancia econmica del Hidrgeno y problemtica actual I.2 Hidrotratamiento I.3 Proceso Claus I.4 Usos del Hidrgeno I.5 Produccin Industrial del Hidrgeno I.6 Proceso propuesto para la produccin industrial de H2 Revisin Bibliogrfica II.1 Disociacin trmica del H2S II.2 Catalizadores utilizados para la disociacin del H2S Metodologa Experimental III.1 Diseo del sistema para la evaluacin de la tasa de reaccin III.2 Evaluacin de la influencia de los Fenmenos de Transporte III.3 Evaluacin de la tasa de reaccin del DSD-14 del IMP.

2 3 4 5 7 7 10

II.

11 12 14

III.

15 16 18 19

IV.

Diseo del Equipo IV.1 Diseo del equipo auxiliar IV.2 Organizacin de la planta Anlisis Econmico V.1 Evaluacin de la Tasa Interna de Retorno

22 23 27 28 29

V.

CONCLUSIONES

30

APNDICES

31

AGRADECIMIENTOS

Deseamos expresar nuestros ms sinceros agradecimientos a las siguientes instituciones: A la Universidad Autnoma Metropolitana Unidad Iztapalapa, por haber forjado en nosotros un espritu de lucha y superacin, adems de ensearnos que el conocimiento es la mejor arma para salir triunfante en la vida. Al Instituto Mexicano del Petrleo (IMP) por habernos brindado su apoyo en la realizacin de este proyecto.

As tambin, queremos hacer patente nuestro agradecimiento a las siguientes personas: Al Dr. Jos Antonio de los Reyes Heredia por el gran apoyo brindado en los momentos ms difciles durante la realizacin del proyecto. Al Dr. Jos Ascencin Montoya de la Fuente, por sus acertados y valiosos comentarios e invaluable apoyo. Al M. Jos Pacheco y al M. Angel Flores por habernos brindado su apoyo de manera incondicional.

OBJETIVO

Dimensionar una unidad para la produccin de H2 , valorizando el contenido de H2S presente en las corrientes de gases residuales, producidos en los procesos de hidrodesulfuracin en las refineras.

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CAPITULO I

INTRODUCCIN

2

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I.1

Importancia econmica del Hidrgeno y Problemtica Actual

El hidrgeno es un gas que en condiciones ambientales es inodoro, incoloro, inspido, y es la sustancia ms ligera (vase Anexo A). El hidrgeno existe en ciertos gases volcnicos, en mezclas de otros gases naturales y a la putrefaccin de materias orgnicas. Su presencia en la atmsfera tiene una concentracin menor a 1 parte por milln (ppm). El primer reconocimiento del hidrgeno se atribuye a Paracelso, quien dijo que cuando reaccionan el hierro y el cido sulfrico se produce un aire que sopla como el viento. En 1700, Lemery demostr que una mezcla de hidrgeno y aire haca explosin cuando se le aplicaba una llama. Cavendish, en 1766, determin la naturaleza del gas, al que dio el nombre de aire inflamable. En 1781 demostr que el hidrgeno arda en el aire para no formar otra cosa que agua. El nombre hidrgeno, formado de races griegas, significa productor de agua y fue aplicado a este gas en 1783 por Lavoisier. En la actualidad, obtener combustibles que no causen daos al medio ambiente y contar con los recursos necesarios para generarlos, a dado lugar a un cambio en la estructura productiva de la refinacin del petrleo en Mxico. La demanda nacional de productos ms limpios a partir de la refinacin trae consigo la necesidad de incrementar la cantidad de Hidrgeno (H2) necesario para llevar a cabo todas las operaciones de Hidrotratamiento1 (HDT). Actualmente, el hidrgeno juega un papel muy importante en el procesamiento de destilados del petrleo, el cual se desperdicia en gran parte, en los gases de purga que contienen hasta un 60% de H2. Es por este motivo que las investigaciones buscan un mtodo para recuperar el H2 de estas corrientes. Debido a estas circunstancias, la recuperacin de hidrgeno adquiere una relevancia importante. Pero hay que tener en cuenta los siguientes aspectos: La produccin de hidrgeno tiene un alto costo Se requiere de H2 altamente puro El ahorro en el consumo de gas natural, que se reforma para producir H2. En suma, es importante producir H2 de procesos alternativos.

1

Hidrotratamiento: Proceso en el cual se lleva a cabo la adicin de hidrgeno en la estructura molecular de un compuesto qumico, eliminando azufre y reduciendo la contaminacin metlica de los destilados del petrleo.

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Uno de estos procesos, el ms estudiado actualmente, es la disociacin del H2S, gas que se encuentra en los gases residuales que provienen del proceso de HDT, los cuales son conocidos como gases amargos2. Se abordar en este proyecto de investigacin la factibilidad econmica, rentabilidad y aplicacin de este nuevo proceso dentro de las refineras de nuestro pas.

I.2

Hidrotratamiento

El hidrotratamiento es una de las operaciones ms importantes que se llevan a cabo durante la refinacin del petrleo. Este proceso ha cobrado una nueva importancia en la actualidad, debido a que a partir de este proceso se cuenta con fracciones de petrleo con una menor cantidad de impurezas, como el Azufre(S,S2,S8), Nitrgeno(N2) y algunos metales como el Vanadio(V) que llegan a envenenar a los catalizadores de otros procesos. [2] Una de las aplicaciones ms importantes del hidrotratamiento es la hidrodesulfuracin, la cual se encarga de eliminar el azufre de las fracciones del petrleo. Como se observa en la Figura 1, los destilados intermedios del petrleo son procesados en un reactor cataltico que elimina la mayor cantidad de azufre en los compuestos azufrados, dando como subproducto al gas amargo.

Figura 1. Proceso de hidrodesulfuracin (HDS) de destilados intermedios.

Para ilustrar el proceso HDS, tomaremos de ejemplo la deshidrodesulfuracin del Tiofeno. Este compuesto azufrado es uno de los muchos que existen en los destilados del petrleo. Como podremos observar en la Figura 2, el H2 es de vital importancia para que se elimine el Azufre del Tiofeno y del Tetrahidrotiofeno en las trayectorias de reaccin k2 y k3 y k4,2

Gases amargos: Mezcla de gases residuales de los procesos de hidrotratamiento que contiene principalmente cido sulfhdrico H2S.

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respectivamente, sufriendo una serie de reacciones de hidrogenacin, dando como productos hidrocarburos y H2S.

Figura 2. Trayectoria de reaccin de HDS de tiofeno.

I.3

Proceso Claus

El Proceso Claus fue inventado y diseado con el objetivo principal de recuperar azufre a partir del H2S contenido en los gases amargos en 1883 [3]. Actualmente, este proceso adems lleva a cabo otro objetivo importante, el cual es disminuir las emisiones de H2S a la atmsfera, ya que este gas es corrosivo y altamente txico. El no controlar estas emisiones puede producir severas alteraciones al medio ambiente, ya que puede producir lluvias cidas e intoxicasiones muy peligrosas en el ser humano. Actualmente se utiliza el Proceso Claus modificado, el cual est formado por dos grandes etapas: la trmica y la cataltica (vase Figura 3). La etapa trmica se lleva a cabo con el siguiente equipo: un Horno (CF-1401), un Condensador (CH-1301) y una caldera CB-1601.En esta etapa una tercera parte del H2S que entra, es oxidado a SO2 por combustin con aire en el horno (CF-1401), llevndose a cabo la siguiente reaccin: 2H2S + 3O2 2H2O + 2SO2 ____(1) La temperatura del horno oscila en un dominio de temperaturas entre 1000 y 1400C.

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Figura 3. Diagrama del proceso Claus en la refinera de Salamanca, Gto, MEX.

En la etapa cataltica consiste de 2 mdulos. Cada mdulo est compuesto por un precalentador (CF-1402,CF-1403), un reactor cataltico que utiliza como catalizador de Cobalto-Molibdeno soportado en gamma-alumina (CoMo/-Al2O3) (DR-1202-1, DR-12022) y un condensador (CH-1302, CH-1303). En cada reactor se lleva a cabo la siguiente reaccin 2H2S + SO2 2H2O + 3S (2)

donde el remanente de H2S que no reaccion en la etapa trmica reacciona a bajas temperaturas con respecto a la etapa trmica (200 350C) para producir azufre. Es importante que se mantenga una proporcin de H2S:SO2 de 2:1 para obtener un mximo de recuperacin de azufre. La corriente final del proceso de Claus es conocida como gas de cola, la cual contiene an compuestos de azufre y componentes combustibles (H2S, H2 y SO2) que son quemados despus en una unidad de incineracin.

6

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I.4

Usos del Hidrgeno

Actualmente, el uso ms importante del hidrgeno es para la produccin de amonaco, hidrogenacin de aceites, grasas vegetales y animales para producir manteca vegetal, margarina, etc. Otros aceites son hidrogenados para usarlos en la fabricacin de jabn, lubricantes, pinturas y barnices. En la industria petroqumica se utiliza principalmente para los procesos de hidrotratamiento. Adems, tambin se usa como combustible para cohetes, naves espaciales y para las nuevas de celdas de combustin. Por ejemplo, el proceso de HDT de destilados intermedios como se ilustra e