SÍNTESIS DE METANOL

1. INTRODUCCION

A lo largo de la historia se ha ido usando diferentes tipos de combustibles, y con la demanda de energía mundial que va en ascenso, y a partir de la crisis del petróleo de 1973, se desarrollaron tecnologías alternativas para la generación de energía y de otros combustibles. Las alternativas fueron la energía nuclear, fuentes no convencionales como la solar, eólica, biocombustibles, producción de metano. Sin embargo cada una de ellas no es tan viable como solución a largo plazo para absorber la creciente demanda de energía y para reemplazar al petróleo como combustible. La energía nuclear requiere un costo de inversión elevado, y su peligrosidad ha hecho que la mayoría de los países con proyectos nucleares retrasen o sencillamente suspendan sus programas para la implementación de centrales nucleares. La generación a partir de la fuente solar, eólica necesita todavía de un significativo desarrollo tecnológico antes de poder cubrir los requerimientos de energía actuales. Los recursos renovables, tales como el metano, biomasa, madera no pueden tampoco cubrir con la demanda industrial y doméstica.

Como respuesta a las necesidades energéticas por el crecimiento acelerado del mundo, la solución más viable para poder cubrir el creciente consumo energético y no depender mucho del petróleo es la utilización del gas natural en sus diversos productos, es decir utilizarlo como materia prima para la petroquímica básica, el gas natural al ser una de las energías no renovables más limpias, poseer un índice de poder calorífico alto, y con un coste en el mercado internacional bajo, a comparación de la que tiene el petróleo, a tomado mucha relevancia para poder sustituir al petróleo o por lo menos ayudar a cubrir la demanda creciente del mundo de energía que es cada vez más grande.

El gas natural al ser unos de los combustibles fósiles menos contaminantes y al ser materia prima para diferentes productos de la industria, a toma importancia en el mundo como en nuestro país, desde los descubrimientos de los mega campos de gas, el país se encuentra en tiempos de abundancia gracias al gas natural que se exporta. Pero para que el país tenga mayores oportunidades no solo debe exportar el gas natural como materia prima, sino que también puede industrializarlo con lo cual puede obtener un valor agregado del gas natural.

De lo que se trata aquí es de dar a conocer las posibilidades que tiene el país al poder industrializar el gas natural, las características y bondades que tiene este como materia prima para la elaboración de productos derivados de alto valor agregado, como fertilizantes, materias semielaboradas para la producción de plásticos (parafinas, olefinas y alcoholes orgánicos), gasolina y diesel oíl. También es utilizado para la reducción directa del hierro en las plantas siderúrgicas que pueden tener un impacto socio económico importante sobre el país.

2. ANTECEDENTES

La importancia del gas natural como materia prima en los procesos industriales no ha cesado de crecer desde su introducción en los EEUU en el año 1932 y ha tomado más importancia desde la

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primera crisis del petróleo. De la Industrialización del gas natural pueden obtenerse diversos productos químicos de interés para la industria química, petroquímica y alimentaria.

A nivel mundial, la mayor parte de la utilización del gas natural como materia prima sirve para la producción del hidrógeno necesario para la síntesis de amoniaco. El segundo uso permite la síntesis del metanol y el resto se destina para usos varios. Las investigaciones llevadas a cabo para obtener nuevos productos y mejorar la tecnología han sido conducidas por importantes empresas químicas y petroquímicas como: Exxon, Union Carbide, ICI, BP, Monsanto, IFP, BASF, etc.

Una forma de poder obtener diferentes productos químicos y petroquímicos es transformando el gas natural en gas de síntesis o Sintegas (Syngas, en inglés), este es un combustible gaseoso con porcentajes variados de hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO), a partir de una composición óptima de H2/CO se pueden obtener productos para la petroquímica intermedia como el metanol. El metanol también conocido como alcohol metílico, alcohol de madera o espíritu de la madera, es un compuesto químico de fórmula CH3OH (MeOH).

El metanol tiene una gran variedad de aplicaciones, en la antigüedad los egipcios lo empleaban para el embalsamiento, este lo obtenían por pirolisis de la madera. En la actualidad el uso más frecuente es como materia prima para la producción de formaldehido, ácido acético, cloro metanos, metacrilato de metilo, metilaminas, dimetil tereftalato, metil ter butil éter (MTBE), como solvente o anticongelante en pinturas, como combustible, producción de biodiesel, etc.

La química del metanol comienza con el químico Robert Boyle en 1661, en 1834 los químicos franceses Jean Baptiste Dumas y Eugene Peligot determinaron su composición elemental. El nombre llega en 1892 durante la conferencia Internacional de Nomenclatura Química. Lugo, durante 1923 los químicos de la empresa BASF (Badische Anilin & Soda Fabrik), desarrollaron un método de síntesis para convertir gas de síntesis a metanol. El proceso se patentó en 1926.

Este proyecto está enfocado en el estudio de la síntesis del metanol, la importancia que ha tomado este en la actualidad para la industria química, petroquímica, alimentaria y energética. Además se dará a conocer los múltiples usos que tiene el metanol en las diferentes áreas de la industria tanto como producto final o materia prima para la obtención de otros productos, y como se ha convertido en unos de los combustibles más comercializados en el mundo, así también las perspectivas del metanol para el futuro como combustible y generador de energía.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA3.1.IDENTIFICACION DEL PROBLEMA

Las diferentes actividades de exploración y explotación del gas natural, desarrolladas en los últimos años en Bolivia, han permitido el descubrimiento de un mega campo, llamado así por su capacidad de producción alta, en estos momentos el país tiene un potencial de este recurso para su industrialización y su aprovechamiento de forma efectiva. Es así que el gas natural, como materia prima, cumple un rol muy importante en la ofensiva de los diferentes planes de desarrollo nacional visualizados para los próximos años.

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Es muy importante poder desarrollar el sector hidrocarburífero en el país, para que no solo se comercialice el gas natural como materia prima, si no el de poder industrializarla para obtener más beneficios para el progreso nacional, tanto en el sector económico, social y tecnológico.

3.2.FORMULACION DEL PROBLEMA

El país al poseer gas natural en volúmenes favorables para su desarrollo solo necesita atraer capital de inversión extranjero para poder industrializar el mismo. El gas natural al ser materia prima para poder obtener otros productos como el metanol, el cual es esencial para las diferentes áreas de la industria como ser la farmacéutica, textil, cosmética, para el campo agrario, para el sector de los plásticos, etc., y al ser uno de los derivados más importantes del gas natural, está tomando importancia para poder ser usado en todas sus formas.

En este proyecto se dará a conocer los conceptos esenciales de la síntesis del metanol, los productos más importantes que se obtienen a partir de este, los cuales son base para la petroquímica final o producto final.

Lo que se pretende realizar es un estudio de investigación para poder tener el conocimiento sobre los aspectos técnicos y económicos que intervienen para lograr obtener metanol a partir de gas natural, esto se podrá lograr pudiendo saber la demanda que tiene nuestro país y los países vecinos sobre el metanol que vamos a obtener, y además comparar las tecnologías que otros países utilizaron para poder tomarlo como base de análisis.

4. OBJETIVOS Y ACCIONES4.1.OBJETIVO GENERAL

Evaluar la prefactibilidad técnica y económica para la obtención de metanol a partir de gas natural.

4.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS Y ACCIONES DE LA INVESTIGACION

Estudiar los conceptos básicos de la síntesis del metanol. Se ilustraran los conocimientos primordiales que conlleven la obtención de metanol a partir del gas natural, y como la industria petroquímica a avanzado tan significativamente que la podemos encontrar en la mayoría de los productos que facilitan nuestra vida diaria.

Verificar la capacidad de producción, consumo y exportación de gas natural en el país. A partir de los datos obtenidos de los procesos ya mencionados, se podrá saber si la propuesta de este proyecto es factible o no.

Determinar el mercado de metanol en el país y la región. Teniendo los datos de la demanda y oferta del metanol en la región se tendrá una perspectiva del rumbo que tomara la producción del metanol, también se podrá tener una idea de la capacidad de producción de metanol que debe tener la planta.

Extraer información de proyectos ya existentes de plantas de metanol. Al obtener información de plantas petroquímicas de metanol construidas en el mundo, se podrá realizar una comparación de

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la materia prima, la capacidad, y la tecnología que se utilizó en ellas con el fin de adaptarlas a las necesidades del país.

Estudiar el proceso más adecuado para la obtención de metanol. En este proyecto se conocerán diferentes tecnologías para la síntesis del metanol, con lo cual se tendrá que optar por la tecnología que favorezca a la parte técnica y económica del proyecto.

Realizar una simulación del proyecto con el software Aspen Plus. Con este programa se realizara una simulación en la que nos mostraran los diferentes equipos que se utilizaran, con sus respectivos balances de materia y energía. Así mismo se tendrá una idea del proceso por el cual pasara el gas natural para poder obtener metanol sintético.

Determinar el costo del proyecto. Se cuantificara si el proyecto es económicamente viable para la obtención de metanol a partir de gas natural.

5. JUSTIFICACION5.1.JUSTIFICACION TECNICA

Como se estuvo explicando en párrafos precedentes, el gas natural al ser industrializado tiene más ventajas y beneficios que exportarlo directamente. Con la industrialización pueden obtenerse una diversidad de productos y comercializarlos por separado.

Por esa razón se debe industrializarse el gas natural que tiene el país, ya que esto traerá desarrollo económico, tecnológico y progreso social. Además se creara una política de inversión, haciendo que el país sea un lugar donde las empresas puedan invertir, de esta manera nuestros recursos hidrocarburíferos y sus derivados podrán ser aprovechados por el país, convirtiéndonos de un país exportador de materia prima a uno exportador de productos finales para las diferentes industrias, como: la farmacéutica, textil, petroquímica, cosmética, etc.

5.2.JUSTIFICACION DEL PRODUCTO ELEGIDO

La necesidad de obtener metanol es porque está considerada como uno de los productos intermedios más importantes de la petroquímica, que a partir de este puede obtenerse diversos productos químicos de interés para la industria. Aquí se presenta algunos de los usos más convencionales que tiene el metanol.

El principal derivado del metanol es el formaldehido (H2CO) que se comercializa en disolución acuosa o como trioxano (un trímero del mismo) o como paraformaldehido (un oligómero) con destino a la preparación de resinas acetálicas (polioximetileno POM) y como reactivo de las reacciones de aldoholizacion para preparar los alcoholes multifuncionales (pentaeritriol, neopentilglicol, etc). El formaldehido está clasificado como líquido peligroso de baja toxicidad.

El Metanol se utiliza también como reactivo en la fabricación de éteres mejoradores del número de octano, como el metil terbutil.éter MTBE y para la síntesis del ácido acético. También puede usarse en el proceso MTG (Methanol to gasolina) de la compañía Mobil Oil mediante el cual se

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puede convertir el metanol en gasolina con un alto índice de octanaje y con un bajo índice de contaminación.

El metanol está considerado ampliamente como uno de los combustibles más prometedores para aplicaciones de celdas de combustible que están siendo desarrollados hoy en día para teléfonos celulares, computadoras portátiles y medios de transporte de menor escala como los scooters. Varias de sus cualidades distintivas lo convierten en el portador ideal de hidrógeno para vehículo a celdas de combustible del futuro y posiblemente sea capaz de proveer una fuente de energía alternativa para el hogar.

El metanol es utilizado para el tratamiento de aguas residuales. Las aguas residuales que se juntan en las plantas de tratamiento contienen, por lo general, altos niveles de amoniaco. Mediante un proceso de degradación de bacterias, este amoniaco es convertido en nitrato. Este proceso es llamado desnitrificación. Aceleradas por la adición del metanol, las bacterias anaerobias convertirán rápidamente el nitrato (NO3) en un inofensivo gas de nitrógeno (N2), el cual es liberado en la atmósfera.

El metanol también se utiliza para la obtención de biodiesel. El biodiesel es un combustible alternativo de combustión limpia elaborado a partir de elementos naturales y biodegradables como por ejemplo:

Aceites vegetales de soja, mostaza y aceite de palma. Grasas animales: despojos de aves, sebo y aceite de pescado. Aceites de cocina usados y grasas residuales de restaurantes.

Se hace reaccionar químicamente estas grasas y aceites con un alcohol, normalmente metanol, para producir éster o biodiesel. Se puede utilizar cualquier tipo de alcohol, el metanol es el preferido ya que es menos costoso que otros y permite un proceso de mejor reacción. Por cada diez volúmenes de biodiesel que se produce, un volumen de metanol es utilizado en el proceso.

El metanol es utilizado también en las siguientes aplicaciones:

Cristalización, precipitación y limpieza de sales halide alcalinasmetálicas Precipitación de resinas de poliestireno y chloroprene. Limpieza y secado de fracciones de carbón en polvo Disolventes de pintura. Limpieza de superficies metálicas Limpieza de resinas de intercambio iónico. Extracción de humedad y resinas de maderas Agente Extractor en la industria petrolera, química y alimenticia. Combustible para cocinas de camping y soldadores. Líquido anticongelante y limpia parabrisas para automóviles Anticongelante para deshidratación de oleoductos.

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5.3.JUSTIFICACION ECONÓMICA

Este estudio quiere mostrar los beneficios económicos que tendrá el país al industrializar el gas natural, pudiendo obtener un valor agregado del mismo, y no solo comercializarlo como materia prima que favorezcan a otros países. Este excedente de divisas que entren al país por la industrialización del gas natural servirá para el desarrollo del mismo, con lo cual se obtendrán más beneficios que con solo comercializarlo directamente como producto bruto.

6. ALCANCE6.1.ALCANCE TEMÁTICO

Elaboración de un diseño conceptual eficaz, mas no optimizado, de una planta de producción de metanol a partir de gas natural, aportando datos para un estudio más completo como por ejemplo la selección del proceso, el diseño de los equipos que intervienen, las distintas operaciones unitarias, la ingeniería de detalles, entre otras cosas.

Elaboración de una evaluación económica de un proceso que existen ya en otros países y que en el nuestro, queriendo aprovechar el gas natural que tenemos podemos hacerlo realidad, esta evaluación será analizada según la rentabilidad que lancen los indicadores económicos y así poder hacerla viable.

7. MARCO TEÓRICO

El uso del metanol data de hace millones de años, se cree que los egipcios utilizaban el metanol, con una mezcla de sustancias, para el proceso de embalsamamiento, el que obtenían mediante la pirólisis de la madera. Sin embargo, en 1661 Robert Boyle, aisló el metanol puro, cuando lo produjo a través de la destilación de madera de boj. Más tarde llegó a ser conocido como el espíritu piroxílico. En 1834, los químicos franceses Jean-Baptiste Dumas y Eugene Peligot determinaron su composición elemental. Ellos también introdujeron la palabra metileno en la química orgánica, formada a partir de la palabra griega methy= "vino" + hȳlē = madera. La intención era que significara «alcohol preparado a partir de madera», pero tiene errores de lengua griega: se usa mal la palabra "madera", y un orden erróneo de las palabras debido a la influencia del idioma francés. El término "metilo" fue creado alrededor de 1840 por abreviatura de metileno, y después fue utilizado para describir el alcohol metílico; expresión que la Conferencia Internacional sobre Nomenclatura Química redujo a «metanol» en 1892.

En 1923 los químicos alemanes Alwin Mittasch y Pier Mathias, que trabajan para BASF, desarrollan un medio para convertir un gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno) en metanol. La patente fue presentada el 12 de enero 1926. Este proceso utiliza un catalizador de óxido de cromo y manganeso, y requiere de presiones extremadamente elevadas que van desde 50 hasta 220 atm y temperaturas de hasta 450 °C. La producción moderna de metanol es más eficiente: se utilizan comúnmente cobre como catalizador capaz de funcionar a presiones más bajas. El metanol moderno de baja presión fue desarrollado por ICI a finales de

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1960 con la tecnología actualmente propiedad de Johnson Matthey, que es un licenciante líder de tecnología de metanol.

El uso de metanol como combustible de automoción recibió atención durante las crisis del petróleo la década de los 70 debido a su disponibilidad, bajo coste, y los beneficios medioambientales. A mediados de la década de 1990, más de 20.000 "vehículos de combustible flexible" (VCF) capaces de funcionar con metanol o gasolina se vendieron en Estados Unidos. Además, durante gran parte de la década de 1980 y principios de los 1990, en los combustibles de gasolina que se venden en Europa se mezclan pequeños porcentajes de metanol.

El metanol es un elemento químico básico utilizado en la fabricación de cientos de productos que afectan nuestras vidas diarias: desde pinturas, plásticos, muebles y alfombras, hasta piezas de automóviles y líquido limpiador de parabrisas. El metanol también es una fuente de energía emergente para el funcionamiento de coches, camiones, autobuses e incluso turbinas de energía eléctrica. El compuesto químico metanol, también conocido como alcohol metílico o alcohol de madera, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un líquido ligero (de baja densidad), incoloro, inflamable y tóxico que se emplea como anticongelante, disolvente y combustible. Su fórmula química es C H 3OH (MeOH), este contiene menos carbón y más hidrógeno que cualquier otro combustible líquido. Es una sustancia química estable biodegradable la cual tiene numerosas aplicaciones industriales y comerciales.

El metanol está disponible comercialmente en varios grados de pureza:

Grado C es el alcohol de madera usado.

Grado A es el metanol usado como solvente.

Grado AA es el más puro usado en aplicaciones químicas.

Las principales impurezas que se pueden encontrar en el metanol corresponden a sustancias como acetona, acetaldehído, ácido acético y agua.

La tabla subsiguiente establece los requisitos para el grado A metanol, uso o solvente, y AA grado, destinados a la generación de dióxido de hidrógeno o carbono. Grado AA diferencia de grado A, principalmente en etanol permisible, el agua y el contenido de acetona. ASTM D1152 también proporciona un estándar de metanol.

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GAS DE SÍNTESIS

El gas de síntesis se ha considerado, históricamente, un compuesto de alto valor estratégico como eslabón de transformación del gas natural y como fundamento de la producción de una larga gama de productos intermedios y terminados de uso masivo. La gran mayoría del gas de síntesis producido mundialmente se elabora a través del proceso de reformación de hidrocarburos como gas, naftas y carbón mineral, con vapor de agua en un medio catalítico. Hasta la década pasada, la capacidad de las plantas estaba en el orden de 2.500 a 4.000 TMD, sin embargo, desde hace cinco años se ha desarrollado y probado comercialmente la tecnología para plantas de 5.000 TMD de capacidad y mayores; cuya característica más relevante son los bajos costos de producción por efecto del factor de escala y el bajo consumo energético.

El desarrollo reciente de procesos integrados desde las unidades de generación hasta su transformación en petroquímicos básicos para la producción de una nueva gama de productos y derivados que han crecido consistentemente con el incremento de la oferta, haciendo posible vislumbrar a los productores precios estables con márgenes atractivos, principalmente para aquellos países que dispongan de reservas de materia prima, básicamente gas. Muchos de estos derivados se califican como combustibles amigables o ambientalmente limpios.

PROCESOS DE OBTENCION DEL GAS DE SÍNTESIS

El gas de síntesis (syngas) puede obtenerse por distintos métodos químicos, actualmente existe una gran variedad de procesos, los cuales se diferencian principalmente en la forma de aporte del calor necesario para que produzca la reacción química, y entre los más importantes podemos citar a los siguientes procesos:

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Reformado de vapor. El reformado de vapor es un proceso endotérmico realizado en presencia de un catalizador (Ni/Al) a bajas temperaturas. La desventaja principal es que es un proceso costoso.

Oxidación parcial. En el proceso exotérmico de oxidación parcial, el gas natural es oxidado parcialmente con oxígeno puro para producir hidrógeno y monóxido de carbono. Este proceso es relativamente costoso debido a que el consumo de oxígeno puro requiere de una planta de separación de aire y llevar a cabo, además, la reacción sin catalizador involucra alta presión y alta temperatura. Por esto, en algunos casos, se usa como catalizador generalmente el aluminio.

Reformado de CO2. El proceso de reformado de CO2 es más endotérmico que el de reformado de vapor. En éste se produce una baja relación H2/CO. Se utilizan alta temperatura y presión. La reacción tiene utilidad en una planta para disminuir la contaminación.

Reformado auto térmico. El reformado auto térmico (ATR) emplea la oxidación parcial y el reformado de vapor ya que ambos procesos se llevan a cabo en un mismo reactor. Produce gas de síntesis con una relación de H2/CO óptima. El aire puede ser usado directamente en lugar de oxígeno puro y el resultado es un gas de síntesis disuelto con N 2. En este proceso se requieren reactores ligeramente más grandes que los para la oxidación parcial, pero se elimina la planta de separación para obtener oxígeno puro, de esta forma se reduce el coste del capital para la construcción de la planta. La reacción se lleva a cabo con un catalizador de níquel a altas temperaturas y presiones moderadas.

USOS DEL METANOL COMO COMBUSTIBLE Y ENERGÉTICOS PETROQUÍMICOS.

Dentro de las aplicaciones del metanol, la mayor parte de la producción se utiliza como materia prima para la obtención de ácido acético y formaldehído, que a su vez son la base para la fabricación de materiales de construcción, espumas, resinas y plásticos. Una gran parte de la

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Ventaja: Catalizadores de Ni y Al a bajas temperaturas. Al separar el H2 en exceso del gas de sintesis (syngas) puede ser comercializadoDesventaja: Alta fraccion de H2/CO, que disminuye el crecimiento de la cadena. Reaccion ligeramente endotermica; muy costosa.

Proceso: Reformado de Vapor (SR)

CH4 + H2O = CO + 3H2

Ventaja: Reaccion ligeramente exotermica. fraccion de H2/CO (2:1) ideal para la síntesis de Fischer-Tropsch.Desventaja: Sin catalizador se requiere alta presion y temperatura. Planta de separacion de oxigeno.

Proceso: Oxidacion Parcial (POX)

CH4 + 1/2O2 = CO + 2H2

Ventaja: Disminucion de la contaminacion en la planta. Campos con alto contenido de CO2.Desventaja: Alta temperatura y presion. Baja fraccion H2/CO. Proceso endotérmico

Proceso: Reformado de CO2CH4 + CO2 = 2CO + 2H2

Ventaja: Se une la oxidacion parcial y el reformado de vapor. Presiones y temperaturas moderadas. Al usar aire se disminuye el alto costo de la planta de separacion de aire.Desventaja: Reactores mas grandes si se usa aire directamente.

Proceso : Reformado autotérmico (ATR)

producción de metanol se destina al sector de los carburantes, como aditivo para elevar el octanaje de las gasolinas (cuando es convertido a Metil Tert-Butil Eter, MTBE).

El metanol es empleado como anticongelante en vehículos, combustible de estufetas de acampada, solvente de tintas, tintes, resinas, adhesivos, biocombustibles y aspartame. Se utiliza para el tratamiento de aguas contaminadas o residuales, este permite biodegradar a muy bajo costo y con una alta eficiencia nitratos (desnitrificación).

El metanol es la via para transportar a gran escala, y económicamente más viable, el hidrógeno necesario en las celdas de combustión. Se usa en la transesterificación, reaccionando con triglicéridos en aceites vegetales o animales para formar ácidos grasos de alquil esteres (biodiesel) y glicerina. El metanol puede ser empleado como gas para crear sistemas de turbinas impulsadas con vapor para la generación de electricidad.

USOS DEL METANOLSECTOR APLICACIONES

Industria Química

Plásticos PET y propilenoFibras sintéticas

PinturasResinas

Películas magnéticasLaminado de vidrio de seguridad

AdhesivosSolventes

Pigmentos y tinturasRefrigerantes

Productos de limpiezaEnergía Generación eléctrica

Celdas de combustibleTransporte Taxis

Buses

RESERVAS ACTUALES Y FUTURAS DE GAS NATURAL EN BOLIVIA

Según una información extraoficial originada en la empresa encargada de la certificación de reservas de hidrocarburos (Ryder Scott), actualmente tendríamos 8.9 trillones de pies cúbicos (TCF) de reservas probadas.

Reservas probadas = 9,94 TCF

Reservas probables = 13, 65 TCF

Reservas posibles = 19.92 TCF

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PROCESO DE OBTENCIÓN DEL METANOL

Existen tres formas de producir metanol: a partir de la destilación destructiva de madera, a partir del gas de síntesis y a partir de residuos orgánicos. De las tres formas mencionadas anteriormente la de mayor uso es a partir de gas de síntesis, pues determina un mayor rendimiento.

El metanol se produce en unidades de gran capacidad de producción (2.000 Tm/a y mayores) a partir de gas de síntesis por reacción catalítica del hidrógeno con el CO y con el CO2:

2H 2+CO↔CH 3OH∆H=−22000Kcal /kg(7)3H 2+CO2↔CH 3OH +H2O∆H=−12000Kcal /kg(8)

a presión del orden de 50 atm y con grados de conversión relativamente bajos, por lo que es preciso recircular al reactor el gas no convertido, una vez separado por condensación el producto de la reacción en forma de solución acuosa de metanol. Los modernos catalizadores de óxidos de cobre, mezclado con óxidos de zinc y de aluminio (que evitan su sinterización y consiguiente pérdida de actividad), proporcionan un metanol bruto mucho más puro que el que se obtenía hace años con los catalizadores de óxidos de cromo y zinc, que además requería mayor presión parcial de CO en el gas reaccionante. Como impurezas pueden aparecer éter de dimetilo, acetona, formiato de metilo, además del agua, que se separan por destilación, pero generalmente, con los catalizadores más modernos se consigue en una única destilación la calidad comercial sin necesidad de purificar el metanol bruto.

El proceso más convencional consta de cuatro unidades claramente diferenciadas: la de reformado con vapor de gas natural, la compresión del gas de síntesis, el denominado bucle de síntesis y la destilación. No es necesaria la unidad de conversión de CO, pues la relación más conveniente entre el hidrógeno y los óxidos de carbono se consigue operando convenientemente el horno de reformado.

TECNOLOGÍAS PARA LA SÍNTESIS DE METANOL

Se dará una breve explicación sobre las tecnologías que existen para la síntesis del metanol:

1. Proceso ICI a Baja Presión2. Proceso Lurgi a Baja Presión 3. Proceso de Haldor Topsoe4. Proceso Mitsubishi Gas Chemical (MGC)5. Proceso Vulcan-Cincínnatí a Alta Presión6. Chem Systems Synthesis

Proceso ICI a Baja Presión

Este utiliza un reactor adiabático y un lecho de catalizador simple. El calor de la reacción es removido o enfriado por introducción de reactantes fríos a diferentes alturas del lecho catalizador. Primero todo el gas de síntesis puro es comprimido y mezclado con el gas de reciclo, este es

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calentado por intercambio de calor con el efluente de reactor. Después alrededor del 40% del vapor es enviado al reactor un vez que experimenta un precalentamiento suplementario también por el efluente del reactor. Después el resto es usado como un gas enfriador para remover el calor de reacción. Los productos salidos del reactor son enfriados por intercambio de calor con la alimentación y el agua de la generación del vapor de alta presión. Esto además se enfría con un aire frio intercambiando calor con lo cual el metanol y el agua son condensados. La separación de gas/líquido toma lugar en un Flash drum under pressure. El gas es reciclado, una parte pequeña es purgado manteniendo el nivel de los inertes en el circuito dentro de los límites. La purificación del metanol está hecha en dos diferentes columnas. La primera columna remueve gases y otras impurezas ligeras mientras el segundo separa el metanol de otros alcoholes pesados.

Proceso Lurgi a Baja Presión

El proceso desarrollado por la corporación Lurgi para la síntesis de metanol está compuesta de un reactor operando a una temperatura de 250 – 260°C y un presión de 50 – 60bar. El reactor es de tipo carcasa y tubos llenos de catalizadores. El calor de reacción es removido por circulación de agua fría sobre la cara de la carcasa y el vapor generado de alta presión está destinado para otros usos. La materia prima para la producción de gas de síntesis incluye hidrocarburos gaseosos tal como metano también como hidrocarburos líquidos como la nafta. El gas de síntesis puede estar producido por dos rutas normalmente las más conocidas y viables el reformado de vapor y oxidación parcial. El gas de síntesis producido es comprimido a 50 - 80bar antes de esto es alimentada al reactor de metanol. Para la segunda ruta, residuos pesados son alimentados dentro un horno consigo con oxígeno y vapor a 1400 – 1450°C y a una presión de operación de 55 – 60bar y este no requiere alguna nueva compresión.

Proceso de Haldor Topsoe

Este proceso utiliza varios reactores adiabáticos arreglados en serie y el calor de la reacción es removido por enfriadores intermedios. El gas de síntesis fluye radialmente a través del lecho catalizador y la presión se reduce en comparación al flujo axial. La purificación es la misma como los otros casos.

Proceso Mitsubishi Gas Chemical (MGC)

Este usa catalizador basado en cobre para la síntesis de metanol. Esto funciona en temperaturas que van desde 200 – 280°C sobre una presión que oscila de 50 – 150 atm. La temperatura del lecho catalizador esta mantenido bajo el control por uso de enfriadores, y también algo de este calor de reacción es recuperado en un etapa intermedia de caldera. Este proceso utiliza hidrocarburos como materia prima. El material crudo es desulfurado y luego alimentado dentro un reformador de vapor a 500°C. La salida de vapor del reformador contiene hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono a 800 – 850°C. Los gases son comprimidos en un compresor centrífugo y mezclado con el vapor reciclado antes de introducirlo al convertidor.

Proceso Vulcan-Cincínnatí a Alta Presión

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EL proceso de Vulcan-Cincinnati a alta presión esta comercialmente probada. La alimentación de gas proporcionado por H2/(CO + 1.5 CO2) tiene que estar ajustada a un valor de 2 para optimizar la conversión después de la desulfuración. El gas alimentado es después comprimido y alimentado al convertidor cual es usualmente operado en el rango de 340 a 400°C y 200 – 300 atm. El convertidor opera adiabáticamente con considerable subida de temperatura debido al calor exotérmico de la reacción, la cual es controlada por enfriamiento de la reacción con alimentación de gas frio a los diferentes niveles. Después de la conversión el metanol crudo producido es condensado para remover flexiblemente un producto que contiene hasta 97% de metanol. Hay también una opción de producir hasta 20% de alcoholes por cambio de condiciones de operación el cual puede ser útil si se usa para mezclar con gasolina

Chem Systems Synthesis

La mayor diferencia entre la síntesis de Chem Sistems y los otros procesos de síntesis es la utilizacionde un líquido inerte como medio para el catalizador en vez de una fase gaseosa. Esta fase líquida permite conversiones altas de monóxido de carbono e hidrógeno a metanol en adicción a la recuperación máxima del calor de reacción.

En el proceso el gas de síntesis que contiene monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno es pasado por arriba dentro el reactor en contar corriente con el hidrocarburo inerte líquido, el cual es recuperado en la planta de separación y reciclado de nuevo al reactor con el gas de síntesis no convertido. El metanol producido tiene una proporción de 95 – 96% de metanol.

Procesos de Síntesis de MetanolProveedor Catalizador Presión (atm) Temperatura (°C) Tipo de

ReactorCooling

ICI Cu/Zn/Al 50-100 220-290 Single fixed-bed

Multíple gas quench

Lurgi Soporte Cu 30-50 235-280 Tube in Shell Steam Generation

Topsoe Cu/Zn/Cr 50-100 220-350 Radial Flow Boiler-feed-water heating

Vulcan-Cincinnati

Zn/Cr 300-350 300-400 Multiple bed Cold-shot quench, plus external gas cooling

Mitsubishi Cu/Zn/Cr 50-130 240-310 - Multiple gas quench

Chem Systems

Cu/Zn 34-68 215-250 Liquid entrained and liquid fluidized

Recirculated inert hydrocarbon liquid

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ASPEN PLUS

Es un simulador estacionario orientado a la industria de procesos: químicos y petroquímicos, modela y simula cualquier tipo de proceso para el cual hay un flujo continuo de materiales y energía de una unidad de proceso a otra.

El paquete de simulación de Aspen Plus se puede dividir en tres bloques fundamentales:

Simulation Engine.- Es el núcleo del programa, escrito en Fortran es el que soporta todo el modelo desde la lectura del archivo de entrada que describe el proceso hasta su relación por algoritmos numéricos. Tiene diferentes módulos aparte del de simulación: optimización, estimación, regresión.

Aspen divide los modelos en las siguientes categorías:

Alimentaciones y productos Mezcladores y separadores Flashes y cambiadores Destilación Shortcut Separaciones rigurosas (destilación, extracción, absorción) Reactores Bombas y compresores Tuberías Sólidos Cristalización

Algoritmos de resolución

- De simulación: Broyden, Wegsteein, Newton, Secante, directo.- De optimización: SQR (Programación cuadrática)- De regresión: Britt-Luecke, Deming (WLS)

Graphic User Interface.- Es el entorno gráfico de modelado, es la interface gráfica de usuario para la creación de modelos, posee un sistema experto que va guiado en la construcción de un modelo, ayudado con hiperlinks, de forma que se accede de forma rápida a los diferentes menús. Menú de iconos que se identifican con los modelos de su librería. Posee un modo de dibujo en el cual se puede adornar la descripción del modelo (lo que se haga aquí no afecta al modelo).

Propiedades Físicas.- Banco de datos con modelos termodinámicos y propiedades de un gran número de componentes: orgánicos, inorgánicos, electrolitos y sólidos. Son los métodos empleados para el cálculo, denominados Option Sets. Las propiedades más empleadas son: coeficientes de fugacidad, entalpias, densidades, entropías, energías libres. Se puede seleccionar los métodos que uno quiere emplear como: NRTL, Wilson, Redlich-Know, Unifac, Uniquac, y mucho más.

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Se debe seleccionar según el tipo de componentes y condiciones de operación de trabajo: mezclas ideales, hidrocarburos y gases de hidrocarburos, mezclas no polares, mezclas altamente no ideales, asociación y dimerización en fase vapor, mezclas polares, aminas, petróleo.

Modelo de Simulación del Proceso en Aspen Plus

Un proceso consiste en componentes que se mezclan, separan, calientan, enfrían y se convierten en unidades de operación.

Un proceso se modela en Aspen siguiendo los siguientes pasos:

1. Definir la topología de la flowsheet (materia prima) del proceso: definiendo las unidades de operación del proceso, las corrientes de proceso que fluyen entre las diferentes unidades.

2. Especificar los componentes químicos en el proceso.3. Elegir los modelos termodinámicos para representar las propiedades físicas.4. Especificar los caudales de flujo y las condiciones termodinámicas de las corrientes de

alimentación al proceso.5. Especificar las condiciones de operación para las unidades de la flowsheet.6. Imponer condiciones de diseño de especificación: variar una expresión para alcanzar una

especificación.7. Realizar estudios de sensibilidad o case studies.8. Introducir sentencias Fortran para adecuar el modelo de Aspen al modelo necesario.

Otras Tareas que Permite Aspen Plus

Estimación y regresión de propiedades físicas. Reconciliación de datos de planta con los modelos de simulación Cálculos de costes de la planta Optimizaciones del proceso Generación de resultados de forma gráfica y en tablas. Exportar los resultados a hojas de cálculo Operaciones con electrolitos. Operaciones con Sólidos.

Los modelos se emplean en todas las fases de la vida de una planta.

- En el desarrollo del proceso para estudiar los costes de un proceso conceptual, cambios tecnológicos.

- En el diseño del proceso, estudiar tendencias, estudiar la flexibilidad de la planta para diferentes alimentaciones.

- En la planta existente, mejorando operaciones de la planta, reducir consumos de energía, establecer cambios en condiciones de operación para diferentes especificaciones. Nuevos cambios en la planta (revamping)

8. TEMARIO TENTATIVO

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ÍNDICE

I. PRESENTACIÓNII. DEDICATORIAIII. AGRADECIMIENTOSIV. ÍNDICEV. ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLASVI. ABREVIATURASVII. RESUMENVIII. CONTENIDO

CAPÍTULO I

1. PRÓLOGO DEL PROYECTO1.1.INTRODUCCIÓN1.2.ANTECEDENTES1.3.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA1.3.1. Identificación del Problema1.3.2. Formulación del Problema1.4.OBJETIVOS Y ACCIONES1.4.1. Objetivo General1.4.2. Objetivos Específicos y Acciones de la Investigación1.5.JUSTIFICACIÓN1.5.1. Justificación Técnica1.5.2. Justificación del Producto Elegido1.5.3. Justificación Económica1.6.ALCANCE1.6.1. Alcance Temático

CAPÍTULO II

2. MARCO CONCEPTUAL2.1.Definiciones2.2.Producción y Reservas2.2.1. Reservas de Gas Natural en Bolivia2.2.2. Reservas Mundiales de Gas Natural2.2.3. Oferta Mundial de Gas Natural2.2.3.1. Producción Mundial de Gas Natural2.2.3.2. Demanda mundial de gas natural

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2.2.4. Precios2.3.Usos del Gas Natural2.3.1. Fuente de energía primaria2.3.2. El gas natural como materia prima petroquímica2.3.3. Complejos petroquímicos2.4.Enfoque del Estudio del Gas Natural como Materia Prima2.5.Gas de Síntesis2.5.1. Utilización del gas de síntesis2.5.2. Principales procesos para el Gas de Síntesis2.5.2.1. Reformado de vapor2.5.2.2. Oxidación parcial2.5.2.3. Reformado de CO2

2.5.2.4. Reformado auto térmico2.6.Síntesis del Metanol2.6.1. Utilización del metanol2.6.2. Principales Procesos para la Síntesis de Metanol2.6.2.1. Proceso ICI2.6.2.2. Proceso Lurgi2.6.2.3. Proceso Haldor Topsoe2.6.2.4. Proceso Mitsubishi Gas Chemical (MGC)2.6.2.5. Proceso Vulcan Cincinnati2.6.2.6. Proceso Wentworth Brothers Methyl Fuel2.6.2.7. Proceso Chem Systems Synthesis

CAPÍTULO III

3. OFERTA Y DEMANDA 3.1.Mercado Mundial y Regional del Metanol3.2.Mercado Nacional del Metanol3.3.Derivados Convencionales del Metanol3.3.1. Formaldehido3.3.2. Acido Acético3.3.3. Metil Terbutil Eter3.3.4. Dimetil Eter3.3.5. Olefinas y Gasolina

CAPITULO IV

4. TAMAÑO Y LOCALIZACIÓN DE LA PLANTA4.1.Determinación del Tamaño de la Planta4.1.1. Suministro de Gas Natural a la Planta4.1.2. Consumo de Gas Natural de la Planta4.1.3. Campo Productor Proveedor de Gas Natural4.2.Localización de la Planta

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4.2.1. Valoración por Departamento Productor de Gas Natural4.2.1.1. Elección de la localización4.2.1.2. Ventajas de la zona escogida4.2.1.3. Características de la zona

CAPITULO V

5. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO5.1.Proceso de Reformación del Gas Natural5.1.1. Elección de la Tecnología5.1.2. Estructura del Reformador5.1.3. Características del catalizador5.1.4. Condiciones de operación5.2.Reactor de Metanol5.2.1. Elección del Tipo de reactor5.2.2. Características del Catalizador5.2.3. Condiciones de operación5.3.Otras Unidades5.3.1. Pre-reformador5.3.2. Separadores5.3.3. Columnas de Destilación5.3.4. Intercambiadores de Calor5.3.5. Compresores5.3.6. Turbinas5.4.Diagrama de flujo de la planta de metanol

CAPÍTULO VI

6. APLICACIÓN PRÁCTICA6.1.Descripción del simulador Aspen Plus6.1.1. Ventajas y Desventajas de Usar el Simulador6.2.Bases para la Simulación6.2.1. Aspectos Termodinámicos del Gas de Síntesis6.2.2. Aspectos Termodinámicos de la Síntesis de Metanol6.2.3. Aspectos Cinéticos de la Síntesis de Metanol6.3.Descripción de Equipos, Condiciones Operativas y Termodinámica del Proceso de

Metanol Simulado6.4.Resultados de la Simulación6.5.Estimación de la energía eléctrica requerida para la Planta de metanol Simulada6.6.Balance Energético de la Simulación del Proceso de Metanol

CAPITIULO VII

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7. INGENIERÍA DE COSTOS7.1.Evaluación Económica7.1.1. Hipótesis de la evaluación7.1.2. Indicadores económicos7.1.3. Valor Actual Neto (VAN)7.1.4. Tasa Interna de Retorno (TIR)7.1.5. Estimación de inversiones7.2.Síntesis del Metanol7.2.1. Antecedentes7.2.2. Precio de las materias primas7.2.3. Precio de venta del producto7.2.4. Préstamo, Inversiones, Equipos y Montaje7.2.5. Canalización de proceso e Instrumentación7.2.6. Terreno, Obras civiles, Ingeniería, Licencias y Know-How e Imprevistos7.2.7. Capital de trabajo7.2.8. Resumen de inversiones7.2.9. Análisis de costos, Costos fijos, Costos variables e Ingresos

CAPITULO VIII

8. IMPACTO AMBIENTAL DEL PROYECTO8.1.Normativas8.2.Contaminación atmosférica y de las aguas8.3.Residuos8.4.Evaluación de impacto ambiental

CAPITULO IX

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES9.1.Conclusiones9.2.Recomendaciones

IX. BIBLIOGRAFIAX. ANEXOS

9. BIBLIOGRAFÍA10. CRONOGRAMA DE TRABAJO

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ACTIVIDAD Ene-Feb 2014 Mar-Abr 2014 May-Jun 2014 Jul-Ago 2014 Sep-Oct 2014

Revisión BibliográficaDesarrollo de la PropuestaDeterminación de los Casos de EstudioDiseño de la Planta PetroquímicaSelección de esquemas técnicamente factiblesDeterminación de la economía de procesoAnálisis de los resultadosRedacción del Proyecto de gradoDefensa del Proyecto de grado

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