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® 2011 Proceso industrial de obtención del Metanol
PROYECTO DE OFICINA TÉCNICA
CONCEPTUAL® Ingenieriaconceptual.com
CHEMTECH®
ELABORADO
Índice
INGENIERÍA CONCEPTUAL


Introducción
Descripción general (metanación)
Exposición del problema
El proceso de metanación
Generalidades (descripción desarrollada de metanación)
Las reacciones principales asociadas al proceso
Las reacciones secundarias asociadas al proceso
Condiciones de equilibrio
Catalizador Modelo cinético
Condiciones de Operación
Equipos
Reactor
Intercambiadores de calor
Separadores
Almacenamiento
POR
INGENIERIA
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INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 4
Objetivo. .................................................................................................................................... 4
Justificación del proyecto. ......................................................................................................... 4
Definición del proceso industrial de producción de Metanol ................................................... 5
Propiedades físico-químicas .................................................................................................. 5
Efectos sobre la salud. ........................................................................................................... 5
Frases Riesgo: .................................................................................................................... 5
Frases Seguridad: .............................................................................................................. 6
Aplicaciones............................................................................................................................... 6
Capacidad de producción. ......................................................................................................... 6
Producción de metanol ............................................................................................................. 7
Gasificación de la madera ..................................................................................................... 7
Oxidación parcial del gas metano ......................................................................................... 7
Gas de síntesis ....................................................................................................................... 7
DEFINICIÓN DEL PROCESO. ........................................................................................................... 8
ETAPAS DEL PROCESO: .............................................................................................................. 8
Diagrama de bloques del proceso: ............................................................................................ 8
Desulfuración. ....................................................................................................................... 9
Reformado del Syngas:.......................................................................................................... 9
Compresión ........................................................................................................................... 9
Sección de síntesis............................................................................................................... 10
Catalizador........................................................................................................................... 10
Sección de purificado. ......................................................................................................... 12
Condiciones generales de proceso (incluyendo reformado) .................................................. 13
Componentes ...................................................................................................................... 13
Condiciones de operación. .................................................................................................. 13
Reformado....................................................................................................................... 13
Reactor de síntesis. ......................................................................................................... 13
Resumen reacciones químicas del proceso. ....................................................................... 13
Reformado del metano (producción de syngas). ............................................................ 14
Combustión en el reactor................................................................................................ 14
Reactor de conversion..................................................................................................... 14
Balance de materia preliminar ................................................................................................ 14
Servicios auxiliares ...................................................................................................................... 15
Localización de la planta ............................................................................................................. 16
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Elección de la localización ....................................................................................................... 17
Ventajas de la zona escogida .............................................................................................. 18
Terreno. ........................................................................................................................... 19
Clima. ............................................................................................................................... 19
Industrias anexas. ............................................................................................................ 19
Servicios auxiliares. ......................................................................................................... 19
Características de la zona .................................................................................................... 19
Temperatura.................................................................................................................... 19
Precipitaciones. ............................................................................................................... 19
Vientos. ........................................................................................................................... 19
Suelo. ............................................................................................................................... 19
Empresas de los alrededores. ......................................................................................... 20
Electricidad. ..................................................................................................................... 20
Agua................................................................................................................................. 20
Líneas de transporte........................................................................................................ 20
Gas Natural. ..................................................................................................................... 20
Estimación económica inicial. ..................................................................................................... 21
Diagrama de bloques. ............................................................................................................. 21
Dimensionado preliminar del proceso. ................................................................................... 21
Bombas. ............................................................................................................................... 22
Compresores. ...................................................................................................................... 22
Hornos pre calentadores. .................................................................................................... 22
Tanques de almacenamiento. ............................................................................................. 22
Reactores............................................................................................................................. 22
Cambiadores. ...................................................................................................................... 22
Columnas de separación. .................................................................................................... 22
Estimación de los principales equipos. ................................................................................... 22
Cambiadores. ...................................................................................................................... 22
Compresores. ...................................................................................................................... 23
Reactor y columnas. ............................................................................................................ 23
Separador. ........................................................................................................................... 23
Aplicación regla de Williams para la capacidad. ..................................................................... 23
Conclusiones. .............................................................................................................................. 24
Referencias bibliográficas ........................................................................................................... 24
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INTRODUCCIÓN
La ingeniería conceptual sirve para identificar la viabilidad técnica y económica del
proyecto y marcará la pauta para el desarrollo de la ingeniería básica y de detalle. Se basa en
un estudio previo (estudio de viabilidad) y en la definición de los requerimientos del proyecto.
Los principales conceptos a analizar y estudiar en esta fase son:

Objetivos y justificación del documento.

Productos, aplicaciones y capacidad de producción.

Normativa y regulación.

Descripción del proceso de fabricación y demanda del usuario.

Descripción general de la instalación.

Diagrama de bloques y diagrama de procesos básicos.

Estimación de requerimientos de servicios auxiliares.

Lista de equipos preliminar.

Estimación económica de la inversión ± 30%.
Objetivo.
La industria química ChemTech S.L. pretende realizar el diseño de una planta
industrial para producción de metanol en España. El principal objetivo de esta
instalación es satisfacer parte de la demanda nacional de metanol, cubierta en gran
parte actualmente vía importación, además de fortalecer la industria de metanol en
España.
Los datos que se incluyen en este primer documento se han obtenido a partir de
estudios previos al desarrollo de la Ingeniería Básica, así como de los respectivos
estudios de alternativas de ubicación y trazados realizados específicamente para las
instalaciones de proceso e infraestructuras asociadas. Por tanto, parte de la información
aportada es susceptible de verse modificada durante el desarrollo de la propia Ingeniería
Básica y de Detalle.
Justificación del proyecto.
El constante aumento de los precios del petróleo, causado por la creciente
demanda de una creciente población mundial y el rápido desarrollo industrial en muchos
países, ha estimulado el debate sobre posibles fuentes alternativas de materia prima para
producción de combustibles y sustancias químicas. El metanol ya es una importante
fuente de carbono en la industria química y más instalaciones para su producción se
están creando actualmente, debido a la abundancia de recursos para su producción,
como el gas natural. Por estas razones, un concepto de recurso alternativo, una
economía basada en el metanol, se está discutiendo en la comunidad científica [1,2].
De esa manera, teniendo en cuenta el creciente interés mundial por metanol y
sus inúmeras aplicaciones (principalmente como biocombustible y aditivo en la
gasolina), el carácter estratégico del vigente proyecto se basa en contribuir para
satisfacer la demanda mundial de metanol, en especial a los países de Asia, que son los
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mayores consumidores de metanol en la actualidad. En el momento, la oferta de
metanol no es muy alta, pero ya es evidente el aumento en su demanda. Por lo tanto,
una nueva planta de metanol en España contribuirá para el aumento de la renta del país
además de posicionarla de manera competitiva en el mercado de energías alternativas.
Definición del proceso industrial de producción de Metanol
El metanol o metilalcohol es comúnmente conocido como alcohol de madera
desde que este se produjo por primera vez por destilación destructiva de madera. Es
incoloro, neutral, polar, en estado líquido es inflamable y en vapor es toxico. Es
miscible con agua, alcoholes, esteres y otros solventes orgánicos. Es poco soluble en
grasas y aceites.
Propiedades físico-químicas
Tabla 1. Propiedades físico químicas principales del metanol.
Propiedades del METANOL
Peso Molecular (g/mol)
Punto de Ebullición (ºC)
Punto de Fusión (ºC)
Presión de Vapor (mmHg)
Densidad relativa (Agua = 1)
Densidad relativa de vapor (Aire = 1)
Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20ºC (Aire = 1)
Solubilidad en agua
Límites de Inflamabilidad (% vol)
Temperatura de Auto Ignición (ºC)
Punto de inflamación (ºC)
32,04
65
-94
92 (20ºC)
126 (25ºC)
160 (30ºC)
0,79
1,11
1,01
Miscible
5,5 – 44
385
12
Efectos sobre la salud.
-
La dosis tóxica del metanol es de 10-30 ml (100 mg/Kg), aunque ingestas
menores han causado ceguera.[2]
La dosis letal de metanol por vía oral varía entre los 60 y 200 ml. (340
mg/kg).[2]
[1] The Knowledge Bank at The Ohio State University Ohio State Engineer.pdf
[2] FDS. Metanol (Alcohol Metílico).pdf
Frases Riesgo:
R 11: Fácilmente inflamable.
R 23/24/25: Tóxico por inhalación y por ingestión y en contacto con la piel.
R 39/23/24/25: Tóxico: peligro de efectos irreversibles muy graves por inhalación,
contacto con la piel e ingestión.[1]
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Frases Seguridad:
S 1/ 2: Consérvese bajo llave y manténgase fuera del alcance de los niños.
S 7: Manténgase el recipiente bien cerrado.
S 16: Conservar alejado de toda llama o fuente de chispas-No fumar.
S 36/37: Úsense indumentaria y guantes de protección adecuados.
S 45: En caso de accidente o malestar, acúdase inmediatamente al médico (si es posible
muestre la etiqueta).[1]
Aplicaciones.
El metanol tiene una gran variedad de aplicaciones industriales. Su uso más
frecuente es como materia prima para la producción de metil t-butil éter (MTBE), que
es un aditivo para gasolina. También se usa en la producción de formaldehído, ácido
acético, cloro metanos, metacrilato de metilo, metilaminas, dimetil tereftalato y como
solvente o anticongelante en pinturas en aerosol, pinturas de pared, limpiadores para
carburadores, y compuestos para limpiar.
Grafica 1. Resumen del uso industrial a nivel mundial del metanol 2007-2009.
[3] Metanol 4.19.pdf
[4] Methanol Prospectus.pdf, Strategic Business Analysis.
El Metanol está disponible comercialmente en varios grados de pureza:
1. Síntesis, (corresponde al Metanol comercial normal).
2. De calidad analítica certificada.
3. En condiciones de extremada pureza para manufactura de semiconductores.
Capacidad de producción.
Su consumo mundial es de unos 28 millones de toneladas al año, con un
crecimiento anual estimado de 7,8% desde 2008 a 2013. En 2013, el mayor consumidor
de metanol será China, y Asia (incluyendo China, Japón y otros países asiáticos)
representará el 56% del consumo en este mismo año. La segunda mayor región
consumidora será Europa, seguida de América del Norte.
La planta debido al enclave en el que está proyectada debe de ser de producción
moderada debido a las condiciones del mercado nacional las cuales son centradas a
nivel nacional en la localización del presente proyecto.
La producción escogida para llevar a cabo los estudios preliminares es de
350.000 toneladas por año con un factor de carga cercano al 95% y un periodo de
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trabajo de 300 días por año teniendo en cuenta las paradas de revisión y los imprevistos
que puedan aparecer.
Producción de metanol
Existen principalmente tres métodos de síntesis de metanol: a partir de gas de
síntesis, mediante la gasificación de la madera y por oxidación parcial del gas metano.
Gasificación de la madera
Antiguamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas
de madera, fue empleada de 1830 a 1930 aproximadamente. Este proceso
consiste en la destilación seca de la madera en ausencia de aire a 350°C – 400ºC.
En los países en los cuales la madera es abundante y los productos de madera
constituyen una industria muy importante, el Metanol aún se obtiene por medio
de este procedimiento. Sin embargo, el Metanol obtenido de la madera contiene
más contaminantes, principalmente acetona, ácido acético y alcohol alílico, que
el Metanol de grado químico actualmente disponible.
Oxidación parcial del gas metano
Para la oxidación parcial del gas metano a metanol se utilizan agentes
oxidantes como el aire, el oxígeno y otros compuestos oxidantes como óxidos de
nitrógeno. La reacción principal es la siguiente:
2CH4 + O2
CH3OH
Gas de síntesis
La producción de metanol a partir de gas de síntesis se produce mediante
la reacción química de éste a unas determinadas condiciones de presión y
temperatura dependientes del tipo de catalizador empleado.
CO + CO2 + H2
CH3OH
El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de diferentes modos:
-
A partir de la combustión parcial del gas natural en presencia de vapor de
agua.
Gas Natural + Vapor de Agua
-
A partir de mezclas de hidrocarburos líquidos:
Mezcla de HC Líquidos + Agua
-
CO + CO2 + H2
CO + CO2 + H2
A partir de Carbón
C + Agua
CO + CO2 + H2
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Los procesos industriales más ampliamente usados para la producción de
metanol, usando cualquiera de las tres alimentaciones, son los desarrollados por las
firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI).
La diferencia entre los distintos procesos se basa en el reactor donde se sintetiza
el metanol, ya que los procesos de obtención de gas de síntesis y purificación de
metanol son similares para todos los procesos.
DEFINICIÓN DEL PROCESO.
El proceso de metanol tiene varias secciones: desulfuración, saturación,
reformado de gas natural, compresión, reactor de síntesis de metanol, y destilación o
purificado.
Además de estas secciones principales debemos de tener en cuenta los requerimientos
de servicios auxiliares incluyendo una planta de tratamiento de aguas residuales,
sistemas de refrigeración de agua, des mineralizadores para agua de condensadores e
instrumentación variada.
Durante el proceso de producción de Metanol cabe destacar como fundamental
el reactor de síntesis. La alternativa objeto de estudio es un proceso de baja presión (50
bar) en fase gas usando un reactor tipo quench (ver grafico 4) (Proceso denominado
comercialmente ICI). Existen otros procesos de baja presión según el tipo de reactor:
tubular (Lurgi)(ver grafico 4) o doble-tubo heat-exchange (Mitsubishi). La conversión
por paso del syngas a producto es limitada por el equilibrio. Altos caudales de
recirculación serán necesarios. Catalizadores de base Cu/ZnO- son usados en los
procesos industriales de baja presión para producir metanol. En general la selectividad
de estos catalizadores es menor a presiones altas, altas temperaturas y ratios CO/H2 o
CO/CO2 elevados, además de bajos tiempos de residencia. Los estudios fundamentales
en los procesos de producción del metanol se ven orientados a entender los mecanismos
de reacción y las cinéticas que mejor describan el proceso siendo objeto de discusión
documentación de refutada validez hasta hoy día en lo que al metanol se refiere. Nuevos
tipos de reactores y catalizadores están recibiendo una atención significante.
Se ha realizado un modelo de simulación en el Aspen Hysys 7.2 con el objeto de
poder optimizar la planta de producción y evaluar la rentabilidad del mismo. Las
secciones incluidas en el simulador son las de compresión, síntesis y purificado.
ETAPAS DEL PROCESO:
Diagrama de bloques del proceso:
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Grafico 2. Diagrama de bloques del proceso industrial de síntesis de metanol.
Desulfuración.
Proceso mediante el cual se recogen mediante tratamientos de diversa índole, los
compuestos del azufre que puedan encontrarse en el gas de síntesis. Esta medida es
necesaria debido a que los catalizadores con base metálica son fuertemente atacados por
el azufre que es un veneno para dicho catalizador.
Reformado del Syngas:
Aunque no es objeto de estudio es parte fundamental de la producción de
metanol. Esto es debido a que el reformado es necesario y en una planta integrada de
metanol, puede ser esta sección la que determine si el proyecto es viable y además tiene
gran responsabilidad en cuanto a los ratios de CO/H2 y CO/CO2 y por lo tanto de
manera directa sobre la conversión y selectividad a producto,
En los procesos de baja presión ICI, solo disponemos de un reformado de gas. El gas
natural que se alimenta es desulfurado y precalentado con los reaccionados del
reformado hasta los 1000ºF, la reacción se da lugar en un horno refractario de
reformado (1600ºF). El gas de reacción o gas de síntesis se utiliza para precalentar
como ya hemos dicho y para producir vapor hasta alcanzar los 100ºF, desde los 1600ºF
de salida del horno de reformado.
Grafica 3. Equilibrio entre componentes de reformado de gas natural.
Compresión
El gas de síntesis proveniente del reformado debe de ser comprimido para lo
cual usamos compresores de tipo centrifugo. Una turbina nos puede entregar la potencia
necesaria para ello aprovechando la alta presión del reformado para mover los
compresores.
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Sección de síntesis.
No es necesaria una 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.
El gas de síntesis comprimido entra en el reactor que contiene el catalizador
donde se lleva a cabo la reacción de acuerdo a la siguiente reacción:
La reacción es fuertemente exotérmica de manera que el calor generado se usa
para precalentar la corriente de alimento y los calderines de las columnas de
rectificación. Debido a que es exotérmica se favorece la reacción a bajas temperaturas y
como el número de moles disminuye la presión favorece los productos. Las condicione
de operación son sobre catalizador de oxido de cobre y zinc en alúmina de 50 bar y
alrededor de 270ºC.
El monóxido de carbono es usado durante la síntesis del metanol y gracias a la
reacción shift de dióxido de carbono con el agua podemos producir más:
Junto a la de síntesis esta reacción produce aproximadamente un 40% de
conversión de óxidos de carbono por paso. Los gases no reaccionados se recirculan al
reactor una vez separados del producto junto a los gases frescos comprimidos.
Por lo tanto la reacción global de síntesis se puede escribir:
Se debe tener siempre en cuenta que aunque los catalizadores tienen alta
selectividad a metanol también se producen alcoholes largos como etanol propanol
butanol y MTBE según estas ecuaciones:
La sección de síntesis está formada por un reactor R201 y cambiadores de calor
así como una recirculación y separador flash. La corriente de Syngas proviene de la
sección de reformado a presión de 15 bar y temperaturas de almacenamiento. Primero se
comprime por K201 hasta 1500 psia. Después se precalienta con la corriente de
producto y finalmente se flashea la corriente para recircular los gases no reaccionados.
Esta corriente de metanol crudo se manda a la sección de purificado.
Catalizador.
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Formando parte de los costes de operación pese a su elevado peso económico; el
catalizador escogido debe de utilizarse en las condiciones de presión y temperatura
adjuntas al estudio de este debido a que la modificación de los parámetros operativos
influye de manera directa tanto en cinética como termodinámicamente.
La presión de síntesis depende de la actividad del catalizador .Los catalizadores de
cobre, óxido de zinc y alúmina son los más efectivos en las plantas industriales de
Metanol. Estos catalizadores permiten la síntesis del producto con una alta selectividad,
la mayoría de las veces por encima del 99%, referida a la adición de COx.
Debemos de tener en cuenta como veníamos advirtiendo:
1. Formación de alcoholes pesados.
2. Hidrocarburos.
3. Esteres.
4. Dimetil éter.
Los subproductos de gases de síntesis, particularmente de polialcoholes, se
favorecen termodinámicamente sobre la síntesis de Metanol. El Metanol es el producto
principal y por lo tanto las reacciones en las que se obtienen subproductos se controlan
cinéticamente (inhibidores o retardantes).
Además de la composición del gas de alimentación y de las características del
catalizador, la temperatura y el tiempo de residencia del catalizador son determinantes
en la formación de subproductos, un incremento en estos eleva la producción de
subproductos.
Clasificación según la presión:
Procesos a bajas presiones, 50-100 atmósferas
Procesos a presiones moderadas, 100-200 atmósferas
Procesos a altas presiones, 200-300atmósferas.
Los procesos a altas presiones emplean catalizadores de óxido de zinc y cromo.
Debido a los costes no es económicamente viable.
El debate entre costes y producción desencadeno en desarrollar una tecnología
de bajas presiones, con catalizadores que de óxidos de cobre y zinc usando aditivos
estabilizadores que proporcionan una selectividad mayor obteniéndose así una pureza
superior al 99% reduciendo drásticamente la formación de subproductos.
La composición de Metanol obtenido varía de según el catalizador utilizado en
la síntesis. Las principales impurezas incluyen un 5-20% de agua, alcoholes más
grandes como etanol y pequeñas cantidades de éteres.
Convencionalmente los reactores de metanol usan lecho fluidizado (Cybulski
1994; Kirk-Othmer 1995) en fase gas. Posteriormente predominaron los procesos ICI en
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reactores adiabáticos con refrigeración con el gas de alimento entre los distintos lechos
del reactor. Los reactores tipo Lurgi operan de manera isoterma circulando un fluido
refrigerante por la camisa del reactor.
Se suele limitar la concentración de CO a la entrada del reactor torno al 20%
para evitar que se descontrole la temperatura.
La conversión por paso depende de las condiciones de operación, catalizador,
disolvente y velocidad espacial.
Grafica 4. Tipos de reactores de síntesis de metanol: tipo Quench(izq) y Raiser
de tubo(Dcha)
Se han estudiado gases de síntesis concluyéndose conversiones del 15 –40 %
para CO rich gases y 40 – 70 % CO para los gases balanceado o estequiométricos y los
ricos en H2 (H2 rich gases). Según Cybulski existen modelos de simulación que
predicen conversiones respecto el Cox de más del 90 %. Investigadores de Brookhaven
National Laboratory han diseñado un proceso de baja temperatura en torno a 100 ºC en
el cual el catalizador es muy activo obteniendo conversiones por paso del CO del 90 %
(Katofsky).
Sección de purificado.
Grafico 5. Columnas destilación del metanol. [5]M. W. Kellogg Company.
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La sección de purificado o de destilación consiste en una columna de
rectificación para eliminar distintos subproductos no deseados y otra de purificado en la
que obtenemos el producto que se manda al pool de almacenamiento.
Lo primero que se hace al metanol crudo es eliminar los gases disuelto y los
componentes más volátiles incluyendo al Co H2 y demás esteres y alcanos que puedan
existir en la mezcla (columna de rectificación).Esta primera columna debe de
mantenerse a baja temperatura ya que el metanol es muy volátil y se arrastraría con os
gases por cabeza columna. Los productos de cola son alimentados a la columna de
purificado donde el agua es separada del producto que se extrae lateralmente con pureza
del 99,85%. En esta última columna de purificado debemos de separar por cabeza los
alcoholes como propanol o butanol, los cuales no son rentables de recuperar, se usan
como combustible de calderines. El agua de cola columna se trata en la depuradora de
residuales y se vierte.
Condiciones generales de proceso (incluyendo reformado)
Componentes
Metano
Materia prima (sección de reformado)*
CO2
Gas de síntesis y producto intermedio
CO
Gas de síntesis y producto intermedio
Hidrogeno
Gas de síntesis y producto intermedio
Nitrógeno
Inerte
Oxigeno
Sección reformado*
Etano
Materia prima
Propano
Materia prima
Metanol
Producto
Dimethyl Ether
Producto intermedio
N-Butanol
Producto intermedio
Agua
Servicios auxiliares y subproducto
*Correspondientes al reformado.
Condiciones de operación.
Reformado.
Presión entrada: 3 bar
Temperatura: 1460 F
Reactor de síntesis.
Presión: 50 bar
Temperatura: 250ºC
Resumen reacciones químicas del proceso.
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Se incluyen las reacciones del reformado con finalidad didáctica aunque no sean
objeto de estudio en el presente proyecto. Las extensiones y cinéticas de las reacciones
de síntesis se describen de manera más metódica a posteriori.
Reformado del metano (producción de syngas).
CH4 + H2O = CO2 + 4 H2
CH4 + H2O = CO + 3 H2
C2H6 + 2 H2O =2 CO + 5 H2 100% Conversión de Etano
C3H8 + 3 H2O =3 CO + 7 H2 100% Conversión de Propano
Combustión en el reactor.
CH4 + 2O2=CO2+2H2O
2C2H6+7O2=4CO2+2H2O
2CO+O2=2CO2
2H2+O2=2H2O
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
C3H8+5O2=3CO2+4H2O
2CH3OCH3+6O2=4CO2+6H2O
H2S+1.5O2=SO2+H2O 1/H2S
Reactor de conversion.
CO + 1 H2O = CO2 + 1 H2
CO2 + 3 H2 = CH3OH + 1 H2O
2CH3OH =DM-Ether + H2O
Balance de materia preliminar
La producción de metanol fijada es de 35000 ton/año, sabiendo que al año de
trabajan 300 días determinamos la producción másica diaria:
ton 1año
ton
35000
*
 1167
año 300d
d
Conocemos el peso molecular del Metanol de manera que podemos deducir la
producción molar diaria:
kg
kg
ton
kmol
1167
 1167000
32
 36458
d
d
kmol
d
Suponiendo como única reacción la siguiente:
CO  2H 2  CH 3 OH
Hallamos la cantidad de CO por estequiometria:
CO
36458

2H 2
72917

CH 3 OH
36458
Podemos determinar la cantidad de gas de síntesis requerida, conocida su composición
del 29,2% CO, 3%CO2, 67,5% H2, 0,3% CH4.[8]
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MM _ syngas  0,292 * 28  0,03 * 44  0,675 * 2  0,003* 16  10,89
36458
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kg
kmol
kg
kg
kmol
1d 100kmol _ syngas
kmol
CO *
*
 5202
_ syngas* 10,89
syngas  56654 _ syngas
d
24h 29,2kmol _ CO
h
kmol
h
A continuación vamos a analizar de un modo muy sencillo la viabilidad económica:
Hallamos los gastos correspondientes a la adquisición de la materia prima
necesaria para la producción de metanol en una hora.
 _ syngas  6,541
kg
m3
Precio gas de síntesis= 0,13 Euros/m3 [9]
59515
kg
kg
Euros
Euros
_ syngas 6,541 3 * 0,13
 1183
3
h
h
m
m
Determinamos los posibles beneficios de la venta del metanol producido
respecto a la misma unidad de tiempo.
Precio metanol= 305 Euros/TM [10]
1167
kg 1d
ton
Euros
kg
Euros
_ MeOH * 305
*
 48625 _ MeOH 48,625
 14830
d 24h
h
ton
h
h
,
Estos resultados demuestran que el proceso será viable económicamente…¿?¿?blabla
jaja
[8] Panamá
[9] www.etsap.org
[10] http://www.methanex.com/products/methanolprice.html
Servicios auxiliares
Las áreas de proceso principales requieren los servicios auxiliares siguientes:

Una caldera que genera vapor de agua de media presión. Esto es esencial para la
planta en la puesta en marcha y útil como controlador de flujo de presión durante
el funcionamiento estacionario.
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
Una planta de tratamiento de aguas convencional para el tratamiento de agua de
servicio. Toda el agua se aclara y algunos se trata más a fondo por la filtración.

Una planta de desmineralización de intercambio iónico. Esta planta elimina
iones de agua de refrigeración filtrada, de modo que menos de 0,1 mg / L de
impurezas. Retornos de las turbinas, condensado y corrientes de proceso
también se tratan aquí antes de unirse con agua desmineralizada para convertirse
en agua de alimentación de la caldera.

Un sistema de enfriamiento de agua que enfría las diversas áreas en la planta y
es a su vez enfría parte del agua caliente que regresar del proceso en torres de
refrigeración.
Un suministro de gas inerte (proceso puesta marcha)
y sistema de
distribución. El nitrógeno se requiere durante el inicio de las plantas en su
funcionamiento. También se usa para la presión en algunas zonas, y es una copia
de seguridad para el sistema de aire de instrumentos.
Un
compresor
de
aire
de
instrumentos
y
sistema
de
distribución. Instrumentación neumática (aire) para hacer funcionar la mayoría
de las válvulas de control en la planta. También sirve como una fuente de aire
que se utiliza para el mantenimiento de la planta (línea de servicio).
Un generador de electricidad para mantener las principales áreas de proceso
operativas en el caso de que falle la alimentación principal a la planta.




El proceso completo está diseñado para hacer uso eficiente de los recursos, de
manera que ninguno de los flujos de residuos se desechen siempre que sea
posible. Esto tiene el beneficio añadido de reducir al mínimo el volumen de
residuos que se descargará de la planta.
Localización de la planta
La ubicación de una planta industrial se realiza teniendo en cuenta múltiples
factores, como la cercanía de empresas que puedan comprar el producto o de las que se
puedan abastecer la materia prima, la dificultad de transporte de dichas sustancias,
disponibilidad de mano de obra, nudos de comunicaciones, poblaciones cercanas,
disposición de los residuos industriales, impactos ambientales, economía de la región,
clima y otros.
En este ítem, se explicará, de forma razonada, la elección de la localización de
la planta, exponiendo las características de dicha región y explicando las industrias
cercanas proveedoras de materias primas y destinatarias de los productos.
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Elección de la localización
La planta en estudio posee como producto principal el metanol, por lo que la
planta deberá ubicarse en una zona donde existan industrias que puedan usar dicho
producto. En la provincia de Cádiz existen empresas de papel, cartón y madera, sobre
todo existe una actividad productiva que puede emplear el formaldehido producido a
partir de metanol: la industria del corcho.
En la provincia de Cádiz existe una comarca donde la industria del corcho está
muy extendida, siendo esta región la contenida y limítrofe con el Parque Natural de los
Alcornocales. Debido a que varias empresas e industrias del corcho se localizan en
dicha región, la planta diseñada debe estar en las proximidades de dicha zona.
El hidrogeno es un gas con una temperatura de ebullición muy baja y es muy
inflamable, por lo que no se recomienda su transporte a largas distancias por seguridad.
Con respecto al metanol y al formaldehido al 37% en agua, al estar en estado liquido,
aunque son inflamables y tóxicos, no poseen grandes inconvenientes a su transporte
(comparándolo con el hidrogeno). Por ello, la planta puede ubicarse un poco más
alejada de la región de Los Alcornocales si es necesario, si con ello la distancia de
transporte de hidrogeno a su destino es menor.
En dichos alrededores existen varias plantas que hacen uso de hidrogeno en sus
procesos, escogiéndose como destinataria del hidrogeno producido en la planta la
Refinería CEPSA Gibraltar-San Roque. Por ello, la planta diseñada deberá estar
próxima a dicha industria. Además, la materia prima mas importante en la planta es el
gas natural, y como es un gas inflamable, la planta deberá estar cerca de las
instalaciones de alimentación de dicho gas natural. Debido a que el gas natural, en dicha
comarca, se puede obtener mediante conexión autorizada a un gaseoducto, se opta
porque la planta este en las proximidades de un
tramo de gaseoducto.
La planta deberá estar cerca de la
Refinería CEPSA Gibraltar-San Roque, en
las proximidades a un gaseoducto y no lejos de
la zona de Los Alcornocales. Por ello se escoge
la siguiente ubicación de la planta:
Se ha escogido esta región por cinco razones
básicas:


La distancia entre la Refinería CEPSA Gibraltar-San Roque y la planta diseñada es
pequeña (menor a 5 km) por lo que el hidrógeno se puede transportar a la refinería
mediante camiones (al ser la distancia pequeña los gastos serán menores y los riesgos
asociados al transporte se verán reducidos o incluso, mediante tuberías que lo lleven
directamente a su destino. La distancia entre la planta y el gaseoducto es pequeña.
En toda la comarca del Campo de Gibraltar, debido a su posición estratégica, existen
varios gaseoductos que circulan por su territorio. Por ello, escoger la planta en dicha
región es beneficioso debido a los menores gastos en el transporte del gas natural del
gaseoducto a la planta.
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Grafico 6. Esquema de la red de gaseoductos de Andalucía (La Guía de la Energía)

La zona escogida esta, dentro de la comarca, cerca de las industrias del corcho. El
Parque Natural de los Alcornocales se encuentra al norte de la región mostrada en el
grafico 6, por lo que cuanto más al norte este la planta, menor recorrido deberá sufrir el
formaldehido final para llegar a su destino (conllevando menos gastos y mayor
seguridad). Por ello, se ha escogido una zona que este al norte de la refinería.

La localización elegida está cerca de carreteras principales, haciendo que la planta sea
accesible con facilidad (la planta se encuentra a menos de de 3 km de una carretera
principal). No es conveniente que una planta química esté demasiado cercana a una
carretera principal porque, en caso de accidente grave, puede que los efectos adversos
(fuego, fuga de compuesto toxico, etc.) se dirijan a la carretera principal, por donde
circula gran cantidad de vehículos, provocando riesgos a gran cantidad de población. La
planta poseerá una carretera propia que conectará a la red principal de carreteras.

La zona escogida está alejada lo suficiente de núcleos de población. Esta causa es una
de las más importantes en cuanto a la elección de la localización. La comarca del
Campo de Gibraltar es una región bastante densamente poblada, además existen grandes
núcleos urbanos cercanos unos a otros. La distancia al núcleo de población más cercano
mayor a 2,5 km (distancia que se “cree” ser conveniente para prevenir riesgos).
Por tanto, debido a todas estas causas, la planta se ha decidido que se ubique en dicha
zona, la cual está a menos de 5 km al norte de la Refinería CEPSA Gibraltar-San
Roque, a menos de 3km de una carretera principal, en las cercanías de un gaseoducto y
a más de 2,5 km de cualquier núcleo de población. La planta estará al norte de dicha
región, además de por las anteriores razones logísticas y de seguridad, para situarse más
próxima a las industrias demandantes.
Ventajas de la zona escogida
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La localización de la planta en la región anteriormente citada tiene una serie de ventajas
adicionales que se comentarán a continuación.
Terreno. El terreno del que dispone la planta a su alrededor es extenso, lo que posibilita
que, ante necesidades de la planta, se puedan realizar ampliaciones de esta en terrenos
anexos mediante su compra previa.
Clima. El clima imperante en la zona es bastante benévolo, denominándose a este
ambiente clima mediterráneo. Este clima esta caracterizado por inviernos suaves y
veranos calurosos, y precipitaciones no muy elevadas. Por ello, no existen grandes
inconvenientes climáticos en la ubicación de la planta.
Industrias anexas. En toda la comarca existen múltiples industrias, situándose muchas
plantas químicas de diferente índole. Es una comarca muy industrializada, lo que
conlleva una serie de ventajas como son la colaboración entre plantas en materia de
seguridad, la menor distancia de transporte entre plantas.
Servicios auxiliares. Existiendo una oferta de servicios muy alta y muy bien
comunicados, Así existe una extraordinaria red de agua, una red eléctrica bien
organizada (nótese que en la comarca, concretamente en Los Barrios, existe una Central
Térmica), gaseoductos, oleoductos, etc. Todo ello facilita enormemente el transporte de
agua, electricidad y materias primas a la planta.
Características de la zona
En el presente apartado se expondrán, de manera concisa, las características
más importantes de la región.
Temperatura. La temperatura media en la zona es de 18,2ºC, la cual es idónea para la
actividad industrial. Existen muchas horas de sol al día, lo que posibilita la instalación
de placas solares para autoabastecer a la planta.
Precipitaciones. Las precipitaciones en la región no son elevadas. El valor medio
son759,9 milímetros (Instituto Nacional de Estadística).
Vientos. Los vientos predominantes en la comarca son el viento de levante (viento
cálido del este, algo húmedo y que actúa de forma inconstante). La velocidad máxima
alcanzada por el viento en la región es de 180 km/h, pero no suele superar
habitualmente velocidades mayores a 50 km/h.
Suelo. El tipo de suelo de la región es el correspondiente a las Sierras y Colinas del
Campo de Gibraltar, el cual se caracteriza por una textura arcillo-limosa, y se
encuentran formados por arcillas y margas finas. Son suelos profundos, estructura
compacta en el perfil pero irregular en su superficie, casi impermeable (permite poco el
drenaje), calizos de pH alcalino y con un contenido de materia orgánica bastante
aceptable.
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Grafico 7. Drenaje del terreno en la comarca del Campo de Gibraltar.
[7](Instituto de Recursos Naturales y Agro biología)
Empresas de los alrededores. Existen multitud de empresas en los alrededores perolas más
importantes para la planta son la Refinería CEPSA Gibraltar-San Roque, la planta de
Abengoa, las empresas del corcho de la zona y las empresas de gestión de residuos (se
ha optado por la empresa Delta S.A. ubicada en la ciudad de Cádiz).
Electricidad. La electricidad está garantizada por estar instalada en la zona una central
térmica (Central Térmica de Los Barrios).
Agua. El agua está garantizada, además de por la red de tuberías de la comarca, por
prospecciones de pozos para sacar agua en caso de necesidad. Al agua de alimentación
se le realizarán los tratamientos pertinentes para poder operar con ella.
Líneas de transporte. La zona está muy bien comunicada. Está la carretera A-381 que
se dirige a Jerez de la Frontera, y la A-7 que se dirige a Barcelona. En cuanto al
transporte marítimo, se encuentra en las proximidades el puerto de Algeciras, uno de los
puertos más grandes y con mayor tránsito de navíos de España.
Gas Natural. El gas natural necesario en la planta se obtendrá de un gaseoducto que se
encuentra cercano a la planta. El precio del gas natural depende del consumo de este:
Tabla 2.Tarifas de gas natural en la red nacional de gaseoductos (La Guía de la Energía)
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Estimación económica inicial.
Diagrama de bloques.
Gás de síntesis
Metanol 99,85% wt
(68% H2, 28%
CO, 4% CO2)
7445 Kmol/h
Síntesis de
Metanol 250ºC
50 bar
1588 Kmol/h
Separación flash
25ºC 3bar
25oC, 3 bar
o
250
C,
50
bar
Grafico 8.Diagrama de bloques de la sección de síntesis y purificado.
Dimensionado preliminar del proceso.
Sistema de
destilación
Agua
272, 3 Kmol/h
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Grafico 9.Sumario de cara al análisis económico de los distintos equipos:
Bombas.
Se usan bombas de caudal alto a presiones relativamente bajas para impulsar un gas así
que nuestra elección es una bomba centrifuga de flujo axial.
Parámetros: Caudal y material carcasa y rodete.
Compresores.
Se escoge un compresor centrífugo a sabiendas de la presión que hay que imprimirle al
fluido y la potencia necesaria para ello.
Parámetros: Potencia del compresor y material
Hornos pre calentadores.
No toda la calefacción es aprovechada en el proceso. Se dispone de un horno que sufre
presiones hasta 500- 600 psi. Es un horno de gas.
Parámetros diseño: Calor necesario de aportar.
Tanques de almacenamiento.
Se usan normas en cuanto a este de tipo interno. Se calculan para 10 días de producción.
Parámetros: producción periodo almacenamiento.
Reactores.
Para dimensionar un reactor en este tipo de instalaciones se usan las ecuaciones de
dimensionado propias de los mezcladores presurizados.
Parámetros: Presión de los reactores
Cambiadores.
Se decide usar cambiadores de carcasa y tubo siendo los coeficientes de transferencia
los que determinar la forma y/o tamaño.
Columnas de separación.
Las columnas de separación del proceso son analizadas económicamente como si fueran
recipientes a presión. Parámetros: Presión trabajo.
Estimación de los principales equipos.
Cambiadores.
Tabla 3.Estimacion económica. Fuente: Simulador de procesos Hysys y www.matche.com
Nombre
equipo
E-101
E-102
Tipo de equipo
CAMBIADOR CABEZAL
FLOTANTE
CAMBIADOR CABEZAL
Coste instalado
Coste equipamiento
(euros)
(euros)
88100
444800
88100
686800
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E-103
E-104
E-105
FLOTANTE
CAMBIADOR CABEZAL
FLOTANTE
CAMBIADOR CABEZAL
FLOTANTE
CAMBIADOR CABEZAL
FLOTANTE
CHEMTECH®
88100
19200
70600
13700
70600
13700
TOTAL (euros)
Compresores.
Nombre
equipo
K-101
K-102
K-103
Tipo de equipo
COMPRESOR CENTRIFUGO
COMPRESOR CENTRIFUGO
COMPRESOR CENTRIFUGO
Reactor y columnas.
Nombre
Tipo de equipo
equipo
R-100
FIXED
T-101-cond acc DHT HORIZ DRUM
T-101-reb
DRB U TUBE
T-101-reflux
BOMBA CENTRIFUGA
pump
T-101-tower
DTW TRAYED
Separador.
Nombre
equipo
V-100
Tipo de equipo
DHT HORIZ DRUM
405.500
Coste instalado
Coste equipamiento
(euros)
(euros)
1,28E+07
1,13E+06
1,28E+07
1,13E+06
2,15E+07
2,00E+10
TOTAL (euros)
27.750.000
Coste instalado
Coste equipamiento
(euros)
(euros)
139400
42700
101600
17600
162000
54200
37200
5600
436200
TOTAL (euros)
180600
714.400
Coste instalado
Coste equipamiento
(euros)
(euros)
118300
24300
TOTAL (euros)
118.300
TOTAL EQUIPOS
(euros)
28.988.200
Tabla 3.Estimacion económica. Fuente: Simulador de procesos Hysys y www.matche.com
Aplicación regla de Williams para la capacidad.
La regla de Williams es aplicable tanto a equipos como a instalaciones desde el
punto de vista de la capacidad de producción de las mismas. En condiciones en las que
puedas disponer de estimaciones del coste de una planta para una producción, puedes
calcular ese mismo coste mediante la regla de Williams para las capacidades. De esta
manera analizas de manera objetiva el error de la estimación.
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A sabiendas de diferentes costes publicados por la empresa Chilena Metanex
para producciones de 500.000 toneladas al año de metanol, podemos calcular mediante
la regla de Williams el coste estimado y comprobar si coincide con lo estimado. El
exponente de la regla de Williams para producción de metanol es de 0,83 (Miranda
Rodríguez .UCM.1998)
Precio estimado = Precio Metanex * (Capacidad Chemtec/capacidad
Metanex)^0,83
Precio estimado = 300.000.000* (350.000/500.000)^0,83 = 300.000.000 * 0,56
= 168.000.000euros
En el documento de ingeniería conceptual disponemos tan solo de la lista de
equipos principales ya que será en la básica cuando se desarrolle el proyecto tanto en
extensión como en profundidad.
Para poder saber si la estimación es correcta debemos de calcular cuánto del
precio estimado para la planta con el método de Williams corresponde al equipo o
inmovilizado. Recurrimos a la experiencia. El peso de los equipos sobre una coste total
de una planta viene representando el 15 % del total (C.Crebrian, R.Grande, Proyectos
fin carrera ,UAM,2004 2006).
Precio Williams * 0,15 = Precio inmovilizado Williams = 25.000.000 euros.
Precio Estimación = 28.900.000 euros.
%Error = 15,6 %
Corresponde a un error aceptable para esta fase de desarrollo del proyecto en la
que debe ser máximo de 30 %.
Conclusiones.
Las diferencias entre el Proceso Lurgi y el ICI son principalmente debidas a los
procesos de reforming y la presión de la operación siendo mayor que en el ICI. En los
presentes casos se tiene en cuenta el reformado del gas natural para obtener el syngas;
debiendo de prescindir del reformado en el estudio que se abarca. Económicamente
hablando es más rentable el ICI y es el principal método de obtención del Metanol a
escala mundial.
Referencias bibliográficas.
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Engl. 44: 2636–2639.
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brasileiras. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Tesis de Máster en ingeniería
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Version 2.
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www.sriconsulting.com/CEH/Public/Reports/674.5000/
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