amoniaco

Microsoft Word - m2008_17.doc

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALAPARAISO FACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

PROYECTO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL QUIMICO:

ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD TECNICO Y ECONOMICA DE UNA PLANTA DE AMONIACO

Mauricio Rebolledo Navarro

Profesor Gua: Jaime Fernndez Celis

2008

Resumen del Proyecto

El objetivo del presente proyecto es la simulacin, diseo y evaluacin de una Planta de Amoniaco a partir de Gas Natural. La simulacin completa de la planta fue realizada a travs del software de simulacin de procesos qumicos HYSYS. Este software proporciona paquetes termodinmicos para la estimacin de propiedades fsicas, equilibrios lquido- vapor, balances de materia y energa. Los paquetes termodinmicos utilizados fueron el SRK que usa la ecuacin de estado cbica Soave Redlich Kwong y el AMINE que es especifico para el sistema de absorcin de dixido de carbono. Con los datos obtenidos a travs del simulador HYSYS, se procedi al diseo de los equipos involucrados en el proceso.

El Amoniaco es el segundo producto qumico sinttico de mayor produccin mundial. La mayora del amoniaco producido en el mundo se utiliza para la fabricacin de fertilizantes en la forma de Urea o Sales de Amonio. Chile no es productor de Amoniaco, el 100% de la importacin de amoniaco lo realiza ENAEX para producir Nitrato de Amonio, el cual es utilizado principalmente para la elaboracin de Anfo para la industria minera.

Los pasos bsicos para el proceso de produccin industrial son: produccin de Gas de Sntesis, acondicionamiento del gas, compresin, y sntesis de Amoniaco. El objetivo de la produccin de Gas de Sntesis y de los pasos de acondicionamiento es proporcionar una corriente de gas cuya composicin sea principalmente Hidrgeno y Nitrgeno a la entrada del convertidor de sntesis.

De acuerdo al estudio de mercado realizado, el comportamiento de la demanda nacional de Amoniaco entre los aos 2003-2006 se ha incrementado, alcanzando el ltimo ao las 183.793 toneladas, importadas principalmente desde Venezuela y Argentina. Con esta informacin y considerando una proyeccin de crecimiento en el consumo de 5% anual, se puede determinar la factibilidad de suplir gran parte de la demanda nacional entre el periodo del 2011-2020, estableciendo una capacidad de produccin mxima de 1000 toneladas diarias al segundo ao de funcionamiento.

La planta proyectada se ubicar en Mejillones, Regin de Antofagasta, cerca de ENAEX, ya que es la nica empresa que consume el total del Amoniaco importado por Chile.

Se analizaron distintos mtodos de produccin de Gas de Sntesis, llegando a la conclusin de que la Reformacin con Vapor Combinada del Gas Natural es la que posee ms ventajas. En cuanto al acondicionamiento del Gas de Sntesis, Sntesis de Amoniaco y separacin final del Amoniaco se utilizaron los mtodos mas adecuados de acuerdo a las condiciones de operacin del proceso.

Finalmente se establece que el proyecto es tcnicamente factible, con una inversin total de 277,8 MM USD, obtenindose un TIR de 20% a un costo del gas natural de 4 USD/Milln de Btu y un precio de venta del Amoniaco de 370 USD/ton en el ao 2006.

Econmicamente, el proyecto es muy sensible al precio del Gas Natural y a los precios internacionales del Amoniaco, por lo que no se recomienda su implementacin hasta tener una fuente estable, segura y econmica de Gas Natural.

ndice de Materias

Pgina

CAPITULO 1.- Descripcin del Producto11.1.- Introduccin.21.2.- Origen del Compuesto.21.3.- Propiedades Fsicas.21.4.- Propiedades Qumicas.31.4.1.- Comportamiento bsico.31.4.1.1.- Reacciones en NH3 lquido.31.4.1.2.- Sales amnicas.41.4.2.- Reacciones como reductor.51.5.- Sntesis Industrial.61.6.- Materias Primas.71.7.- Usos del Amoniaco.101.8.- Referencias.12CAPTULO 2.- Descripcin de la Materia Prima132.1.- Descripcin y caractersticas tcnicas del Gas Natural.142.2.- Usos del Gas Natural.162.3.- Reservas probadas de Gas Natural en el mundo.172.4.- Reservas de Gas Natural en Sudamrica.182.5.- Suministro de Gas Natural a Chile.202.5.1.- Red de Gasoductos.212.6.- Proyeccin de la demanda de Gas Natural 2003-2012.242.7.- Precios.272.7.1.- Evolucin histrica de los precios.292.8.- Posible abastecimiento de Gas Natural a Chile.302.8.1.- Anillo energtico del MERCOSUR.302.8.2.- Gasoducto Sur.312.8.3.- Gas Natural Licuado.322.8.4.- Proyecto Lago Mercedes.322.8.5.- Hidratos de Metano.332.9.- Referencias.34

CAPTULO 3.- Estudio de Mercado363.1.- Produccin Mundial de Amoniaco.373.2.- Precio del Amoniaco.443.3.- Produccin en Chile de Amoniaco.453.4.- Usuarios de Amoniaco en Chile463.5.- Capacidad de la Planta.463.6.- Ubicacin de la Planta.473.7.- Referencias.48CAPTULO 4.- Anlisis de Tecnologas494.1.- Tecnologas de Produccin de Gas de Sntesis.504.1.1.- Reformacin con Vapor.514.1.2.- Oxidacin Parcial.534.1.3.- Reformacin Autotrmica.544.1.4.- Reformacin Combinada.554.1.5.- Reformacin con Intercambio de Calor.574.1.5.1.- Kellogg`s Reforming Exchanger System.574.1.5.2.- Gas Heated Reforming.584.1.6.- Gasificacin del Carbn.594.1.7.- Electrlisis.624.2.- Comparacin del Tecnologas.644.3.- Seleccin del Proceso de Produccin de Gas de Sntesis.654.4.- Referencias.66CAPITULO 5.- Etapas del Proceso675.1.- Reformacin.685.1.1.- Pretratamiento de la alimentacin.715.1.2.- Reformadores.715.2.- Conversin del Monxido de Carbono.725.3.- Eliminacin del Dixido de Carbono.735.4.- Metanizacin.755.5.- Compresin.765.6.- Sntesis de Amoniaco.765.6.1.- Catlisis.79

5.6.2.- Separacin del Amoniaco...........................................................5.7.- Diseo de Plantas de Amoniaco...................................................5.8.- Referencias.................................................................................................

CAPTULO 6.- Simulacin del Proceso..........................................................................6.1.- Aspectos Generales....................................................................................6.2.- Simulacin del Reformador Primario...........................................................6.3.- Simulacin del Reformador Secundario......................................................6.4.- Simulacin del Convertidor de CO HTS......................................................6.5.- Simulacin del Convertidor de CO LTS.......................................................6.6.- Simulacin del Metanizador........................................................................6.7.- Simulacin del Convertidor de Sntesis de Amoniaco.................................6.8.- Simulacin del Sistema de Absorcin de CO2............................................ 6.9.- Referencias.................................................................................................

CAPTULO 7.- Descripcin del Proceso........................................................................7.1.- Reformado...................................................................................................7.2.- Conversin del Monxido de Carbono........................................................7.3.- Enfriamiento y Condensacin del Agua......................................................7.4.- Absorcin de Dixido de Carbono...............................................................7.5.- Metanizacin...............................................................................................7.6.- Condensacin y secado del Gas de Sntesis..............................................7.7.- Compresin del Gas de Sntesis.................................................................7.8.- Circuito de Sntesis de Amoniaco................................................................7.8.1.- Sntesis de Amoniaco.................................................................7.8.2.- Etapa de purificacin..................................................................7.9.- Seccin de combustin y conveccin del Reformador Primario................. 7.10.- Distribucin del agua de enfriamiento.......................................................7.11.- Produccin de vapor de Proceso..............................................................7.12.- Ciclo de Vapor 120 bar.............................................................................7.13.- Referencias...............................................................................................

828386

87889191929293949698

99100105107109114116118120121124128131132135138

CAPTULO 8.- Diseo de Equipos..................................................................................8.1.- Diseo del Reformador Primario.................................................................8.2.- Diseo del Reformador Secundario............................................................8.3.- Diseo de Convertidores de CO..................................................................8.3.1.- Diseo de Convertidor HTS........................................................8.3.2.- Diseo de Convertidor LTS........................................................8.4.- Diseo del Metanizador..............................................................................8.5.- Sistema de Absorcin de CO2.....................................................................8.5.1.- Aspectos Generales...................................................................8.5.2.- Consideraciones de diseo........................................................8.5.3.- Caractersticas del Sistema de Absorcin de CO2 con MEA...... 8.6.- Reactor de Sntesis de Amoniaco...............................................................8.6.1.- Aspectos Generales...................................................................8.6.2.- Expresin de la cintica de la sntesis de amoniaco.................. 8.6.3.- Formacin de amoniaco en el Convertidor................................. 8.6.4.- Convertidores comerciales.........................................................8.6.5.- Efecto de la temperatura en el Convertidor................................ 8.6.6.- Perfil ptimo de temperatura......................................................8.6.7.- Diseo del Convertidor...............................................................8.6.8.- Especificaciones del Convertidor................................................8.6.9.- Especificaciones del Catalizador................................................ 8.6.10.- Representacin grfica del diseo del Convertidor..................8.7.- Deshidratador..............................................................................................8.7.1.- Caractersticas del Deshidratador.............................................. 8.8.- Intercambiadores de Calor..........................................................................8.8.1.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-100..........................8.8.2.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-101..........................8.8.3.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-104..........................8.8.4.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-106..........................8.8.5.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-110..........................8.8.6.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-112..........................8.8.7.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-113..........................8.8.8.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-116..........................8.8.9.- Caractersticas Intercambiador de Calor E-111a........................

139140143145147149151154154154158160160163164165166168173174174175176176177177177178178179179180180181

8.9.- Condensadores...........................................................................................8.9.1.- Caractersticas Condensador Torre T-101.................................8.9.2.- Caractersticas Condensador E-107...........................................8.9.3.- Caractersticas Condensador E-108...........................................8.9.4.- Caractersticas Condensador E-111b.........................................8.9.5.- Caractersticas Condensador E-117b.........................................8.9.6.- Caractersticas Condensador E-118...........................................8.9.7.- Caractersticas Condensador E119............................................8.10.-Vaporizadores.............................................................................................8.10.1.- Caractersticas Vaporizador E105............................................8.10.2.- Caractersticas Vaporizador E-117a.........................................8.10.3.- Caractersticas Vaporizador E-502...........................................8.10.4.- Caractersticas Vaporizador E-109...........................................8.10.5.- Caractersticas Reboiler............................................................8.11.- Intercambiadores de Calor de Flujo Cruzado............................................ 8.11.1.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-102.......... 8.11.2.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-103.......... 8.11.3.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-114.......... 8.11.4.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-115.......... 8.11.5.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-501.......... 8.11.6.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-503.......... 8.11.7.- Caractersticas Intercambiador de Flujo Cruzado E-504..........8.12.- Separadores Lquido-Vapor.......................................................................8.12.1.- Caractersticas Separador V-100..............................................8.12.2.- Caractersticas Separador V-101..............................................8.12.3.- Caractersticas Separador V-102..............................................8.12.4.- Caractersticas Separador V-103..............................................8.12.5.- Caractersticas Separador V-104..............................................8.12.6.- Caractersticas Separador V-105..............................................8.12.7.- Caractersticas Separador V-106..............................................8.13.- Referencias................................................................................................

182182182183183183184184185185185185186186187187187187188188188189190190190190191191191192192

CAPTULO 9.- Evaluacin Econmica...........................................................................9.1.- Inversin Total.............................................................................................9.1.1.- Capital Fijo..................................................................................9.1.1.1.- Total Capital Fijo........................................................9.1.2.- Capital de Trabajo.......................................................................9.1.2.1.- Inventario materias primas.........................................9.1.2.2.- Inventario de productos..............................................9.1.2.3.- Cuentas por cobrar....................................................9.2.- Costos de Produccin..................................................................................9.3.- Flujo de Caja................................................................................................9.3.1.- Valor Actual Neto (VAN).............................................................9.3.2.- Tasa Interna de Retorno (TIR)....................................................9.3.3.- Naturaleza de la deuda...............................................................9.3.4.- Clculo Flujo de Caja..................................................................9.4.- Anlisis de sensibilidad................................................................................9.5.- Conclusin...................................................................................................9.6.- Referencias..................................................................................................

CAPTULO 10.- Conclusiones.........................................................................................

ANEXO A: Simulador Hysys..............................................................................................

ANEXO B: Diseo de Columnas de Absorcin y Desorcin.............................................

ANEXO C: Simulacin del Convertidor de Amoniaco........................................................

ANEXO D: Diseo del Deshidratador................................................................................

ANEXO E: Diseo de Intercambiadores de Calor.............................................................

ANEXO F: Diseo de separadores Lquido-Vapor............................................................

ANEXO G: Detalle de Balance de Masa y Energa por Equipos.......................................

194195195196198199199200200200201201202202204209210

211

214

223

234

246

254

322

345

Captulo 1

DESCRIPCION DEL PRODUCTO

Captulo 1: Descripcin del Producto

5PLANTA DE AMONIACO

1.- Descripcin del Producto

1.1.- Introduccin [1]

El nombre de amoniaco deriva del nombre dado a una divinidad egipcia: Amn. Los egipcios preparaban un compuesto, cloruro amnico, a partir de la orina de los animales en un templo dedicado a este Dios. Cuando se llevo a Europa mantuvo ese nombre en recuerdo de la sal de Amn.

Formula:NH3 Peso Molecular:17,03 g/molComposicin:N: 82,25 % y H: 17,75 %

1.2.- Origen del compuesto [2]

En 1784 Berthollet descubri que el amoniaco estaba formado por nitrgeno e hidrgeno. En 1795 Hildebrandt intent su sntesis a partir de la homogeneizacin de sus elementos a temperatura ambiente.

A principios del siglo XIX se empezaron a realizar experimentos para sintetizar amoniaco con la ayuda de catalizadores como el hierro.

Alrededor de 1900 Haber empez a investigar el equilibrio del amoniaco. En 1913 se establece la primera planta de produccin de amoniaco a escala industrial.

1.3.- Propiedades fsicas [2]

Gas incoloro en condiciones normales Temperatura de solidificacin:77,7C Temperatura normal de ebullicin:33,4C Calor latente de vaporizacin a 0C:302 kcal/kg

Presin de vapor a 0C:4,1 atm. Temperatura crtica:132,4C Presin crtica:113 atm. Densidad del gas (0C y 1atm.):0,7714 g/l Constante dielctrica:22

1.4.- Propiedades qumicas [2]

En las reacciones qumicas, el NH3 puede actuar como base o bien como un reductor.

1.4.1.- Comportamiento bsico:

Se debe al par de electrones no enlazantes de su molcula, capaz de unirse a un protn por un enlace covalente coordinado.

NH 3 H 2

O NH OH

Kb 1,8 105

4El valor de Kb indica que es una base dbil, por lo que se utiliza en muchas reacciones como fuente moderada de iones OH-.

1.4.1.1.- Reacciones en NH3 lquido:

La transferencia de H+ puede tener lugar desde una molcula a otra del propio NH3. As en NH3 lquido existe la autoionizacin:

NH NH

NH NH

K 10 30

T a 33 C

3342

Anloga a la autoionizacin del H2O, pero en mucho menor grado.

4En NH3 lquido como disolvente, el in amonio NH +-

, es el cido anlogo al H3O+, en-

disoluciones acuosas y el in amiduro, NH2 , es la base, anloga al OH acuoso.

Asimismo, los hidrxidos alcalinos (bases muy fuertes en H2O) tienen sus anlogos amoniacales en amiduros alcalinos (bases muy fuertes en NH3), que se pueden obtener de forma similar por ejemplo:

32Na NH Na NH 1 2 H2

Reaccin completamente anloga, (aunque mucho ms lenta) a la correspondiente con H2O:

Na H 2O Na OH1 2 H 2

1.4.1.2.- Sales amnicas:

Se obtienen fcilmente por reaccin del NH3 con el cido correspondiente. En disolucin acuosa, la reaccin general es:

NH 3 H 3

O H

O NH

442Las sales amnicas son compuestos inicos en los que existe el in NH +, que puede actuar como acido y reaccionar con el H2O:

4NH H

2 O NH 3 H 3O

Es decir, que las sales amnicas se hidrolizan en pequeo grado y sus disoluciones tienen carcter cido, esto ocurre cuando son sales amnicas de cidos fuertes, pero si son de cido dbil, la disolucin puede ser, acida, neutra o bsica.

43Por otra parte, como el in NH +, se transforma fcilmente, cediendo un protn, en NH que es gaseoso, las sales amnicas son trmicamente inestables. La mayora se descomponen al calentarlas en NH3 y el cido correspondiente. Si ste es tambin voltil, la descomposicin es muy fcil:

NH 4Cl(s) HCl(g) NH 3 (g)

Con calor y hasta en algn caso, puede ocurrir de forma espontnea.

NH 4 2 CO3 (s) NH 4 HCO3 (s) NH 3 (g)

Si el anin de la sal amnica, tiene propiedades oxidantes (Cr2O7)=, (NO3)-, (NO2)-, etc., al+

calentar la sal, se produce la oxidacin del in NH4N2O (caso del NH4NO3).

1.4.2.- Reacciones como reductor:

originando N2 (caso del NH4NO2) o bien

El NH3 solo puede actuar como reductor en las reacciones redox a temperatura ambiente, el NH3 es bastante inerte como reductor debido en muchos casos a la lentitud de la reaccin (control cintico), pero a temperatura elevada, puede reducir a xidos de metales poco activos.

A temperatura elevada, el NH3 se oxida con oxgeno molecular, y puede ocurrir de dos formas:

4NH 3 3O2 6H 2 O 2N 24NH 3 5O2 6H 2 O 4NO

G 1305KJ G 1132KJ

Es ms favorable termodinmicamente la primera, pero con un catalizador de Pt (800C) se cataliza selectivamente la segunda reaccin que es prcticamente la nica que tiene lugar.

1.5.- Sntesis industrial [1]

El NH3 se obtiene exclusivamente por el mtodo denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh recibieron el Premio Nobel de qumica en los aos 1918 y 1931). El proceso consiste en la reaccin directa entre el nitrgeno y el hidrgeno gaseoso.

N 2 (g) 3H 2 (g) 2NH 3 (g)

H 46,2 KJ mol S 0

Es una reaccin exotrmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formacin de amoniaco.

Sin embargo, la velocidad a la que se forma NH3 a temperatura ambiente es casi nula. Es una reaccin muy lenta, puesto que tiene una elevada energa de activacin, consecuencia de la estabilidad del N2. La solucin de Haber al problema fue utilizar un catalizador (xido de hierro que se reduce a hierro en la atmsfera de H2) y aumentar la presin, ya que esto favorece la formacin del producto. Convertir el mtodo de Haber en un proceso de fabricacin fue trabajo realizado por Carl Bosh, ingeniero qumico de la BASF, quien de este modo consigui su Nobel.

En la prctica las plantas operan a presiones de 100-1000 atm y temperaturas de 400-600C. En el reactor de sntesis se utiliza -Fe como catalizador (Fe2O3 sobre AlO3 catlisis heterognea). A pesar de todo, la formacin de NH3 es baja con un rendimiento alrededor del 15%. Los gases de salida del reactor pasan por un condensador donde se puede licuar el NH3 separndolo as de los reactivos, los cuales pueden ser nuevamente utilizados.

Los estudios sobre el mecanismo de la reaccin indican que la etapa determinante de la velocidad de la reaccin es la ruptura de la molcula de N2 y la coordinacin a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa mas fcilmente. Se producen una serie de reacciones de insercin entre las especies adsorbidas para producir el NH3.

El catalizador funciona adsorbiendo las molculas de N2 en la superficie del catalizador debilitando el enlace interatmico N-N; de esta forma se origina N atmico el cual reacciona

con tomos de hidrgeno que provienen de la disociacin de H2 que tambin tiene lugar en la superficie metlica.

Existen numerosos mtodos en la sntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones ms importantes estn relacionadas con la fuente del gas de sntesis, la diferencia en los procesos de preparacin del gas de sntesis y las condiciones de obtencin del amoniaco.

La produccin de una planta tpica de NH3 ronda las 1500 ton/da.

1.6.- Materias primas [1], [3], [4], [5]

El amoniaco es obtenido por la reaccin catalizada de nitrgeno e hidrgeno. La fuente de nitrgeno es el aire atmosfrico; el hidrgeno requerido puede ser producido de diferentes materias primas pero actualmente es producido principalmente de la reformacin con vapor de combustibles fsiles. Dependiendo del tipo de combustible fsil, diferentes mtodos de produccin son aplicados para producir hidrgeno para la sntesis de amoniaco.

Proceso empleado

Gas naturalLigerosReformado con vaporNaftas ligerasHidrocarburosFuel oil pesadoPesadosOxidacin parcialResiduos de vacio

CarbnGasificacin

Actualmente alrededor del 80% de la capacidad de produccin mundial de amoniaco es proporcionada por el proceso de reformado con vapor.

Tabla 1.1: Procesos aplicado y materia prima en la produccin de amoniaco. La tercera columna muestra el porcentaje de la capacidad mundial.Materia primaProceso% capacidad mundial

Gas NaturalReformacin con vapor77

Nafta, LPG, Gas de RefineraReformacin con vapor6

Fracciones de hidrocarburos pesadosOxidacin parcial3

Coque, carbnOxidacin parcial13,5

AguaElectrlisis del agua0,5

Tabla 1.2: Diferencia de costo y energa total demandada para la produccin de amoniaco.Materia primaProcesoconsumo de energa primaria netaGJ/t de NH3 (LHV)Inversin relativa

Gas NaturalReformacin con vapor281

Hidrocarburos pesadosOxidacin parcial381,5

CarbnOxidacin parcial482 - 3

Tabla 1.3: Costo de produccin de distintas materias primas

Gas NaturalFuel oil pesadoCarbn

Consumo de energa1,01,31,7

Costo de inversin1,01,42,4

Costo de produccin1,01,21,7

Las previsiones son que el gas natural siga siendo la materia prima principal durante por lo menos los prximos 50 aos.

Puesto que la mayor parte de la produccin mundial de amoniaco utiliza como materia prima el gas natural, el costo de este es el principal en la produccin de amoniaco. Una planta media de amoniaco consume 33 Millones de Btu de gas natural y 101,4 KWh de electricidad para producir una tonelada mtrica de amoniaco.

La figura 1.1, muestra la dependencia del costo del amoniaco con el gas natural. El costo de conversin permanece constante de acuerdo a USGS, mientras que cerca del 90% o ms del costo de produccin de amoniaco, como por ejemplo a alto precio del gas natural, constituye el costo del combustible fsil. Un cambio en el precio del gas natural de USD 1 por milln de Btu resulta en alrededor de USD 33 de variacin por tonelada en el costo de produccin de amoniaco.

Figura 1.1: Costo de Produccin de Amoniaco (2005) [5]

1.7.- Usos del amoniaco

El amoniaco, nitrato de amonio, urea, soluciones nitrogenadas, sulfato de amonio y fosfatos de amonio como fosfato de diamonio (DAP) y fosfato de monoamonio (MAP) estn categorizados como fertilizantes nitrogenados.

Fosfatos de AmonioNitrato deAmonio[NH4NO3]Acido AdpicoToluen di- isocianatoMetilen difenil di- isocianatoAcrilonitriloAmoniaco[NH3]Acido Cianhdrico[HCN]Sulfato deAmonio[(NH4)2SO4]MelaminaAlimento animalFertilizantesExplosivosAcido Ntrico[HNO3]Plsticos, fibras y resinasUrea[NH3CONH2]Caprolactama

Figura 1.2: Usos del Amoniaco

El amoniaco es la materia prima base para la industria mundial de fertilizantes basados en nitrgeno y el compuesto principal para la manufactura de seis productos principales: urea, nitrato de amonio, sulfato de amonio, fosfatos de amonio, cido ntrico y soluciones nitrogenadas. A escala mundial, 8590% del amoniaco se consume como fertilizantes nitrogenados. El amoniaco tambin tiene una variedad amplia de aplicaciones industriales

10PLANTA DE AMONIACO

como: produccin de acrilonitrilo y caprolactama, compuesto intermedio para fibras sintticas y resinas. Tambin es usado para fabricacin de otros compuestos orgnicos incluyendo alquilaminas, etanolaminas y anilina. Otras aplicaciones incluyen limpiadores lquidos, produccin de pulpa y papel, refrigeracin y metalurgia. Estos usos finales forman parte del 1015% del amoniaco producido.


1.8.- Referencias

[1]AMONIACOhttp://www.textoscientificos.com/quimica/amoniaco/produccion

[2]M.C. Pantoja. AMONIACO. Universidad de Castilla la Mancha, Espaa. http://www.uclm.es/profesorado/afantinolo/QAVANZADA/MC%20Pantoja%20Suarez(AMONIACO).doc

[3]Reference Document on Best Available Techniques for the Manufacture of Large Volume Inorganic Chemicals-Ammonia, Acids and Fertilizers. 2006.Institute for Prospective Technological Studies. Seville http://www.epa.ie/download/advice/brefslarge%20volume%20inorganic%20-%20ammonia,%20etc.pdf

[4]Wen-Yuan Huang. Agosto 2007. Impact of Rising Natural Gas Prices on U.S. Ammonia Supply. United States Department of Agriculture. http://www.ers.usda.gov/publications/wrs0702.pdf

[5]Abram, A. and Foster, D.L.. 2005. A Primer on Ammonia, Nitrogen Fertilizers, and Natural Gas Markets. Department of AED Economics, The Ohio State University. http://www.aede.osu.edu/resources/docs/pdf/kp90ms9c-3h54-c92j- 73lb0htnncbaf66g.pdf

Captulo 2

DESCRIPCION DE LA MATERIA PRIMA

Captulo 2: Descripcin de la Materia Prima

2.- Descripcin de la Materia Prima

2.1.- Descripcin y caractersticas tcnicas del Gas Natural [1],[2],[3],[4]

El gas natural es incoloro, inodoro, inspido, sin forma particular y ms ligero que el aire. Se presenta en su forma gaseosa por encima de los -161C. Por razones de seguridad, se le aade mercaptanos, un agente qumico que le da un olor caracterstico, con el propsito de detectar una posible fuga de gas.

Se form hace millones de aos cuando una serie de organismos descompuestos como animales y plantas, quedaron sepultados bajo lodo y arena, en lo ms profundo de antiguos lagos y ocanos. En la medida que se acumulaba lodo, arena y sedimento, se fueron formando capas de roca a gran profundidad. La presin causada por el peso sobre stas capas ms el calor de la tierra, transformaron lentamente el material orgnico en petrleo crudo y en gas natural. El gas natural se acumula en bolsas entre la porosidad de las rocas subterrneas. Pero en ocasiones, el gas natural se queda atrapado debajo de la tierra por rocas slidas que evitan que el gas fluya, formndose lo que se conoce como un yacimiento.

El gas natural se puede encontrar en forma "asociado", cuando en el yacimiento aparece acompaado de petrleo, o gas natural "no asociado" cuando est acompaado nicamente por pequeas cantidades de otros hidrocarburos o gases.

Tabla 2.1: Composicin Tpica del Gas Natural:

CompuestoComposicin QumicaRango (en %)

MetanoCH491-95

EtanoC2H62-6

Dixido de CarbonoCO20-2

PropanoC3H80-2

NitrgenoN20-1

La composicin del gas natural incluye diversos hidrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el 90%, y en proporciones menores etano, propano, butano, pentano y pequeas proporciones de gases inertes como dixido de carbono y nitrgeno.

Extrado del subsuelo, el gas natural se trata para quitarle las impurezas como el agua, otros gases, arena y otros compuestos. Algunos hidrocarburos se remueven y se venden por separado, como el propano y el butano. Otras impurezas tambin se quitan, como el cido sulfdrico (la refinacin del cual puede producir azufre, que entonces tambin se comercializa por separado).

El gas natural no es ni corrosivo ni txico, su temperatura de combustin es elevada y posee un estrecho intervalo de inflamabilidad, lo que hace de l un combustible fsil seguro en comparacin con otras fuentes de energa. Adems, por su densidad de 0,60, inferior a la del aire (1,00), el gas natural tiene tendencia a elevarse y puede, consecuentemente, desaparecer fcilmente del sitio donde se encuentra por cualquier grieta.

A presin atmosfrica normal, si el gas natural se enfra a una temperatura de -161C aproximadamente, se condensa bajo la forma de un lquido llamado Gas Natural Licuado (GNL). Un volumen de este lquido ocupa casi 600 veces menos espacio que el gas natural y es dos veces menos pesado que el agua (45% aproximadamente).

El gas natural es considerado como un combustible limpio. Bajo su forma comercializada, casi no contiene azufre y virtualmente no genera dixidos de azufre (SO2). Sus emisiones de xidos de nitrgeno (NOx) son menores a las generadas por el petrleo y el carbn. Las emisiones de dixido de carbono (CO2) son inferiores a la de otros combustibles fsiles (segn Eurogas emite 40 a 50% menos que el carbn y 25 a 30% menos que el petrleo).

El gas natural se puede medir de diversas maneras. Como gas, puede ser medido por el volumen que ocupa a temperaturas y presiones normales, siendo expresado comnmente en metros cbicos. Las compaas de produccin y distribucin miden comnmente el gas natural en miles de metros cbicos, millones de metros cbicos, o trillones de metros cbicos.

A pesar que medir por su volumen es til, el gas natural se puede tambin medir como fuente de energa. Como otras formas de energa, el gas natural se mide y se expresa comnmente en caloras. Un metro cbico de gas natural contiene cerca de 9.300.000 caloras o 9.300 kilo caloras

2.2.- Usos del Gas Natural [2]

El gas natural tiene diversas aplicaciones en la industria, el comercio, la generacin elctrica, el sector residencial y el transporte de pasajeros. Ofrece grandes ventajas en procesos industriales donde se requiere de ambientes limpios, procesos controlados y combustibles de alta confiabilidad y eficiencia.

En el siguiente cuadro se presentan algunas de las aplicaciones ms comunes de gas natural:

Tabla 2.2: Aplicaciones del Gas Natural:

SectorAplicaciones/Procesos

IndustrialGeneracin de vapor

Industria de alimentos

Secado

Coccin de productos cermicos

Fundicin de metales

Tratamientos trmicos

Temple y recocido de metales

Generacin elctrica

Produccin de petroqumicos

Sistema de calefaccin

Hornos de fusin

Comercio y ServiciosCalefaccin central

Aire acondicionado

Coccin/preparacin de alimentos

Agua caliente

EnergaCogeneracin elctrica

Centrales trmicas

ResidencialCocina

Calefaccin

Agua caliente

Aire acondicionado

Transporte de pasajerosTaxis

Buses

2.3.- Reservas Probadas de Gas Natural en el Mundo [1], [5]

Las reservas mundiales de gas natural, aunque limitadas, son muy importantes y las estimaciones de su dimensin continan progresando a medida que las nuevas tcnicas de explotacin, de exploracin y de extraccin son descubiertas. Las reservas de gas natural son abundantes y ampliamente distribuidas por el mundo. Se estima que una cantidad significativa de gas natural queda an por descubrir.

Tabla 2.3: Reservas probadas de Gas Natural en el Mundo, Enero 2007. (Trillones de pies cbicos)ReginReservas Probadas de Gas Natural

Amrica del Norte276,9

Centro y Sudamrica240,7

Europa y Eurasia2.195,1

Medio Oriente2.566,0

Africa484,4

Asia y Oceana419,5

Total Mundial6.182,7

Amrica del Norte Centro y Sudamrica Europa y Eurasia Medio OrienteAfricaAsia y OceanaReservas Probadas Mundiales de Gas Natural7%4%4%8%36%41%

Figura 2.1: Reservas Probadas de Gas Natural en el mundo en porcentaje por regin, Enero 2007.

Las reservas probadas son aquellas que podran ser producidas con la tecnologa actual.

2.4.- Reservas de Gas Natural en Sudamrica [5]

La mayor reserva, por muy lejos de gas natural se encuentra en Venezuela. Luego de ella viene Bolivia quin an no tiene las inversiones necesarias para explotar este recurso. Posteriormente Argentina tiene el tercer lugar, sin embargo su alta demanda interna producto del congelamiento de precios le hace destinar prcticamente toda su produccin al consumo interno.

La lejana de Venezuela y las condiciones de Bolivia y Argentina hacen que en la zona sur del continente se est experimentando una situacin de escasez de ste combustible.

Tabla 2.4: Reservas probadas de Gas Natural en Sudamrica, Enero 2007.

PasReservas Probadas de Gas Natural(trillones de pies cbicos)

Argentina16,090

Bolivia24,000

Brasil10,820

Chile3,460

Colombia3,996

Ecuador0,000

Paraguay0,000

Per8,723

Uruguay0,000

Venezuela153,380

TOTAL220,469

Chile Colombia Per Brasil Argentina BoliviaVenezuela

Reservas Probadas de Gas Natural en Sudamrica2%2% 4%5%7%11%69%Figura 2.2: Reservas Probadas de Gas Natural en Sudamrica en porcentaje por pas, Enero 2007.

2.5.- Suministro de Gas Natural a Chile [6], [7]

Figura 2.3: Suministro de Gas en Chile (2004). Fuente: Presentacin ICARE Ministerio de Energa 10/05/2006

Como se aprecia en la figura 2.3, Chile se abastece de gas en un 100% desde Argentina, excepto en la zona austral en que slo el 55% proviene desde el mencionado pas.

Tanto en la zona norte como centro, un porcentaje muy significativo del gas es utilizado para generacin elctrica.


2.5.1.- Red de gasoductos en Chile

Tabla 2.5: Gasoductos Zona Norte

GASODUCTOS ZONA NORTE (Cuenca Noroeste)

GasoductoTramos (Origen/Destino)Capacidad (MMm3/da)Longitud (km)

Gasatacama (internacional)Cornejo (Salta, Argentina)/ Paso de Jama (frontera)8,5530

Paso de Jama (frontera) / Mejillones8,5411

Norandino (internacional)Pichanal (Salta, Argentina) / Paso de Jama (frontera)7,1450

Paso de Jama (frontera) / Crucero7,1260

Crucero / Tocopilla1,679

Crucero / Quebrada Ordez5,5252

Quebrada Ordez / Mejillones3,935

Quebrada Ordez / Coloso1,6104

Taltal (nacional)Mejillones / La Negra2,489

La Negra / Paposo (Taltal)1,8135

Tabla 2.6: Gasoductos Zona Centro Sur

GASODUCTOS ZONA CENTRO SUR (Cuenca Neuqun)


GasAndes (internacional)La Mora (Mendoza, Argentina) / Paso Maipo (frontera)9313

Paso Maipo (frontera) / San Bernardo (City Gate II)9150

Vlvula 17 / City Gate I94

Electrogas (nacional)San Bernardo / Maip4,112

Maip / Quillota4,1111

Km 121 lnea principal / Est. Colmo1,215

Gas Pacfico (internacional)LomaLaLata(Cullen,Argentina)/ P.Butamalln (frontera)9,7276


Paso Butamalln (frontera) / Recinto9,776

Recinto / Las Mercedes9,7168

Las Mercedes / Gasco y Petrox6,717

La Leonera / Coronel2,128

Paso Hondo / Nacimiento173

Red SGN Transporte (nacional)Penco / LirqunNo aplicable

Las Mercedes / Concepcina la red38

Lateral Talcahuano

Lateral Coronel

Otros6laterales instalacionesen la VIII regin.alocalidadeseNo definida122

Tabla 2.7: Gasoductos Zona Magallanes

GASODUCTOS ZONA MAGALLANES (Cuenca Austral)


Sara - Cullen (nacional)Planta Sara (Sector Cerro Sombrero) / Planta Cullen (Tierra del Fuego)0,745

DAU N1 - Posesin (nacional)DAU N1 - Planta Posesin3,84

DAU N2 - Posesin (nacional)DAU N2 - Planta Posesin56

Dungeness - DAU N2 (nacional)Dungeness - DAU N2442

Posesin -Daniel (nacional)Planta Posesin / Sector Daniel1,518

Tres Lagos - Cullen (nacional)Tres Lagos (Tierra del Fuego) / Planta Cullen (Tierra del Fuego)27,518

BRC - Cullen (nacional)Batera de Recepcin Catalina / Planta Cullen0,342

Daniel - DAU N1 (nacional)Sector Daniel / DAU N1 (Sector Planta Posesin)120

Posesin - Cabo Negro (nacional)Planta Posesin / Planta Cabo Negro6,3180

Marazzi - Cullen (nacional)Sector Marazzi / Planta Cullen0,0478

Calafate - Punta Daniel (nacional)Sector Calafate / Sector BRC / DA N1 / Playa Posesin (Sector BRP)2,854

Bandurria (Methanex PAN) (internacional)San Sebastin (Tierra del Fuego, Argentina) /Paso Bandurria (frontera)248

PasoBandurria/(frontera)/Planta Cullen (Tierra del Fuego)235

Cullen - Calafate (nacional)Planta Cullen / Sector Calafate3,225

Punta Daniel - Daniel Central(nacional)PuntaDaniel/SectorDaniel Central2,85

Dungeness DAU N2 (complemento) (Methanex SIP)(internacional)Dungeness(fronterachileno- argentina) / Daniel Este2,813

Daniel / DAU N2 (Planta Posesin)2,820

Condor-Posesin (Methanex YPF) (internacional)ElCondor/FronteraChilena- Argentina28

Frontera Chileno-Argentina / Planta Posesin21

Kimiri Aike - Cabo Negro (ampliacin Posesin - Cabo Negro)Kimiri Aike / Planta Cabo Negro2,9180

2.6.- Proyeccin de demanda de Gas Natural 2003-2012 [6]

Tabla 2.8: Consumo diario promedio nacional e importado (MMm3)

aoNacional Magallanes (XII)Importado Cuenca Austral (Arg)Importado Cuenca Neuqun (Arg)Importado Cuenca Noroeste (arg)Total

20035,694,767,134,6622,24

20045,744,908,086,0224,74

20056,056,469,626,4728,60

20066,086,4910,866,7630,19

20076,116,5212,556,9732,16

20086,146,5614,407,1434,24

20094,378,3614,978,9536,65

20104,418,3615,719,1037,58

20114,448,3616,509,1338,43

20124,478,3718,819,1340,79

PROYECCIN CONSUMO GN POR ORIGEN 2003-201216.000.00014.000.00012.000.00010.000.0008.000.0006.000.0004.000.0002.000.00002003Importado CuencaNoroeste (Arg)Importado Cuenca Neuqun (Arg)Importado Cuenca Austral (Arg)Nacional Magallanes (XII)20042005200620072008200920102011miles de m3Figura 2.4: Proyeccin consumo GN por origen 2003 - 2012

Tabla 2.9: Consumo sectorial diario medio (MMm3)

aoResidencialComercialIndustrialTermoelctrico

20031,160,263,207,36

20041,290,294,078,65

20051,430,324,719,59

20061,640,374,9110,71

20071,810,405,0612,31

20081,990,445,3113,92

20092,150,465,4615,98

20102,310,485,6316,56

20112,450,505,7617,11

20122,590,525,9019,15

aoPetroqumica (XIIa)Refineras y Procesos ENAPTransporteTOTAL

20038,361,830,0622,24

20048,531,830,0724,74

200510,362,110,0928,60

200610,362,110,1030,19

200710,362,110,1232,16

200810,362,110,1234,24

200910,362,110,1336,65

201010,362,110,1437,58

201110,362,110,1438,43

201210,362,110,1540,79

TransporteRefineras y Procesos ENAPPetroqumica (XIIa) Termoelctrico Industrial Comercial Residencial

PROYECCIN CONSUMO SECTORIAL DE GN 2003-201216.000.00014.000.00012.000.00010.000.0008.000.0006.000.0004.000.0002.000.0000(miles de m3)Figura 2.5: Proyeccin consumo sectorial de GN 2003 - 2012

Tabla 2.10: Consumo diario medio uso energtico y materia prima (MMm3)

aoUso EnergticoMateria PrimaTOTAL

200315,137,1122,24

200417,497,2524,74

200519,798,8128,60

200621,388,8130,19

200723,358,8132,16

200825,448,8134,24

200927,848,8136,65

201028,778,8137,58

201129,638,8138,43

201231,988,8140,79

PROYECCIN CONSUMO GN PARA USO ENERGTICO Y COMO MATERIA PRIMA2003-201216.000.00014.000.00012.000.00010.000.0008.000.000Materia PrimaUso Energtico6.000.0004.000.0002.000.0000200320042005200620072008200920102011miles de m3Figura 2.6: Proyeccin consumo para uso energtico y como materia prima 2003 - 2012

2.7.- Precios [1], [8], [9]

El alza mundial de los precios del petrleo, ha llevado a que el precio del gas natural tambin suba o est sujeto a reajustes. La correlacin entre los precios del gas y los precios del petrleo se explican, entre otras, por el hecho de que estos dos energticos se sustituyen entre s, especialmente en el sector elctrico, por ello es difcil hablar de una desconexin entre los precios de estos dos combustibles.

Asimismo, en general, los precios de gas, an se pueden considerar regionales debido a que no existe un mercado mundial unificado de gas, sino en cambio, un mercado segmentado en el cual los precios se establecen considerando tanto las caractersticas de la oferta y la demanda, as como la oportunidad del mercado local y regional. Sin embargo, la tendencia a que sea considerado un bien transable (comodity) esta por llegar ya que el transporte de Gas Natural Licuado (GNL) en el mundo, presenta actualmente un porcentaje de crecimiento del 7 %; y se espera se duplique en los prximos aos, con lo que la determinacin de precios

deber tomar en cuenta el desarrollo de esta tecnologa. Actualmente en el mundo, solo el 23% del comercio de gas natural se realiza a travs de GNL, el resto se lo hace por gasoductos.

En Amrica Latina, el total del comercio de gas se realiza por gasoductos, previendo para los prximos aos la instalacin de plantas regasificadoras tanto en Chile, Brasil, Per y Mxico. El desarrollo gasfero en el Cono Sur, podra igualmente replicarse en mercados que se formaran en la regin, aprovechando complementariedades por zonas geogrficas y, con ello, formando mercados subregionales de gas. Ejemplo: Mxico, Centro Amrica y Colombia que podran vincular tambin al Caribe y formaran un mercado subregional. Una segunda subregin entre Venezuela, Colombia, Ecuador y el norte de Per y la tercera la del Cono Sur con un desarrollo en infraestructura muy avanzado con pases como Bolivia, Chile, Argentina y Brasil, al que se sumara Per, entre algunos de los escenarios posibles.

En cuanto a la determinacin de precios del gas, la literatura econmica muestra que cuando existe un mercado competitivo, como en el caso de los EEUU e Inglaterra, el comercio del gas presenta un precio director (price maker) el cual es definido por los precios de corto plazo (los precios spot, de Henry Hub o de NBP, Nacional Balancing Point) o por las cotizaciones estandarizadas de los mercados de la bolsa Nymex (EEUU) o IPE (Inglaterra). Estos precios, reflejan la oferta y la demanda del mercado. Incluso en mercados desregulados como es el caso de los anteriores, existe una relacin entre el precio del gas y el del petrleo, debido a que el precio del gas es influenciado directamente va indexaciones con combustibles concurrentes.

2.7.1.- Evolucin histrica de los precios

La siguiente figura ilustra, en cierta medida, la evolucin y la volatilidad de los precios del gas natural en el transcurso de los ltimos aos.

Figura 2.7: Precios internacionales del gas natural (USD/milliones Btu), 1985-2004

Fuente: Secretariado de la UNCTAD segn los datos de BP Amoco, Statistical Review of World Energy 2005

El precio actual (ao 2006) de gas natural de Argentina a Chile est entre 4,5 y 4,8$US/MMBtu puesto en frontera.

Un tema muy relevante es el precio que el GNL tendr en Chile. Estimaciones iniciales planteaban que el precio debera rondar los US$ 4 por milln de Btu, siendo que en el mercado internacional (principalmente, el indicador Henry Hub) los precios han llegado fcilmente a US$ 14 por milln de Btu. Por esto, la CNE en su informe de precios de nudo para el SIC de abril de 2006 corrige esta estimacin inicial situando el precio promedio del GNL en US$ 8,54 por milln de Btu, segn los expertos del sector un precio mucho ms acorde a lo que realmente se dar cuando comience a operar la planta de Quintero.

2.8.- Posible abastecimiento de Gas Natural a Chile [10], [11], [12]

2.8.1.- Anillo energtico del MERCOSUR

Debido a la inestabilidad poltica y social generada en el pas boliviano, durante el ao 2005 se comenz a generar un proyecto que unira energticamente a Per con los pases del cono sur de la regin, tales como Argentina, Brasil, Uruguay y Chile. El proyecto, denominado Anillo Energtico del MERCOSUR, permite el trmino de la dependencia, por parte de estos pases, del gas natural proveniente del pas boliviano.

Figura 2.8: Anillo energtico del MERCOSUR


2.8.2.- Gasoducto Sur

Durante estos ltimos aos se han dado a conocer diversos proyectos de gasoductos en la regin Latinoamericana, con el fin de generar un intercambio de gas natural entre pases exportadores e importadores de este preciado combustible. Pero sin duda, el proyecto que ms ha dado que hablar es el proyecto denominado Gasoducto del Sur, que unira a Venezuela, uno de los pases con mayores reservas probadas de gas con los pases de Brasil y Argentina principalmente. Esto permitira abastecer tambin a pases como Uruguay, Paraguay y Chile, lo que generara a fin de cuentas una interconexin energtica en el lado atlntico de Latinoamrica.

Figura 2.9: Gasoducto del Sur


2.8.3.- Gas Natural Licuado

El Proyecto de Gas Natural Licuado (GNL) que impulsa ENAP en conjunto con otras importantes compaas consumidoras de este producto en Chile consiste en construir la infraestructura bsica para permitir la importacin de GNL desde mercados de ultramar, y distribuirlo en Chile como gas natural en estado gaseoso.

De esta forma, basados en la cadena de valor del GNL, este proyecto considera la instalacin de una terminal martima para recibir el GNL que transportan buques-tanque, y una planta para regasificarlo (Terminal de Regasificacin) y posteriormente distribuirlo a travs de gasoductos ubicados en la Zona Central.

El Gas Natural Licuado llegar a Chile por va martima a una Terminal de Regasificacin que se instalar en la baha de Quintero (Quinta Regin), a partir de la cual se almacenar y regasificar para luego ser entregado a los consumidores en las regiones de la Zona Central del pas, suministrando gran parte de la energa que requiere Chile y que hoy importa desde Argentina. Esto adems permitir contar con una nueva fuente de abastecimiento de gas natural que se sumar a las actualmente existentes.

El proyecto podra estar concluido el ao 2009. Sin perjuicio del plazo establecido para la entrada en operacin del proyecto completo, se analizarn opciones para adelantar el suministro de GNL para el ao 2008.

2.8.4.- Proyecto Lago Mercedes

La informacin geolgica en poder de ENAP muestra que es posible encontrar nuevas reservas de gas natural en el rea de Lago Mercedes, ubicada a 116 kilmetros al sureste de Porvenir, en el sector oriental de la isla de Tierra del Fuego, y tambin en el rea continental de Magallanes, especficamente en los bloques Dorado-Puerto Sara, Punta del Cerro y Riquelme-Manzano

2.8.5.- Hidratos de Metano

Los hidratos de gas, son un tipo de formacin natural que contiene grandes cantidades de gas natural (principalmente metano) y agua en forma de hielo. Se encuentran bajo la capa de suelo congelado permanente ("permafrost") del rtico, y en sedimentos marinos de los mrgenes continentales de todo el mundo, incluido el margen continental de Chile. Los hidratos de metano representan un enorme recurso potencial de gas natural. Se estima que las reservas mundiales de este recurso son del orden de 1015-1016m3, lo que equivale a varias veces las reservas de las fuentes convencionales de gas y petrleo. Los actuales conocimientos acerca de este tema han determinado que la produccin de metano a partir de hidratos es tcnicamente posible y econmicamente viable.

La amplia distribucin geogrfica de los depsitos de hidratos de gas costa afuera puede proveer gas natural a aquellos pases pobres en reservas de petrleo y gas. En Chile, estudios geofsicos (ssmica marina) han revelado la existencia de hidratos bajo el talud continental en diversos puntos del margen chileno.

El problema clave es la extraccin, considerando que hasta ahora nadie lo hace comercialmente. Pases como Rusia, Japn y Estados Unidos han realizado experiencias piloto, pero slo para probar tecnologas.

2.9.- Referencias

[1]Gas Natural. United Nations Conference on Trade and Development. http://r0.uncad.org/infocomm/espagnol/gas/descripc.htm

[2]Gas Natural. INNERGY http://www.innergy.cl/formation.htm

[3]Caractersticas Fsico Qumicas del Gas Natural. Asociacin de Distribuidores de Gas Natural.http://www.agnchile.cl/general/general2.html

[4]Gas Natural: Descripcin y Caractersticas Tcnicas. Fundacin Espaola para la Ciencia y la Tecnologa. http://www.fecyt.es/especiales/gas_natural/descripcion.htm

[5]Statistical Review of World Energy. BP Amoco http://www.bp.com

[6]Comisin Nacional de Energa http://www.cne.cl

[7]Avendao, Von Bernath. 2002. Mercado del Gas en Latino Amrica. Pontificia Universidad Catlica de Chile

[8]Garrn, Cisneros. Precio del Gas Natural en Latino Amrica. http://www.snmpe.org.pe/revista/edicion42feb2007/pdf/panorama.pdf

[9]Cerda, Verdugo. 2006. Alternativas al Suministro de GNL para Chile. Pontificia Universidad Catlica de Chile.

[10]Anillos Energticos Latinoamericanos Mito o realidad?. Pontificia Universidad Catlica de Chile. http://www2.ing.puc.cl/power/alumno06/ring/Anillosenergeticoslatinoamericanos.htm

[11]Mercado de GNL en Chile. Pontificia Universidad Catlica de Chile. http://www2.ing.puc.cl/power/alumno06/GNLdispatch/index.htm

[12]Hidratos de Gas submarinos. Pontificia Universidad Catlica de Valparaso. http://www.hidrates.ucv.cl/page6.html

Captulo 3

ESTUDIO DE MERCADO

Captulo 3: Estudio de Mercado

3.- Estudio de Mercado

3.1.- Produccin Mundial de Amoniaco [1], [2]

El nitrgeno se utiliza virtualmente en cada pas en el mundo y consecuentemente muchos pases tienen plantas productoras de amonaco. En el 2003, un poco ms de 146 millones de toneladas cortas de amoniaco fueron producidas en 75 pases, representando todos los continentes exceptuando la Antrtica. La produccin total mundial casi es doblada en los ltimos 25 aos. Los mayores productores de amoniaco en orden descendente son:

Tabla 3.1: Mayores Productores de Amoniaco.

PasProduccin (Ton corta)% de capacidad utilizada

China40487100

India1301585

Rusia1220079

EEUU1175774

Juntos estos pases representan cerca del 50% de la capacidad de produccin mundial de amoniaco, y 55% de la produccin actual. Asia es el mayor productor de amoniaco seguido por Norte Amrica y Europa.

La figura 3.1 proporciona una interesante informacin sobre que ha pasado con la industria mundial del amoniaco en los ltimos 25 aos. La rentabilidad de la produccin de amoniaco es gobernada principalmente por los precios del gas natural, los cuales representan alrededor del 90% de los costos de produccin de amoniaco totales.

La figura 3.2 muestra un mapa de precios del gas natural en el 2007 en dlares de los EEUU por MMBtu.

Figura 3.1: Produccin mundial de amoniaco (Data outsourced from USGS).

Figura 3.2: Mapa de Precios del Gas Natural.

Asia es el mayor productor de amoniaco. China, India, Indonesia, Pakistn, Bangladesh y Malasia produjeron: 40,5; 13,5; 5,6; 3,2; 1,2; y 1,9 millones de toneladas cortas, respectivamente en el 2003, lo cual constituye el 45% de la produccin mundial. Su produccin se ha incrementado constantemente desde 1980. Pases como Uzbekistn, Kazajstn, Turkmenistn y Azerbaijn, se esperan reforzar el suministro de amoniaco en el futuro debido a sus grandes reservas de gas natural y sus transformaciones polticas y econmicas. Una de las razones de por qu Asia es el mayor productor de amoniaco es el tamao de su poblacin, y la necesidad de alimento.

En Norte y Sudamrica, la produccin es cambiante. EEUU es el cuarto productor de amoniaco en el mundo, pero su produccin ha ido decreciendo a un ndice de 9% anual desde 1998 cuando su peak de produccin fue de 18,5 millones de toneladas cortas. Mxico tambin ha ido decreciendo drsticamente su produccin de amoniaco desde un promedio de 1,8 millones en los 90, a solo 0,44 millones en el 2003. Trinidad y Tobago con 4,8 millones de toneladas cortas y un crecimiento anual de 9% emerge como gran productor. Argentina continua con cerca de 1 milln de toneladas cortas y sobre un 5,3% de crecimiento anual en los ltimos 5 aos. Canad y Brasil, con 6,1 millones de toneladas cortas anualmente, han mantenido sus producciones en un nivel estable en los ltimos aos.

La produccin de amoniaco en Europa occidental ha disminuido enormemente en los ltimos 10-15 aos con la excepcin de Blgica y Alemania. Europa central y oriental, incluyendo pases de la ex Unin Sovitica, muestran resultados mixtos. Polonia, particularmente en el 2003, produjo mas debido a la exitosa reestructuracin de la industria qumica destacando mejoras en la eficiencia. Ucrania desde su independencia en 1991 ha estado produciendo alrededor de 4,5 millones de toneladas cortas de amoniaco anualmente. Este incremento se debe al gas natural barato. Vecino a Ucrania, Rusia ha sido tambin uno de los grandes productores debido al bajo precio del gas natural pero tambin por mejoras en la industria. Su produccin se increment un 40% desde 1998. Pases como Hungra, Rumania o Bulgaria han disminuido su produccin a menos de 50% desde mediados de los aos 80 debido al no competitivo status de la industria qumica despus de la cada del comunismo, y su fracaso hacia la transicin. Finalmente, estados como Lituania, Republica Checa e Irlanda han mantenido su baja produccin estable.

Vecino a Europa del sur, frica, es un enigma. Aunque el precio del gas natural en frica resulta ser mas bajo comparado a cualquier otra parte del mundo, la produccin de amoniaco es relativamente pequea. Egipto produce la mayor cantidad de amoniaco en frica (2,4 millones de toneladas cortas en el 2003), y su industria ha experimentado el mayor crecimiento en los ltimos 10 aos. Libia y Argelia continan con una produccin total que no llegan a las 800.000 toneladas cortas cada uno en el 2003. Nigeria, un gran productor de petrleo con reservas de gas natural igual al 35% de las reservas del continente no produce amoniaco. Sudfrica, el pas mas industrializado del continente, tambin ha reducido su produccin. Los bajos niveles de produccin son causados principalmente por carecer de infraestructura, know-how y su inestabilidad poltica. Tambin, el costo del gas natural en Sudfrica es alto debido a no tener reservas, y frica no tiene gasoductos internacionales que podran transportar el gas natural barato al sur.

La meca de la energa de nuestro tiempo, el oriente medio, donde el precio del gas natural es muy bajo, produce poco amoniaco. Arabia Saudita, Irn, y Qatar son los principales productores con una produccin igual a 5,4 millones de toneladas cortas (menos que el 4% del mercado mundial) con una produccin de 43%, 30% y 27% respectivamente, y con un crecimiento anual en los ltimos 10 aos de 5%, 7% y 4% respectivamente.

La tabla 3.2 muestra estadsticas de produccin anual de amoniaco por pas:

Tabla 3.2: Produccin de Amoniaco por pas (miles de Ton).

PasAo

20012002200320042005

Afghanistane2020202020

Albaniae1010101010

Algeria469563578543550

Argentina597617724701580

Australia762686787790790

Austriae440440440440440

Bahrain372377312311312

Bangladesh31.2731.2891.3891.3801.380

Belarus725799726765800

Belgium788842874857860

Bosnia and Herzegovinae11111

Brazil7691.0219391.0771.070

Bulgaria477328321389390

Burma2821633535

Canada3.4393.7003.6624.1074.000


China28.20030.20031.50034.80037.800

Colombia9511110898100

Croatia259235264332330

Cubae135135135135135

Czech Republic206215235233233

Denmarke22222

Egypt1.8011.8391.7901.6751.640

Estonia1513981166170

Finlande8087776163

France1.3801.1721.1531.1201.150

Georgia6090125130130

Germany2.5222.6232.8032.7412.700

Greece5766123132130

Hungary324238232304300

Iceland3--------

India510.0819.82710.04810.71810.800

Indonesia3.6554.2004.2504.1204.400

Iran1.0871.1191.1151.0881.020

Iraqe280532--3030

Irelande443400------

Italy434391475532500

Japan1.3181.1921.0611.1011.083

Korea, Northe100100100100100

Korea, Republic of385153119163150

Kuwait400414444413440

Libya495533577577580

Lithuania444468462424430

Malaysia726848910843920

Mexico548437440568440

Netherlands1.9892.0531.7501.9701.700

New Zealand117109128124120

Norway323330354420450

Oman--------706

Pakistan2.2282.2142.3572.1142.110

Perue55555

Poland1.7351.3111.9061.9762.000

Portugal202190245244245

Qatar1.1591.1661.1851.4281.700

Romania9499301.1801.1721.200

Russia8.6908.6009.1009.80010.000

Saudi Arabia1.7741.7371.7431.7261.780

Serbia and Montenegro6611562136135

Slovakia215226230268270

South Africa506492493459460

Spain436415432404460

Switzerland3133293232

Syria138143161115120

Taiwan1211111111

Tajikistane515202020


Trinidad and Tobago3.0363.2963.5293.8754.200

Turkey67301289329330

Turkmenistane7585858585

Ukraine3.7003.7003.9003.9004.300

United Arab Emirates358364421380360

United Kingdom8508371.0441.0711.080

United States69.12010.3008.4508.9908.040

Uzbekistan670740815840850

Venezuela8086667321.012900

Vietnam535880216220

Zimbabwee5861554830

Total105.216108.883110.266117.202121.933

Desde una perspectiva histrica, la tendencia general parece ser la relocalizacin de la produccin hacia pases donde el precio del gas natural es menor como en Asia, Europa del este, Medio Oriente, y Latino Amrica. Esta transferencia viene a costa de Norte Amrica y Europa del oeste.

La tabla 3.3 acompaada por la figura 3.3 muestra el porcentaje de capacidad de produccin de amoniaco por regin del mundo para 1999 y 2002 y un pronstico para el 2008.

Tabla 3.3: Porcentaje de capacidad de produccin por regin.

Figura 3.3: Porcentaje de capacidad de produccin por regin 2008

China se considera aparte debido a su importancia en la industria del nitrgeno del mundo, es el pas que ha visto los cambios ms grandes. Los aumentos ms significativos en la capacidad de produccin durante el perodo de 10 aos (1992-2002) estaban en Asia. China aument su parte al total del mundo a 23% desde 17%. En el resto de Asia, el porcentaje total de capacidad mundial se ha incrementado desde 15 a 19% durante el mismo periodo. Una importante contribucin al incremento fue desde India e Indonesia. La capacidad de produccin de amoniaco europea cay durante este periodo de 19 a 14% del total mundial. La capacidad de produccin de amoniaco en los EEUU ha aumentado a 18400 toneladas cortas en el 2002 desde 16700 toneladas cortas en 1970, aunque ha fluctuado durante este periodo.

En el 2003, Asia fue el mayor consumidor de amoniaco, siendo autosuficiente. Norte Amrica fue el segundo mayor consumidor, usando mas de lo que produce contando con importaciones. La distribucin del suministro de gas natural y los desafos de envo hacen que el amoniaco todava sea un producto domstico o regional, con solo un 13% de la produccin mundial comercializada entre pases.

3.2.- Precio del amoniaco [3]

El costo del gas natural corresponde aproximadamente a un 90% del costo de produccin de amoniaco, por lo tanto, los precios del amoniaco responden a los cambios de precio del gas natural.

La tabla 3.4 hace una comparacin de precios de amoniaco de diferentes pases exportadores.

Tabla 3.4: Precio promedio de amoniaco por tonelada en USD

Promedio de Precio Unitario CIF (USD/Ton)AO

PAIS DE ORIGEN2003200420052006

ARGENTINA301331377359

BRASIL249289294-

INDONESIA240319--

MXICO-338-385

TRINIDAD Y TOBAGO-292406-

USA432212326381

VENEZUELA246335330374

PROMEDIO294302357375

3.3.- Produccin en Chile de Amoniaco [3]

Chile no es productor de amonaco, el 100% de su requerimiento es importado desde Argentina y Venezuela principalmente.

Tabla 3.5.- Importaciones de NH3, en Toneladas. (Ao 2006 hasta Noviembre)

Ao

PAIS DE ORIGEN2003200420052006

ARGENTINA79.48653.67847.48731.160

VENEZUELA47.51126.41067.803119.011

U.S.A.014.65032.15516.621

BRASIL3.99043.58410.4990

TRINID.Y TOBAGO021.29717.0500

INDONESIA29.3083.62100

MEXICO011.076017.001

Total general160.295174.316174.994183.793

1200001000008000060000argentinavenezuela400002000002003200420052006

Figura 3.4: Principales proveedores de Amoniaco

En la figura 3.4, se observa que en los ltimos tres aos se ha visto un reemplazo de proveedor principal de amonaco a Chile, traspasando las operaciones de Argentina a Venezuela, esta medida es debido principalmente a una estrategia de no dependencia de Argentina.

3.4.- Usuarios de Amoniaco en Chile [3]

El 100% del amonaco importado a Chile, es realizado por ENAEX, este es usado para producir Nitrato de Amonio, el cual es utilizado en un 90%, para producir anfo, para la industria minera, un 9,8 para Nitrato de amonio como fertilizante y un 0,2% es reexportado a Per (Fabrica de explosivos municiones del Per).

Tabla 3.6.- Importaciones de Chile NH3, toneladas datos 2006 hasta Noviembre.

AO

Importador2003200420052006

ENAEX S.A.160.291174.316174.977183.792

MOLIBDENOS Y METALES S.A.00180

SULFOQUIM S.A.4000

THERMO ELECTRON (CHILE) S.A.0000

Total general160.295174.316174.995183.792

3.5.- Capacidad de la Planta

La capacidad de la planta se basa en los antecedentes de crecimiento de la minera en Chile que esta directamente relacionada con el uso de explosivos, el supuesto es un crecimiento de un 5% anual en el consumo de amoniaco y se proyecta a 10 aos plazo, esto se describe en la figura 3.5. Se considera que la planta al segundo ao de funcionamiento estar en su capacidad de produccin mxima, es decir 300.000 ton/ao, para esto el tamao de la planta debe ser de unas 1000 ton/da. Los primeros seis aos de produccin abastecern por completo el consumo de amoniaco nacional, existiendo un excedente que puede ser exportado. Los aos restantes de produccin de la planta sern para abastecer

exclusivamente el consumo nacional ya que este no lograr suplir el total requerido. Este criterio de diseo de la planta, se basa en que el nico consumidor de NH3 es ENAEX. La ingeniera, construccin y puesta en marcha de la planta requiere de un tiempo aproximado de tres a cuatro aos, por lo que se estima que debera satisfacer una demanda inicial al ao 2011 de 235000 ton/ao aproximadamente.

Ton/ao3800003600003400003200003000002800002600002400002200002000001800001600001400001200001000008000060000400002000002003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020Figura 3.5: Proyeccin de consumo amonaco en Chile

3.6.- Ubicacin de la Planta

Se plantean 4 posibilidades de ubicacin de la Planta de amonaco: Camisea en Per, en Bolivia, Mejillones o Magallanes en Chile.

La ubicacin ms ventajosa es en Mejillones, ya sea cercana o como parte de ENAEX, debido a los antecedentes antes expuestos as como para aprovechar la economa de escala.

3.7.- Referencias

[1]Abram, A. and Foster, D.L.. 2005. A Primer on Ammonia, Nitrogen Fertilizers, and Natural Gas Markets. Department of AED Economics, The Ohio State University. http://www.aede.osu.edu/resources/docs/pdf/kp90ms9c-3h54-c92j- 73lb0htnncbaf66g.pdf

[2]2005 Minerals Yearbook. 2006. Nitrogen. U.S. Department of the Interior. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/nitrogen/nitromyb05.pdf

[3] Cabrera, Cid, Fredes, Gallardo, Rios, Sanches. 2007. Estudio de Prefactibilidad Tcnico y Econmica de una Planta de Amoniaco. Pontificia Universidad Catlica de Valparaso.

Captulo 4

ANALISIS DE TECNOLOGIAS

Captulo 4: Anlisis de Tecnologas

4.- Anlisis de Tecnologas.

4.1.- Tecnologas de Produccin de Gas de Sntesis [1], [2], [3], [4], [5], [6]

Si un hidrocarburo es la materia prima utilizada para obtener hidrgeno, entonces simultneamente se producen el monxido de carbono (CO) y dixido de carbono (CO2). A la mezcla CO/H2 (junto con ciertas proporciones de CO2) se le conoce como Gas de Sntesis. En principio, el gas de sntesis puede ser producido desde cualquier hidrocarburo. Estos incluyen: gas natural, nafta, aceite residual, coque de petrleo, carbn, y biomasa. La ruta de menor costo para la produccin de gas de sntesis est basada en gas natural. Considerado como la base de la qumica orgnica, el gas de sntesis es lo que se obtiene en primera instancia en el proceso de produccin de H2 a partir de hidrocarburos por lo que se necesitan etapas posteriores de purificacin para separar el H2 de los xidos de carbono.

Las tecnologas son bsicamente dos: reformado con vapor y oxidacin parcial (mtodo al que, dependiendo de la materia prima utilizada, se lo conoce tambin como gasificacin).

La composicin del gas de sntesis, precisamente la razn H2/CO, varia en funcin de la tecnologa de produccin y de la alimentacin.

Otra tecnologa para la produccin de hidrgeno es la electrlisis del agua. Aunque el elevado consumo elctrico hace que esta alternativa no sea muy atractiva para la mayora de los usuarios industriales, algunas ventajas de este proceso lo convierten en un buen candidato para su utilizacin en regiones aisladas donde el suministro elctrico se encuentre disponible a bajos precios.

Las principales tecnologas de produccin de gas de sntesis incluyendo la electrlisis del agua se mencionan a continuacin:


4.1.1.- Reformacin con Vapor

La Reformacin con Vapor (SR) se refiere a la conversin cataltica, endotrmica de hidrocarburos livianos, como por ejemplo metano, etano, gas de petrleo licuado, nafta ligera, con vapor de agua.

El proceso de Reformacin con Vapor puede ser descrito por dos reacciones principales:

51PLANTA DE AMONIACOC HnH

O n m H nCO

H 0

(4.1)

nm2

2 2

CO H 2O H 2 CO2

H

KJ

41 mol

(4.2)

La primera reaccin es la de Reformacin, mientras que la segunda es la reaccin de conversin de monxido de carbono. Debido a que la reaccin global es endotrmica, es requerido suministro de calor. Esto es conseguido por la combustin de gas natural u otro combustible en un horno de quemado directo. La reaccin (4.1) es favorecida por altas temperaturas y baja presin, y procede usualmente en presencia de un catalizador basado en nquel. El proceso es llevado a cabo a temperaturas de alrededor de 800C y presiones por sobre las 30 atm.

En un horno de quemado directo una mezcla precalentada de hidrocarburo y vapor es pasada a travs de tubos rellenos de catalizador calentados externamente, donde es convertida a hidrgeno, monxido de carbono y dixido de carbono, figura (4.1). Es de gran importancia controlar la temperatura mxima de los tubos y el flujo de calor en el reformador para mantener el funcionamiento seguro y prolongado. Para obtener sto, diferentes arreglos de quemadores son empleados: quemadores en la parte superior, quemadores en la parte inferior y quemadores en la parte lateral.

El gas de sntesis producido sale del reformador a temperaturas entre 800900C. El calor de los gases es generalmente utilizado en la parte convectiva del reformador para generar vapor y precalentar la alimentacin. Solo una porcin del vapor generado en las calderas es

requerida para el proceso de reformacin, mientras que la mayor parte del vapor (alrededor del 60%) es consumido en otra parte.

Para evitar el envenenamiento del catalizador es requerida una etapa de desulfuracin de la alimentacin antes de entrar al reformador.

Figura 4.1: Reformacin de metano con vapor (SMR).

Los parmetros tpicos de operacin para el proceso de Reformacin de metano con vapor son:

Presin:20 26 barTemperatura:850 900CRazn H2/CO:2,9 6,5

La conversin completa no puede ser obtenida en el proceso de reformado de metano con vapor, tpicamente el 65% del metano es convertido. Para obtener una mejor conversin se debe usar un reformador secundario.

En vista a la alta razn H2/CO, la Reformacin con vapor es el medio mas efectivo para la produccin de hidrgeno. El monxido de carbono luego es oxidado a dixido de carbono en la reaccin (4.2), obteniendo cada vez ms hidrgeno.

4.1.2.- Oxidacin Parcial

La oxidacin parcial (POX) combina el hidrocarburo y el oxgeno para producir H2 y CO cuando la razn O2/hidrocarburo es menor a la requerida para la combustin completa.

La reaccin principal, reaccin (4.3), consiste en la combustin incompleta en presencia de vapor de agua, de cualquier sustancia que contenga carbono orgnico. El vapor de agua tambin reacciona con la alimentacin, reaccin de reformado (4.4), y acta como moderador de la combustin parcial, de forma que controlando su dosificacin, se estabiliza la temperatura del reactor.

nm

Cn Hm O2 nCO H 222

(4.3)

m

Cn Hm nH 2O nCO n H 22

(4.4)

Debido a que la reaccin global es exotrmica, no requiere de combustible extra. El proceso de oxidacin parcial es usado para la gasificacin de alimentacin pesada como residuos de petrleo y carbn. El proceso es muy flexible y puede operar en un amplio rango de hidrocarburos, desde el gas natural hasta el asfalto ms pesado incluyendo residuos de materiales como plsticos.

El hidrocarburo, el oxgeno y el vapor son introducidos a un tanque refractario a elevada presin, sobre los 80 bar, figura (4.2). La reaccin de oxidacin ocurre inmediatamente en la zona de combustin bajo el quemador. Para evitar el asentamiento de carbono, los reactantes deben estar completamente mezclados y la temperatura de reaccin no debiera ser menor que 1200C.

Figura 4.2: Reactor de Oxidacin Parcial.

En la prctica, el gas de sntesis desde el proceso de Oxidacin Parcial tiene una razn H2/CO entre 1,6 y 1,8. Casi el 100% de conversin es obtenida en la reaccin de oxidacin parcial, y es por esta razn que es usada en la reformacin combinada para completar la conversin de metano que viene del reformador de metano con vapor.

La necesidad de oxgeno resulta en un alto costo de operacin. El costo de oxgeno puede constituir un 50% del costo operacional de la produccin de gas de sntesis en una planta de Oxidacin Parcial.

4.1.3.- Reformacin Autotrmica

La Reformacin autotrmica (ATR) es una combinacin de Reformacin con Vapor y Oxidacin Parcial. Ambas reacciones toman lugar dentro de un reactor autotrmico. El proceso involucra vapor, oxgeno y el hidrocarburo para producir gas de sntesis. La reaccin de oxidacin parcial, la cual es exotrmica, proporciona el calor necesario para la reaccin de reformacin que es endotrmica. El proceso es usado para la produccin de metanol y amoniaco. Hidrocarburos livianos y pesados pueden ser convertidos. En el ltimo caso un pre-reformador adiabtico debe ser usado.

Una mezcla precalentada del hidrocarburo (generalmente gas natural), vapor y oxgeno es alimentada en el tope del reactor. En la zona superior, procede la oxidacin parcial a temperaturas del orden de los 1200C. Despus de eso, la mezcla es pasada a travs de un lecho catalizado, donde la reformacin final toma lugar figura (4.3). La temperatura de salida del lecho catalizado est entre 850 y 1050C.

Figura 4.3: Reformacin Autotrmica.

Las principales ventajas del ATR son la favorable razn H2/CO (1,6 a 2,6), reduccin de emisiones debido al suministro de calor interno, una alta conversin de metano, y la posibilidad de ajustar la composicin del gas de sntesis cambiando la temperatura de la reaccin. Sin embargo, requiere de una fuente de oxgeno.

4.1.4.- Reformacin Combinada

Debido a que menos del 100% del metano es convertido en la reaccin de reformacin con vapor, un reformador secundario a continuacin de la unidad de reformacin con vapor puede ser instalada para proporcionar la conversin completa del metano y tambin tener la posibilidad de ajustar la razn H2/CO. Adems, el tamao de la planta de reformacin con vapor puede ser reducido trasladando parte de la carga al segundo reformador que puede

ser un reformador de oxidacin parcial o autotrmico. Mediante la utilizacin de aire en vez de oxgeno para la segunda fase de reformacin, se introduce en el sistema el nitrgeno necesario para la sntesis de amoniaco y se evita una planta de oxgeno.

La figura (4.4) muestra el esquema del proceso, el que consiste en un reformador primario SR y un reformador secundario ATR.

Figura 4.4: Reformacin Combinada.

Un pre-reformador es instalado frecuentemente antes del primer reformador, figura (4.5). El pre-reformador ampla el rango de hidrocarburos para la reformacin. ste tambin toma algo de carga desde el reformador primario, tal que pueda operar bajo condiciones menos severas. Esto, a su vez, permite materiales menos costosos y de menos superficies de transferencia de calor, lo que resulta en costos reducidos de equipamiento. Sin embargo, la necesidad de una planta de oxgeno puede mitigar estas ventajas si es que se quiere transferir mas carga al segundo reformador de la que se puede realizar con el aire que aporta el nitrgeno estequiomtrico para la sntesis de amoniaco.

Figura 4.5: Reformacin Combinada con Pre-reformador.

Temperaturas de salida de sobre los 1050C son comunes. En este proceso se pueden obtener conversiones de metano sobre 99%.

4.1.5.- Reformacin con intercambio de calor

Solo la mitad del calor generado por el combustible quemado en un horno SMR es usado para la reaccin de reformacin, mientras que el resto tiene que ser recuperado en un complicado recuperador de calor para generar vapor. La cantidad de carga transferida al lecho del catalizador puede ser aumentada sobre un 80% si es usado un reformador intercambiador de calor. Los siguientes dos tipos de reformadores (KRES y GHR) emplean este principio para mejorar el funcionamiento y reducir las emisiones.

4.1.5.1.- Kelloggs Reforming Exchanger System (KRES)

En este esquema, el flujo de alimentacin es dividido entre el reformador de tubos y el reformador secundario. La razn de flujo es de 75/25 al reformador secundario y primario respectivamente. Una mezcla de metano y vapor entra al reformador en el tope, pasa a

travs de los tubos rellenos de catalizador y sale por el fondo, donde se mezcla con el flujo de salida del ATR figura (4.6). Despus de mezclado, esta corriente sirve como medio de calentamiento para el reformador principal cuando pasa por la carcasa del reformador hacia el tope.

Figura 4.6: Kellogg Reforming Exchanger System.

Las principales ventajas del KRES comparada a la reformacin con vapor convencional son: menor costo de capital, mejora en la eficiencia energtica, reduccin de las emisiones de NOx y CO2, fcil mantencin, y menos espacio utilizado. Existen algunas dificultades de diseo mecnico como la expansin trmica y problemas en los tubos. Tambin esta opcin, debido a su configuracin en paralelo, tiene un mayor ndice de metano no convertido que el arreglo en serie de la opcin GHR, a saber 2,3% vs 0,7%.

4.1.5.2.- Gas Heated Reforming (GHR)

En similar manera al KRES, el concepto de reformacin calentada con gas, es un proceso sin combustin donde el calor para la reaccin endotrmica es suministrado por el enfriamiento del gas reformado desde el segundo reformador.

En contraste al KRES, la alimentacin en el reformador calentado con gas no es dividida entre los reformadores, es pasada primero al reformador primario donde alrededor del 25% de la reformacin tiene lugar. El gas parcialmente reformado es luego pasado al reformador secundario ATR figura (4.7). El gas de salida de este ltimo es usado para calentar la alimentacin en el reformador primario. Para la puesta en marcha, es empleado un horno auxiliar.

Figura 4.7: Gas Heated Reforming.

El volumen de un GHR es generalmente 15 veces ms pequeo que el volumen de un horno reformador para la misma salida.

4.1.6.- Gasificacin del Carbn

La gasificacin del carbn para producir gas de sntesis puede ser considerada desde el punto de vista qumico como la oxidacin parcial del carbn o como la reduccin del agua con carbn. Sin embargo el proceso total es mucho ms complejo y solo describible usando numerosas reacciones paralelas y secundarias. La combustin parcial exotrmica del carbn y la formacin de gas de agua endotrmica representan las reacciones de gasificacin.

66PLANTA DE AMONIACO Combustin parcial:

C O2 2CO

Reaccin de gas de agua heterognea::

C H 2 O H 2 CO

H 60 Kcal mol

H 28 Kcal mol

(4.5)

(4.6)

Otras reacciones importantes que toman lugar son:

Boudouard Reaction:

C O2 2CO

H 41,4 Kcal mol

(4.7)

Homogeneous water gas reaction (water gas shift)

Kcal

CO H 2 O H 2 CO2

Hydrogenative gasification:

H 10 mol

Kcal

(4.8)

C 2H 2 CH 4

H

mol

(4.9)

21

Metanizacin:

CO 3H 2 H 2O CH 4

H 49 Kcal mol

(4.10)

Los tipos de Sistemas de gasificacin se clasifican de acuerdo con el tipo de lecho gasificador: lecho fijo, lecho fluidizado y lecho de arrastre. Los ejemplos de estos sistemas son el proceso Lurgi (de lecho fijo), el proceso Winkler (de lecho fluidizado) y el proceso Koppers-Totzek (de flujo de arrastre).

El proceso Lurgi tiene un sistema de lecho mvil presurizado (hasta 2800 Kpa) que no puede usar carbn fuertemente aglutinantes ni que operen con aire o con oxgeno. El carbn clasificado se alimenta por la parte superior del gasificador y, ya se trate de vapor u oxgeno, se inyecta en el fondo. La temperatura de gasificacin es mas baja que la que se tiene con otros tipos de lechos.

Tan pronto como el carbn baja y se calienta, la desvolatizacin comienza y, desde una temperatura de 620 a 760C y hacia arriba, la desvolatilizacin se acompaa por la gasificacin del carbn resultante. El gas crudo que sale se pasa a travs de un lavador y luego se enfra a una temperatura a la cual el gas se satura con vapor. El gas que sale del gasificador es, sobre todo, CO2, CO, CH4, H2 y H2O.

El gasificador Winkler, de lecho fluidizado, cuenta con la ventaja de tener una distribucin uniforme de temperatura y un excelente contacto slido-gas. El carbn triturado o fino se alimenta por la parte superior y, oxgeno y vapor por el fondo. Se puede manejar una gran variedad de carbn sin prdidas significativas de eficiencia. Las temperaturas de operacin (800 a 1000C) son ms altas que las del lecho de arrastre. Los gases de salida tienen un alto contenido de polvo y deben ser tratados para eliminarlos.

El gasificador Koppers-Totzek, de lecho de arrastre, tiene la ms alta capacidad por unidad de volumen, de los tres procesos. El carbn pulverizado, el oxgeno y el vapor se alimentan juntos y el carbn se gasifica en suspensin. Tiene la propiedad de utilizar todo tipo de carbn y produce un gas libre de alquitranes y fenoles. Sin embargo, requiere de altas temperaturas (1900C) y grandes cantidades de oxgeno. Las tazas globales de produccin de gas son mas altas que en el lecho fijo o de arrastre.

Tabla 4.1: Composicin de gases de productos tpicos (base seca) (%mol)

LurgiKopper-TotzekWinkler

H238,036,741,8

CO20,255,833,3

CO228,66,220,5

CH411,40,03,0

C2H61,00,00,0

H2S o COS0,50,30,4

N20,91,01,0

4.1.7.- Electrlisis

La produccin de hidrgeno y oxgeno por electrlisis del agua ha sido llevada a cabo a escala industrial desde comienzos del siglo XIX. El hidrgeno electrolticamente producido puede ser usado directamente para la produccin de amoniaco.

2La electrlisis usa electricidad para disociar el agua en hidrgeno y oxgeno. Un potencial elctrico es aplicado a travs de una celda con dos electrodos inertes contenidos en un medio conductor, generalmente una solucin electroltica alcalina, como por ejemplo una solucin acuosa de hidrxido de potasio (KOH). Los electrones son absorbidos y liberados en los electrodos formando hidrgeno en el ctodo y oxgeno en el nodo. Bajo condiciones alcalinas, este proceso puede ser descrito por las siguientes ecuaciones:

Ctodo:

2H 2

O 2eH 2OH

(4.11)

nodo:

2OH 1 O22 H 2

O 2e

(4.12)

H 2 O H 2 1 O22

(4.13)

Como materia prima se necesita agua completamente libre de sales, la cual se obtiene en intercambiadores inicos y en filtros de lecho combinado. El efecto neto es producir H2 y O2 suministrando solo agua y electricidad.

Las celdas se construyen de acero al carbono, estando refrigeradas por agua que disipa el calor generado. Los electrodos estn situados en dos reglones separados por un diafragma fabricado en material cermico, el material del nodo es nquel, mientras que el ctodo suele ser de acero inoxidable.

En las celdas bipolares se conectan dos de ellas en serie a travs de un separador de nquel, el cual hace en una celda de nodo y en la contigua de ctodo con lo que se consigue una importante reduccin de volumen del aparato.

En este proceso, el hidrgeno desde la planta de electrlisis y el nitrgeno desde la planta de separacin de aire pasan a estanques de almacenamiento separados. La electrlisis del agua proporciona una alimentacin de gas extremadamente pura, conteniendo una pequea cantidad de oxgeno (0,1 a 0,2%), comparado al gas de sntesis generado a partir de hidrocarburos. El oxgeno acta como un veneno para el catalizador del convertidor de amoniaco y por lo tanto debe ser removido. Esto es hecho por medio de combustin cataltica, la cual toma lugar inmediatamente despus del mezclador de H2 y N2. Una pequea cantidad de hidrgeno reacciona con el oxgeno presente produciendo agua. El gas mezclado purificado es entonces pasado a estanques de almacenamiento para la etapa de sntesis de amoniaco. El circuito de sntesis de amoniaco es el mismo que para las plantas de amoniaco basadas en combustibles fsiles.

La produccin de amoniaco basada en electrlisis del agua es llevada a cabo en plantas de pequea escala, sobre 500 Ton/da. El proceso es considerado como econmicamente no viable. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias, puede ser una tecnologa interesante y competitiva, en particular cuando la energa hidroelctrica est disponible y es de bajo costo.

Las emisiones de este proceso son mnimas comparadas a la reformacin con vapor y oxidacin parcial.

4.2.- Comparacin de Tecnologas [4]

Las siguientes tablas comparan los diferentes procesos explicados anteriormente utilizando metano como materia prima.

Tabla 4.2: Procesos bsicos de produccin de Gas de Sntesis.

SMRPOXATR

Temperatura, C800-9001000-1450850-1300

Presin, bar20-3030-8520-70

Razn H2/CO3-61,6-21,6-2,5

Conversin CH4, %65-9595-10095-100

Oxgenonoaltoalto

Consumo de vaporaltoopcionalbajo

Costo de capital, %100 (referencia)80-11065-80

Emisionesaltasbajasbajas

Escalagranpequea a grangran

Estado de desarrollocomercialcomercialcomercial

Tabla 4.3: Procesos combinados produccin de Gas de Sntesis.

CombinadoKRESGHR

Temperatura, Cprimario: 800,secundario: 1000-1200primario: 800,secundario: 1000primario: 450,secundario: 1000

Presin, bar20-3020-3020-30

Razn H2/CO2,5-42,5-43,4

Conversin CH4, %95-10095-10095-100

Oxgenobajomediomedio

Consumo de vapormediomediomedio

Costo de capital, %75-11565-9060-80

Emisionesmediasbajasbajas

Escalagrangranmedia a gran

Estado de desarrollocomercialpre-comercial3 unidades comerciales

4.3.- Seleccin del Proceso de Produccin de Gas de Sntesis

El proceso seleccionado para la produccin de Gas de Sntesis es el proceso de Reformacin Combinada debido a las siguientes ventajas:

Posee una alta conversin del metano, consiguiendo conversiones de hasta 100%.

La utilizacin de un reformador secundario autotrmico permite la adicin de aire el cual aporta el nitrgeno necesario para la sntesis de amoniaco y el oxgeno para proporcionar la conversin completa del metano, y as reducir el tamao del reformador primario trasladando parte de la carga al segundo reformador.

No necesita de una planta de oxgeno

Se consigue una alta razn H2/CO.

Es una tecnologa consolidada a nivel mundial.

4.4.- Referencias

[1]El hidrgeno como nueva fuente de energa http://cursa.ihmc.us/servlet/SBReadResourceServlet?rid=1197102721734_46214854 0_6418

[2]Spath, Dayton. 2003. Preliminary Screening-Technical and economic Assessment of Synthesis Gas to Fuel and Chemicals with Emphasis on the Potencial for Biomasa- Derived Syngas. National Renewable Energy Laboratory NREL http://www.nrel.gov/docs/fy04osti/34929.pdf

[3]Gary R. Maxwell. 2005. Synthetic Nitrogen Products. A Practical Guide to the Products and Processes. Memphis, Tennessee

[4]Korobitsyn, Van Berkel, Christie. 2000. SOFC as Gas Separator http://www.ecn.nl/docs/library/report/2000/c00122.pdf

[5]Hydrogen Production Methods. 2005. MPR Associated, Inc. http://www.mpr.com/pubs/hydroprod.pdf

[6]Martnez, Santos. 2003. El Hidrgeno Combustible. Mtodos de obtencin y aplicacin a la energa elctrica. http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulos?codigo=638220

Captulo 5

ETAPAS DEL PROCESO

Captulo 5: Etapas del Proce

amoniaco

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