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130
PROPUESTAS
ADICIONALES
PARA EL
PROCESO
131
PROPUESTAS
1.- Transformación de Ácido sulfhídrico en compuestos de alto valor comercial
Dentro de los procesos de perforación de pozos petroleros existe un residuo, el
sulfuro de hidrógeno o ácido sulfhídrico, que es un gas con poco valor comercial por sus
altos riesgos de manejo y pocas aplicaciones, el cual es quemado y arrojado a la atmósfera
sin ningún beneficio.
Pero de este gas pueden obtenerse diversos compuestos con un alto precio en el mercado,
mi propuesta consiste en transformar los gases de ácido sulfhídrico salientes de los pozos
en diversos compuestos de gran valor comercial, tales como:
Sulfuro de sodio: $ 530.00 US/Ton
Ácido sulfúrico: $ 395.00 US/Ton
Sulfuro de sodio
El sulfuro de sodio, es una sal usada como envejecedor de bronces (candados, orfebrerías).
También el sulfuro de sodio, se utiliza en la elaboración del cuero o las plantas de
preparación de las pieles
Producción de Sulfuro de Sodio
El ácido sulfhídrico (o sulfuro de hidrógeno, H2S) es el principal insumo, también es un
potente reductor, de alta reactividad. Dadas sus características, es posible utilizarlo
directamente en procesos o llevarlo a cualquier compuesto que tenga un valor de mercado
atractivo. En este caso, se postula la producción de sulfuro de sodio (Na2S) mediante la
reacción con hidróxido de sodio (NaOH), que conformará otro insumo de proceso.
La reacción propuesta para la producción de sulfuro de sodio es:
H2S + 2 Na OH Na2S + 2H2O
132
Figura 44. Diagrama de flujo de producción de sulfuro de sodio
Fuente: http://cabierta.uchile.cl/revista/5/azufre.htm
133
Ácido sulfúrico
El ácido sulfúrico es un compuesto químico muy corrosivo cuya fórmula es H2SO4. Es el
compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como uno de los
tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una gran parte se emplea en la
obtención de fertilizantes. También se usa para la síntesis de otros ácidos y sulfatos y en la
industria petroquímica.
Aplicaciones
o Abonos. Una gran parte del ácido sulfúrico que se fabrica se destina a la obtención de
diversos fertilizantes, como son el sulfato amónico y derivados y los superfosfatos:
Ca3(PO4)2 + H2SO4 ---- Ca(H2 PO4)2 + 2 CaSO4
Superfosfatos
o Obtención de productos químicos. El ácido sulfúrico se emplea como materia prima
en la obtención de numerosos productos químicos, por ejemplo, los ácidos
clorhídrico y nítrico.
o Colorantes y drogas. El ácido sulfúrico es, la sustancia de partida de la fabricación de
muchos colorantes, algunos de cuyos pigmentos son sulfatos metálicos. Asimismo
tiene un amplio uso en la obtención de drogas, desinfectantes, etc.
o Refinado del petróleo. En la industria petroquímica se emplea el ácido sulfúrico para
eliminar diversas impurezas de muchas de las fracciones del destilado del petróleo,
tales como gasolinas, disolventes y otros.
o Siderurgia. En esta industria el ácido sulfúrico se emplea, fundamentalmente, en el
decapado del acero (también se usa en este proceso el HCl) antes de someterlo a
procesos finales, como son los diversos recubrimientos.
o Usos diversos. Otros usos, no de menor importancia que los anteriores, son, por
134
ejemplo, la fabricación de seda artificial, plásticos de diversa naturaleza, explosivos,
acumuladores, etc.
Producción de ácido sulfúrico
Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de
cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de cámaras de plomo es el más
antiguo de los dos procesos y es utilizado actualmente para producir gran parte del ácido
consumido en la fabricación de fertilizantes. Este método produce un ácido relativamente
diluido (62%-78% H2SO4). El proceso de contacto produce un ácido más puro y
concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso de catalizadores costosos.
En ambos procesos el dióxido de azufre (SO2) es oxidado y disuelto en agua. El dióxido de
azufre es obtenido mediante la combustión de sulfuro de hidrogeno (H2S) gaseoso.
Proceso de cámaras de plomo
En el proceso de cámaras de plomo, el dióxido de azufre (SO2) gaseoso caliente entra por la
parte inferior de un reactor llamado torre de Glover, donde es lavado con vitriolo nitroso
(ácido sulfúrico con óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) disueltos en él),
y mezclado con óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) gaseosos. Parte de
dióxido de azufre es oxidado a tritóxido de azufre (SO3) y disuelto en el baño ácido para
formar el ácido de torre o ácido de Glover (aproximadamente 78% de H2SO4).
SO2 + NO2 NO + SO3
SO3 + H2O H2SO4 (ácido de Glover)
135
Figura 45. Diagrama del proceso de cámaras de plomo
Fuente: http://www.textoscientificos.com/sulfurico/produccion (2005)
136
De la torre de Glover una mezcla de gases (que incluye dióxido y tritóxido de azufre,
óxidos de nitrógeno, nitrógeno, oxígeno y vapor) es transferida a una cámara recubierta de
plomo donde es tratado con más agua. La cámara puede ser un gran espacio en forma de
caja o un recinto con forma de cono truncado. El ácido sulfúrico es formado por una serie
compleja de reacciones; condensa en las paredes y es acumulado en el piso de la cámara.
Pueden existir de tres a seis cámaras en serie, donde los gases pasan por cada una de las
cámaras en sucesión. El ácido producido en las cámaras, generalmente llamado ácido de
cámara o ácido de fertilizante, contiene de 62% a 68% de H2SO4.
NO + NO2 + H2O 2.HNO2
HNO2 + H2SO3 H2SO4 (ácido de cámara)
Luego de que los gases pasaron por las cámaras se los hace pasar a un reactor llamado torre
de Gay-Lussac donde son lavados con ácido concentrado enfriado (proveniente de la torre
de Glover). Los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre que no haya reaccionado se
disuelven en el ácido formando el vitriolo nitroso utilizado en la torre de Glover. Los gases
remanentes son usualmente liberados en la atmósfera.
Proceso de contacto
El proceso se basa en el empleo de un catalizador para convertir el SO2 en SO3, del que se
obtiene ácido sulfúrico por hidratación.
2 SO2 + O2 2 SO3
SO3 + H2O H2SO4
137
Figura 46. Diagrama del proceso de contacto
Fuente: http://www.textoscientificos.com/sulfurico/produccion (2005)
138
En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10% de SO2, según la
fuente de producción de SO2 (el valor inferior corresponde a plantas que tuestan piritas y el
superior a las que queman azufre), y de un 11 a 14% de O2, se precalienta y una vez
depurada al máximo, pasa a un convertidor de uno o más lechos catalíticos, por regla
general de platino o pentóxido de vanadio, donde se forma el SO3. Se suelen emplear dos o
más convertidores.
Los rendimientos de conversión del SO2 a SO3 en una planta en funcionamiento normal
oscilan entre el 96 y 97%, pues la eficacia inicial del 98% se reduce con el paso del tiempo.
En el segundo convertidor, la temperatura varía entre 500°C y 600ºC. Esta se selecciona
para obtener una constante óptima de equilibrio con una conversión máxima a un coste
mínimo. El tiempo de residencia de los gases en el convertidor es aproximadamente de 2-4
segundos.
Los gases procedentes de la catálisis se enfrían a unos 100ºC aproximadamente y atraviesan
una torre de óleum, para lograr la absorción parcial de SO3. Los gases residuales atraviesan
una segunda torre, donde el SO3 restante se lava con ácido sulfúrico de 98%. Por último, los
gases no absorbidos se descargan a la atmósfera a través de una chimenea.
La producción de ácido sulfúrico por combustión de azufre elemental presenta un mejor
balance energético pues no tiene que ajustarse a los sistemas de depuración tan rígidos
forzosamente necesarios en las plantas de tostación de piritas.
139
2.- Aplicación de Energía eólica e las plataformas de perforación
Existe una gran demanda de energía dentro del proceso de perforación de un pozo
petrolero, desde la operación de los equipos hasta el encendido de un horno eléctrico para
alimentarse. Por lo general los pozos se encuentran en regiones aisladas y a la intemperie o
en mar abierto, lo que permite el flujo continuo de aire, por lo cual surge la 2da propuesta,
que consiste en transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica, alternando
con los motogeneradores de diesel.
La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por
efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las
actividades humanas.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las
emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de
combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Sin embargo, el
principal inconveniente es su intermitencia.
140
Figura 47. Ilustración de Aspas de aire
Fuente: www.playasdominicanas.org/article-energia-eolica (2010)
141
Cálculos
Para determinar la energía eólica, en función de la velocidad del viento, se utiliza la
siguiente formula:
Para calcular la masa del aire, hacemos uso de la siguiente ecuación:
También sabemos que:
Entonces:
La densidad de los líquidos esta en funcion de la temperatura y presión a la que se
encuentre sometido, para determinar la densidad del aire se uso la siguiente ecuación:
Condiciones estándar, 25 °C y 1 atm, sabemos que a 1 atm de presion, Pman= 0.
142
Entonces:
Se presenta una tabla y gráfica de las diferentes densidades del aire a diferentes
temperaturas y diferentes presiones.
143
Tabla 7. Densidades del aire, con respecto a la temperatura y presión
Densiadad del aire (Kg/m3) a diferentes temperaturas y presiones
Presion manometrica (Psi)
Temparatura °C 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
0 1.293 1.733 2.173 2.612 3.052 3.932 4.811 5.691 6.570 7.450 8.330 9.209 10.089 10.968 11.848
5 1.270 1.702 2.133 2.565 2.997 3.861 4.725 5.589 6.452 7.316 8.180 9.044 9.907 10.771 11.635
10 1.247 1.672 2.096 2.520 2.944 3.793 4.641 5.490 6.338 7.187 8.035 8.884 9.732 10.581 11.429
15 1.226 1.643 2.059 2.476 2.893 3.727 4.561 5.395 6.228 7.062 7.896 8.730 9.563 10.397 11.231
20 1.205 1.615 2.024 2.434 2.844 3.663 4.483 5.303 6.122 6.942 7.761 8.581 9.400 10.220 11.040
25 1.185 1.587 1.990 2.393 2.796 3.602 4.408 5.214 6.019 6.825 7.631 8.437 9.243 10.049 10.854
30 1.165 1.561 1.958 2.354 2.750 3.543 4.335 5.128 5.920 6.713 7.505 8.298 9.090 9.883 10.675
35 1.146 1.536 1.926 2.316 2.705 3.485 4.265 5.044 5.824 6.604 7.383 8.163 8.943 9.722 10.502
40 1.128 1.511 1.895 2.279 2.662 3.429 4.197 4.964 5.731 6.498 7.266 8.033 8.800 9.567 10.334
45 1.110 1.488 1.865 2.243 2.620 3.376 4.131 4.886 5.641 6.396 7.151 7.907 8.662 9.417 10.172
50 1.093 1.465 1.836 2.208 2.580 3.323 4.067 4.810 5.554 6.297 7.041 7.784 8.528 9.271 10.015
55 1.076 1.442 1.808 2.174 2.541 3.273 4.005 4.737 5.469 6.201 6.933 7.666 8.398 9.130 9.862
60 1.060 1.421 1.781 2.142 2.502 3.224 3.945 4.666 5.387 6.108 6.829 7.551 8.272 8.993 9.714
65 1.044 1.400 1.755 2.110 2.465 3.176 3.886 4.597 5.307 6.018 6.728 7.439 8.149 8.860 9.570
144
Suponemos una velocidad promedio de 20 km/hr, que equivale aproximadamente a 6
m/seg, un aspa (radio de circunferencia) de 10 m. y una densidad del aire a condiciones
estándar, 25 °C y 1 atm, ρ=1.185 Kg/m3
Volviendo a la ecuación original:
A continuación se presenta una tabla y grafica de la energía cinética generada, con
diferentes velocidades de viento y diferentes tamaños de aspa.
145
Tabla 8. Energía cinética producida a diferentes diámetros de aspa y velocidades del viento
Energia cinetica (KiloWatts) a diferentes diameteros de aspa y velocidades de viento Energia cinetica (KiloWatts) a diferentes diameteros de aspa y velocidades de viento
Velocidad del Tamaño de Aspa (m)m) radio de la circunferencia
viento (m/seg) 10 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
1 0.13 0.29 0.33 0.38 0.42 0.47 0.52 0.57 0.63 0.69 0.75 0.81 0.88 0.95 1.02 1.10
2 1.04 2.34 2.67 3.01 3.38 3.76 4.17 4.60 5.04 5.51 6.00 6.51 7.04 7.60 8.17 8.76
4 8.34 18.76 21.34 24.09 27.01 30.09 33.34 36.76 40.35 44.10 48.01 52.10 56.35 60.77 65.35 70.11
6 28.13 63.30 72.02 81.31 91.15 101.56 112.54 124.07 136.17 148.83 162.05 175.84 190.18 205.10 220.57 236.60
8 66.69 150.05 170.72 192.73 216.07 240.74 266.75 294.09 322.77 352.78 384.12 416.80 450.81 486.15 522.83 560.84
10 130.25 293.06 333.44 376.42 422.01 470.20 521.00 574.40 630.40 689.02 750.23 814.06 880.48 949.51 1021.15 1095.39
12 225.07 506.41 576.18 650.45 729.23 812.50 900.28 992.56 1089.34 1190.62 1296.40 1406.69 1521.47 1640.76 1764.55 1892.84
14 357.40 804.16 914.95 1032.89 1157.99 1290.22 1429.61 1576.15 1729.83 1890.66 2058.64 2233.77 2416.04 2605.47 2802.04 3005.76
16 533.50 1200.37 1365.76 1541.81 1728.54 1925.93 2134.00 2352.73 2582.14 2822.21 3072.96 3334.37 3606.46 3889.21 4182.64 4486.73
18 759.61 1709.13 1944.61 2195.28 2461.14 2742.20 3038.45 3349.89 3676.52 4018.34 4375.36 4747.57 5134.97 5537.57 5955.35 6388.33
20 1041.99 2344.48 2667.50 3011.35 3376.05 3761.59 4167.96 4595.18 5043.24 5512.13 6001.87 6512.44 7043.86 7596.11 8169.21 8763.14
.
146
Figura 48. Densidades del aire, con respecto a la temperatura, Presión constante
147
Figura 49. Energía cinética producida a diferentes velocidades del viento, diámetro de 20 m.
148
3. Implementación de sistema de enfriamiento de lodo y obtención de vapor d agua
Dentro del pozo de perforación encontramos a la barrena girando a grandes velocidades,
para así perforar la tierra; en este proceso se genera un gran desprendimiento de calor
debido a la fricción entre la barrena y la tierra; el fluido de perforación es el encargado de
tomar este calor y llevarlo a la superficie, mas sin embargo este fluido no recibe ningún
tratamiento de enfriamiento. Disminuye su temperatura únicamente por convección natural
con el aire. Si lo vemos desde el punto de vista de ingeniería, nos daremos cuenta de la gran
cantidad de energía calorífica desperdiciada, la cual puede ser enfocada a un proceso
provechoso.
En este documento se presenta una posible solución a tal cuestión. El fluido de perforación
saliente del pozo puede hacerse pasar por un intercambiador de calor, con agua, en un
arreglo a contracorriente y a bajas presiones, para así poder disminuir el punto de ebullición
del agua y convertirla en vapor, el cual es más ventajoso en la industria.
El fluido de perforación sale a una temperatura aproximada de 80ºC, y si se pone en
contacto con agua a temperatura ambiente (20ºC), dando como resultado el siguiente
balance de energía:
Cp Lodo 38368 Kcal/min ºC (Aproximadamente)
Cp Agua = 4000 Kcal/min ºC
ced = Lodo
abs = Agua
149
Figura 50. Diagrama de sistema de intercambiador de calor al vacio.
150
ced =
abs =
ced abs (Aproximadamente)
T1 T2 = T (Aproximadamente)
Flujos iguales, 4000 lt/min:
T= 74.335°C, redondeado a 75 °C
A esta temperatura se requiere de 0.3835 bars (0.38075 atm) de presión para ebullir el agua,
por lo cual se procederá a realizar un vacío.
Este es el volumen interior total del cilindro y como se pretende aumentar la eficiencia al
máximo, la mitad del volumen será de lodo y la otra mitad será de agua
Volumen de agua = 3.0159 m3
Volumen de lodo = 3.0159 m3
Asumimos 10 tubos interiores, por donde fluirá el lodo, por lo tanto:
151
Figura 51. Dimensiones del cilindro.
152
Por el grosor del tubo asumiremos que serán 31 cm de diámetro.
Las cuales ejercen esta presión:
El número de moles necesario para la presión de 0.38075 atm es:
Y la cantidad de moles a remover por medio de la bomba de vacío será de:
Con un flujo de 3000 lt/min
153
Se obtendrá dicha a presión en un tiempo de:
Compresor de las siguientes características
Se empleara un compresor o bomba de vacío para tomar el aire del interior del cilindro y
disminuir la presión, y se consideró el siguiente:
Bomba de vacío de dos etapas de anillo líquido.
De 30m3/h a 223 m
3/h.
Hasta 33 mbar
Gases húmedos y secos
Temperatura del gas entrante 120ºC
Formato de motores B35ç
Materiales: Fundición gris/ metal no ferroso/ acero fino
60-66 db(A)
154
Etapa 1
Relación de Compresión
155
Etapa 2
= 111.014 Hp
A continuación se presentan una lista de temperaturas de ebullición del agua con sus
respectivas presiones, además se agregan datos como, moles necesarios a sacar del
volumen, flujo volumétrico, así como la potencia requerida por el compresor para llegar a
dicho vacío.
156
Tabla 9. Potencia necesaria para ejercer determinados vacíos
.
Temp. ºC Presión Bar Presión atm Moles a sacar
Flujo volumétrico
(lt/min.)
Potencia
Hp
35 0,05628 0,05554 8,02947 3188,5823 96,2992
40 0,07384 0,07287 7,99233 3173,8339 95,8538
45 0,09593 0,09468 7,94561 3155,2808 95,2935
50 0,12349 0,12188 7,88732 3132,1336 94,5944
55 0,15758 0,15552 7,81522 3103,5019 93,7297
60 0,1994 0,19679 7,72677 3068,3779 92,6689
65 0,2503 0,24703 7,61912 3025,6278 91,3778
70 0,3119 0,30782 7,48883 2973,8909 89,8153
75 0,3858 0,38075 7,33254 2911,8234 87,9408
80 0,4739 0,46770 7,14620 2837,8295 85,7061
85 0,5783 0,57074 6,92540 2750,1455 83,0579
90 0,7014 0,69223 6,66504 2646,7557 79,9354
95 0,8455 0,83444 6,36027 2525,7283 76,2802
157
Figura 52. Potencia necesaria para ejercer determinados vacío
158
4.- Propuesta para variación de Filtradora en función de la Potencia y consumo de
Energía
Temblorinas o Filtradoras: Son agitadores encargados de la primera fase de remoción de
sólidos. En ellos se descargan los sólidos de tamaños mayores (150 micras). Su
funcionamiento es muy sencillo, consta de una mesa con una ligera inclinación que tiene
una malla, que cubre la superficie, que se somete a vibraciones, causando así que los
sólidos grandes permanezcan atrapados en las mallas, mientras que los líquidos pasan por la
malla, depositándose en la trampa de arena. La canasta se mueve circularmente uniforme.
Existen diversos tipos de mallas, que se miden de acuerdo a la escala de March, la cual
indica que una malla march 40, contiene 40 agujeros por pulgada lineal. Las mallas serán
seleccionadas de acuerdo al tipo de barrena utilizada y a la etapa de perforación.
La propuesta que se pretende lograr es aplicar diversos cambios al área de la malla y de
cómo se refleja en el consumo de energía y potencia de los motores.
Especificaciones recomendadas de equipo:
Fuerza G mínima => 5 Gs
Área de malla mínima 100 ft2
Tipo de movimiento Circular o elíptico balanceado
159
Figura 53. Temblorina o Filtradora
160
Figura 54. Componentes de Temblorina o Filtradora
Fuente: Schlumberger (2000)
161
Cálculos
Para determinar la energía potencial, se utiliza la siguiente formula:
Sabemos que la fuerza G utilizada es de 5G’s, por lo cual son 5 veces la fuerza de
gravedad:
También sabemos que la densidad del lodo es de:
Y que las dimensiones de la malla son de:
Alteraremos el largo de la malla, de 20 a 25 pies, para ilustrar las operaciones que se
realizaron para determinar los valores de potencia y energia:
Tambien sabemos que:
Por lo tanto:
162
Volviendo a la ecuación original, asumiendo que asciende una altura de 0.1 m y una
eficiencia del 60%:
Ahora calcularemos la potencia requerida en un día (86400 segundos):
Se muestran tres tablas y una gráfica de las tres tablas, mostrando el comportamiento de las
energías y las potencias, alterando los valores de las dimensiones de la malla (espesor, largo
y ancho).
163
Tabla 10. Diferentes cargas, cambio de largo de malla
Largo (pie) Volumen (pie3) Volumen (m3) Energía (Joule) HP KW Hr
15 5.25 0.1487 1701.4531 0.0000264 472.487
20 7 0.1982 2268.6042 0.0000352 629.982
25 8.75 0.2478 2835.7552 0.0000440 787.478
30 10.5 0.2973 3402.9062 0.0000528 944.973
35 12.25 0.3469 3970.0573 0.0000616 1102.469
40 14 0.3964 4537.2083 0.0000704 1259.965
164
Tabla 11. Diferentes cargas, cambio del ancho de malla
Ancho (pie) Volumen (pie3) Volumen (m3) Energía (Joule) HP KW Hr
3 4.2 0.1189 1361.1625 0.000021 377.9894
5 7 0.1982 2268.6042 0.000035 629.9823
7 9.8 0.2775 3176.0458 0.000049 881.9753
9 12.6 0.3568 4083.4875 0.000063 1133.9682
11 15.4 0.4361 4990.9292 0.000077 1385.9611
13 18.2 0.5154 5898.3708 0.000092 1637.9541
165
Tabla 12. Diferentes cargas, cambio de espesor de malla
Espesor (m) Volumen (m3) Energía (Joule) HP KW Hr
0.0212 0.1970 2254.9628 0.000035 626.1942
0.0225 0.2091 2393.2388 0.000037 664.5929
0.025 0.2323 2659.1543 0.000041 738.4365
0.0275 0.2556 2925.0697 0.000045 812.2802
0.03 0.2788 3190.9851 0.000050 886.1238
166
Figura 55. Diferentes curvas de carga
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