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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES ADSORBENTES DEL CATALIZADOR
RESIDUAL DE LA UNIDAD DE CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDIZADO DE LA
REFINERÍA ESMERALDAS PARA LA ADSORCIÓN DE GASES CONTAMINANTES
DE CHIMENEAS
TRABAJO DE TITULACIÓN, MODALIDAD PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
PARA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO QUÍMICO
AUTOR: DIEGO GONZALO MONTALVO RUIZ
TUTOR: ING. DIEGO EDUARDO MONTESDEOCA ESPÍN. MSc
QUITO
2017
ii
© DERECHOS DE AUTOR
Yo, DIEGO GONZALO MONTALVO RUIZ en calidad de autor del trabajo de
titulación, modalidad proyecto de investigación: “ESTUDIO DE LAS
PROPIEDADES ADSORBENTES DEL CATALIZADOR RESIDUAL DE LA
UNIDAD DE CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDIZADO PARA LA ADSORCIÓN
DE GASES CONTAMINANTES DE CHIMENEAS”, autorizo a la Universidad
Central del Ecuador hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o parte de
los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación.
Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8; 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su
Reglamento.
Asimismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
Firma:
-----------------------------------------------------
Diego Gonzalo Montalvo Ruiz
CC: 1718947227
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
Yo, DIEGO EDUARDO MONTESDEOCA ESPÍN, en calidad de tutor del trabajo de
titulación, modalidad proyecto de investigación, titulado: “ESTUDIO DE LAS
PROPIEDADES ADSORBENTES DEL CATALIZADOR RESIDUAL DE LA
UNIDAD DE CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDIZADO PARA LA ADSORCIÓN DE
GASES CONTAMINANTES DE CHIMENEAS” elaborado por el estudiante DIEGO
GONZALO MONTALVO RUIZ de la Carrera de Ingeniería Química, Facultad de
Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, considero que el mismo reúne
los requisitos y méritos necesarios en el campo metodológico y en el campo
epistemológico, para ser sometido a la evaluación por parte del jurado examinador que
se designe, por lo que lo APRUEBO, a fin de que el trabajo sea habilitado para continuar
con el proceso de titulación determinado por la Universidad Central del Ecuador.
En la ciudad de Quito, a los 23.días del mes de mayo de 2017
Diego E. Montesdeoca E.
CC: 1802917391
iv
DEDICATORIA
A Dios, por permitirme llegar a este
momento tan especial de mi vida.
Con mucho amor y cariño a mis
padres, Gonzalo y Mónica, pilares
fundamentales en mi vida, en
reconocimiento al inmenso
sacrificio puesto para darme la más
grande herencia, mi educación.
A mi amada esposa Maryuris, por
su paciencia, comprensión,
dedicación, por su amor y por ser
tal y como es, porque la amo.
.
A mis adorados hijos Ariana y
Alejandro, que son la razón de mi
vida el tesoro más grande que Dios
me regaló y el motivo de mí existir.
Diego Montalvo R.
v
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera, por ser mi
fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de aprendizajes,
experiencias y sobre todo felicidad.
A la Universidad Central del Ecuador, en especial a la Facultad de Ingeniería Química
por acogerme durante toda mi carrera universitaria.
A mi tutor y profesor Ing. Diego Montesdeoca, un agradecimiento especial por aceptar
realizar esta tesis bajo su dirección. Su apoyo, confianza en mi trabajo y su capacidad
para guiar mis ideas ha sido un aporte invaluable en varios aspectos de mi formación y
vida en general.
De manera especial quiero agradecer a la Dra. Carolina Montero por su oportuna
colaboración en la realización del presente trabajo.
Gracias a mis amados padres que me apoyaron incondicionalmente durante todo este
largo camino, con todos los aditamentos que pudiera necesitar en cada fase, también,
agradezco a mi amiga, compañera, novia y esposa que ha dotado de alegría mi entorno,
con su sonrisa y carisma, así como por su apoyo y empuje. A mis hijos que a su corta
edad han sabido soportar mis ausencias durante la realización de este trabajo.
Al Ing. Ernesto Zurita gerente de ingeniería y a todo el personal de mantenimiento de los
Laboratorios Industriales Farmacéuticos Ecuatorianos “LIFE” por brindarme su ayuda en
la realización de este trabajo de graduación.
A mi cuñado Gonzalo, mis cuñadas Mary, Silvia, Ligia, Monserrate, Vicky, porque he
podido encontrar en ellos el verdadero sentido de hermandad.
A mis queridos amigos SAN VIERNES por haber estado en los buenos y malos
momentos tanto académicos como deportivos.
vi
CONTENIDO
pág.
LISTA DE TABLAS ....................................................................................................... ix
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... xi
RESUMEN ..................................................................................................................... xv
ABSTRACT………………………………………………………………………...…xvi
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1
1. MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 3
1.1. Catalizador ................................................................................................................. 3
1.2. Unidad de Craqueo Catalítico Fluidizado FCC. ........................................................ 3
1.2.1. Zeolitas.. .................................................................................................................. 4
1.2.2. Catalizador residual. ................................................................................................ 5
1.3. Adsorción ................................................................................................................. 8
1.3.1. Tamices moleculares. ............................................................................................. 8
1.4. Flujo de fluidos por medios porosos ........................................................................ 8
1.5. Fuentes fijas de combustión .................................................................................... 10
1.5.1. Generadores eléctricos. ......................................................................................... 10
1.5.2. Emisiones gaseosas en generadores a diésel. ........................................................ 11
1.5.3. Norma de emisiones al aire desde fuentes fijas. ................................................... 12
1.6. Depuración de gases de chimenea .......................................................................... 13
1.6.1. Reducción catalítica de los NOx con NH3. ........................................................... 13
1.6.2. Procesos de adsorción. .......................................................................................... 14
1.6.3. Técnicas aplicadas para reducir material particulado (filtros industriales). ......... 14
vii
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ...................................................................... 15
2.1. Diseño experimental ................................................................................................ 16
2.2. Materiales y equipos ................................................................................................ 16
2.3. Sustancias y reactivos .............................................................................................. 17
2.4. Procedimientos ........................................................................................................ 18
2.4.1. Caracterización del catalizador residual de la Unidad FCC. ................................. 18
2.4.2. Construcción del filtro........................................................................................... 19
2.4.3. Medición de gases. ................................................................................................ 22
3. DATOS EXPERIMENTALES .................................................................................. 25
3.1. Caracterización física del catalizador residual de la Unidad de FCC ..................... 25
3.2. Registro de funcionamiento del generador eléctrico Caterpillar ............................. 28
4. CÁLCULOS .............................................................................................................. 30
4.1. Caracterización física del catalizador residual del Unidad FCC ............................. 30
4.2. Cálculos del filtro instalado en la chimenea ............................................................ 33
4.2.1. Cálculo del porcentaje de reducción en la concentración de los gases de
combustión ..................................................................................................................... 33
4.2.2. Cálculo del porcentaje de catalizador residual que se pierde durante el
proceso de medición de gases ......................................................................................... 33
4.2.3. Cálculo de la presión absoluta del gas en chimenea antes de instalar el
filtro….. .......................................................................................................................... 34
4.2.4. Cálculo de la presión absoluta del gas en chimenea después de instalar el
filtro…. ........................................................................................................................... 34
4.2.5. Cálculo de la caída de presión absoluta del gas en chimenea ............................... 34
4.3. Cálculos de la reducción en la cantidad de monóxido de carbono emitido
a la atmósfera para la condición óptima ......................................................................... 34
4.3.1. Cálculo del flujo de gas seco promedio ................................................................ 34
4.3.2. Cálculo del porcentaje de reducción en la concentración de monóxido
de carbono para la condición óptima .............................................................................. 35
4.3.3. Calculo de la cantidad de monóxido de carbono adsorbido en el
catalizador para la condición óptima .............................................................................. 35
4.4. Cálculo de la capacidad de adsorción del catalizador residual para la
condición óptima ............................................................................................................ 35
viii
4.5. Cálculo de la cantidad de diésel equivalente a la reducción de monóxido de
carbono ........................................................................................................................... 36
5. RESULTADOS ......................................................................................................... 37
5.1. Condiciones de operación de la chimenea del generador eléctrico
Caterpillar ....................................................................................................................... 37
5.2. Resultados de la caracterización física del catalizador residual de la
Unidad FCC .................................................................................................................... 37
5.3. Resultados de la composición elemental ................................................................. 39
5.4. Resultados de la operación del filtro en la chimenea .............................................. 39
5.5. Resultados gráficos .................................................................................................. 42
5.6. Análisis estadístico .................................................................................................. 49
5.6.1. Análisis ANOVA para cada variable dependiente ................................................ 50
5.6.2. Estimación del punto óptimo. ............................................................................... 51
5.6.3. Proyección de la cantidad de monóxido de carbono que se está dejando
de emitir a la atmósfera .................................................................................................. 51
6. DISCUSIÓN .............................................................................................................. 52
6.1. Caracterización física del catalizador residual ........................................................ 52
6.2. Diseño y construcción del filtro .............................................................................. 52
6.3. Operación del filtro en la chimenea......................................................................... 52
7. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 55
8. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 57
CITAS BIBLIOGÁFICAS ............................................................................................. 58
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 61
ix
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Factores ponderados de contaminantes, basados en las normas españolas
de calidad del aire ........................................................................................................... 12
Tabla 2. Límites máximos permisibles de emisiones para generadores eléctricos. ....... 12
Tabla 3. Identificación de la fuente fija. ......................................................................... 16
Tabla 4. Características de los monitoreos realizados al generador eléctrico ................ 23
Tabla 5. Datos experimentales para obtener la densidad aparente del catalizador
residual de la Unidad FCC ............................................................................................. 25
Tabla 6. Datos experimentales para obtener la densidad real del catalizador
residual de la Unidad FCC ............................................................................................. 26
Tabla 7. Datos experimentales del área superficial y el volumen de poro del
catalizador residual de la Unidad FCC ........................................................................... 26
Tabla 8. Análisis elemental del catalizador residual de la Unidad FCC antes de
la medición de gases. ...................................................................................................... 27
Tabla 9. Análisis elemental del catalizador residual de la Unidad FCC después
de la medición de gases .................................................................................................. 27
Tabla 10. Datos del monitoreo de los gases de combustión antes y después de
haber instalado el filtro ................................................................................................... 28
Tabla 11. Registro de funcionamiento del generador eléctrico de junio a
diciembre del 2016 ......................................................................................................... 29
Tabla 12. Condiciones de operación de la chimenea...................................................... 37
Tabla 13. Resultados de la densidad real del catalizador residual de la
Unidad FCC ................................................................................................................... 37
Tabla 14. Resultados de la densidad aparente del catalizador residual de la
Unidad FCC .................................................................................................................... 38
Tabla 15. Resultados del área superficial y el volumen de poro del catalizador
residual de la Unidad FCC ............................................................................................. 38
x
Tabla 16. Distribución del tamaño de partículas del catalizador residual de la
Unidad FCC .................................................................................................................... 38
Tabla 17. Resultados del análisis elemental promedio del catalizador residual
antes y después de instalar el filtro en la chimenea ........................................................ 39
Tabla 18. Resultados del porcentaje de reducción e incremento del análisis
elemental después de haber instalado el filtro ................................................................ 39
Tabla 19. Porcentajes de reducción o incremento de los gases de combustión
antes y después de haber instalado el filtro. ................................................................... 40
Tabla 20. Comparación de valores de la concentración de los gases de combustión
con los valores máximos permisibles de emisiones para generadores eléctricos ........... 40
Tabla 21. Comparación de valores de la concentración de material particulado
con los valores máximos permisibles de emisiones para generadores eléctricos ........... 41
Tabla 22. Porcentajes de catalizador residual que se perdió durante el proceso de
medición de gases. .......................................................................................................... 41
Tabla 23. Presión absoluta y el Flujo de gas seco en el interior de la chimenea ............ 41
Tabla 24. Caída de presión en el interior de la chimenea ............................................... 42
Tabla 25. Codificación de los colores y su ensayo correspondiente .............................. 42
Tabla 26. Codificación de los factores para el diseño estadístico .................................. 49
Tabla 27. Análisis ANOVA para el monóxido de carbono “CO” .................................. 50
Tabla 28. Análisis ANOVA para el dióxido de azufre “SO2” ....................................... 50
Tabla 29. Análisis ANOVA para los óxidos de nitrógeno “NOx” ................................. 50
Tabla 30. Condiciones optimización de los parámetros de diseño del filtro .................. 51
Tabla 31. Cantidad de monóxido de carbono que se está dejando de emitir a la
atmósfera, capacidad de adsorción del catalizador y su cantidad equivalente de
combustible ..................................................................................................................... 51
xi
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Tetraedro de silicio / aluminio – oxígeno ......................................................... 4
Figura 2. Etapas experimentales para la caracterización física del catalizador
residual y la construcción del filtro. ............................................................................... 15
Figura 3. Modelo preliminar del filtro ............................................................................ 20
Figura 4. Contenedor con forma de segmento circular .................................................. 21
Figura 5. Recipiente cilíndrico de acero inoxidable en el cual se ubicaron los
contenedores en forma intercalada. ................................................................................ 22
Figura 6. Recipiente cilíndrico acoplado en la chimenea. .............................................. 22
Figura 7. Diseño experimental........................................................................................ 23
Figura 8. Concentración de CO en función de la masa de catalizador residual y
el tiempo de contacto. ..................................................................................................... 43
Figura 9. Porcentaje de reducción del CO en función del tiempo de contacto............... 43
Figura 10. Concentración de SO2 en función de la masa de catalizador residual
y el tiempo de contacto ................................................................................................... 44
Figura 11. Porcentaje de aumento del SO2 en función del tiempo de contacto. ............. 44
Figura 12. Concentración de NOx en función de la masa de catalizador residual
y el tiempo de contacto. .................................................................................................. 45
Figura 13. Porcentaje de reducción e incremento de NOx en función del tiempo
de contacto. ..................................................................................................................... 45
Figura 14. Masa inicial y final de catalizador en función del número de ensayos. ........ 46
Figura 15. Porcentaje de pérdida de masa del catalizador en función del número
de ensayos ....................................................................................................................... 46
Figura 16. Material particulado en función del porcentaje de pérdida de masa. ............ 47
Figura 17. Porcentaje de pérdida de masa de catalizador en función del flujo de
gas seco ........................................................................................................................... 47
xii
Figura 18. Caída de presión en la chimenea en función del tiempo de contacto y
masa de catalizador residual. .......................................................................................... 48
Figura 19. Flujo de gas seco en función de la masa de catalizador residual .................. 48
xiii
LISTA DE ANEXOS
pág.
ANEXO A. Fuentes, características y límites máximos permisibles de los
contaminantes comunes de la atmósfera ........................................................................ 64
ANEXO B. Diseño del filtro con catalizador residual que se utilizó en cada
ensayo ............................................................................................................................. 66
ANEXO C. Construcción del primer modelo de filtro ................................................... 67
ANEXO D. Construcción del segundo modelo del filtro ............................................... 68
ANEXO E. Instalación del filtro en la chimenea de generador eléctrico
Caterpillar ....................................................................................................................... 69
ANEXO F. Monitoreo de los gases de combustión........................................................ 70
ANEXO G. Informe inicial del monitoreo de los gases de combustión sin filtro .......... 71
ANEXO H. Informe del primer monitoreo de los gases de combustión con filtro…….72
ANEXO J. Informe del segundo monitoreo de los gases de combustión con
filtro………………………………………………………………………………….....73
ANEXO K. Informe del tercer monitoreo de los gases de combustión con filtro….…..74
ANEXO L. Informe del cuarto monitoreo de los gases de combustión con filtro….….75
ANEXO M. Informe del quinto monitoreo de los gases de combustión con filtro…….76
ANEXO N. Informe del sexto monitoreo de los gases de combustión con filtro……...77
ANEXO P. Informe del séptimo monitoreo de los gases de combustión con filtro……78
ANEXO Q. Informe del octavo monitoreo de los gases de combustión con filtro…….79
ANEXO R. Informe del noveno monitoreo de los gases de combustión con filtro…....80
ANEXO S. Bitácora de operación del generador eléctrico Caterpillar de los
Laboratorios LIFE en el periodo (enero-diciembre 2016).............................................. 81
ANEXO T. Hoja de control de nivel de combustible de los equipos Laboratorios
LIFE período (octubre 2016-enero 2017)……………………………………………... 85
ANEXO U. Análisis elemental, equipo y resultados…………………………….……. 87
xiv
ANEXO V. Tamaño de partícula del catalizador residual de la Unidad FCC,
equipo y resultados……………………………………………………………………. 90
ANEXO W Área superficial y volumen de poro del catalizador residual de la
Unidad FCC, equipo resultados…………………………………………………….…. 93
xv
ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES ADSORBENTES DEL CATALIZADOR
RESIDUAL DE LA UNIDAD DE CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDIZADO DE
LA REFINERÍA ESMERALDAS PARA LA ADSORCIÓN DE GASES
CONTAMINANTES DE CHIMENEAS
RESUMEN
Las propiedades adsorbentes del catalizador residual de la Unidad de Craqueo Catalítico
Fluidizado de la Refinería Esmeraldas, fueron estudiadas para los gases de combustión
emitidos a través de la chimenea de un generador eléctrico de una empresa farmacéutica.
Para lo cual, se diseñó y construyó un filtro considerando las condiciones de operación
de la chimenea, el mismo que es un contenedor cilíndrico que aloja tres bandejas, donde
diferentes masas de catalizador: 1500, 2700 y 3500 gramos, fueron colocadas previa
caracterización física mediante ensayos de: área superficial, volumen de poro, contenido
de azufre, carbono, hidrógeno, nitrógeno y tamaño de partícula. El filtro se acopló a la
chimenea y los gases de combustión fueron monitorizados en diferentes tiempos: 40, 80
y 120 minutos para cada masa. Al finalizar los ensayos, se realizó un análisis elemental
del catalizador utilizado en el filtro.
Al comparar las concentraciones de los contaminantes en los gases de combustión con y
sin filtro, se observa que el catalizador residual tiene la capacidad para adsorber CO y
NOx, lo cual se ve reflejado en la disminución de la carga contaminante en
aproximadamente 50% y 5%, respectivamente; en tanto que, para el SO2 la carga
contaminante se incrementa en un 18%.
PALABRAS CLAVE: / CATALIZADOR RESIDUAL / ADSORCIÓN / CRAQUEO
CATALÍTICO FLUIDIZADO / FILTROS / FUENTES FIJAS / GASES DE
COMBUSTIÓN /
xvi
STUDY OF THE ADSORBENT PROPERTIES OF THE RESIDUAL
CATALYSIS OF THE FLUIDIZED CATALYTIC CRACKING UNIT OF THE
ESMERALDAS REFINERY FOR THE ADSORTION OF CONTAMINANT
GASES FROM CHIMENYS
ABSTRACT
The adsorbent properties of residual catalyst from the fluidized catalytic cracking unit of
the Esmeraldas Refinery, were studied for the combustion gases emitted through an
electrical generator of a pharmaceutical company.
For this purpose, it was designed and built a filter considering the operational conditions
of the chimney, which consists in a cylindrical container that holds three trays with
different catalyst weights: 1500, 2700 and 3500 grams. The catalyst was placed previous
physical characterization by essays of: surface area, pore volume, content of sulfur,
carbon, hydrogen and nitrogen, and particle size. The filter was coupled to the chimney
and the combustion gases were monitored at different times; 40, 80, and 120 minutes for
each masse. At the end of the essays, an elemental analysis of the catalyst used in the
filter was done.
When comparing the pollutants in flue gas with and without filter, it is observed that the
residual catalyst is able to to adsorb CO and NOx, which is reflected in the reduction of
pollutant load in approximately 50% and 5% respectively; while for the SO2, the pollutant
load increases about 18%.
KEYWORDS: / RESIDUAL CATALYST/ ADSORTION / FLUIDIZED CATALYTIC
/ CRACKING / FILTERS / FIXED RESOURCES / COMBUSTION GASES /
1
INTRODUCCIÓN
El craqueo catalítico fluidizado (FCC) es el proceso de refinación más grande del mundo
que tiene como objetivo principal convertir hidrocarburos pesados en productos líquidos
más valiosos. En este proceso se emplea un catalizador en forma de partículas esféricas
pequeñas, constituido por zeolita, el cual se fluidiza con vapor para convertir el gasóleo
que proviene de la torre de destilación al vacío en naftas que servirán como materia prima
para producir gasolina de alto octanaje y gas licuado de petróleo GLP. (Enríquez, &
Salazar, 2004).
La actividad del catalizador va disminuyendo gradualmente con el tiempo de operación,
debido a su desactivación por efectos mecánicos, hidrotérmicos y a la deposición de
compuestos en la superficie que ocurren durante los ciclos de craqueo y regeneración. En
la Refinería Esmeraldas, se estima que diariamente se producen 2 toneladas/día de
catalizador residual que es almacenado en tolvas a la espera de su posterior tratamiento.
El Ministerio del Ambiente, en el acuerdo ministerial N° 142, ha catalogado a este
catalizador residual como un desecho tóxico y peligroso, por su contenido de C, Cr, Ni,
Pb, Pt, S, V, entre otros, por lo que constituye un alto riesgo ambiental. Esto representa
un problema para la empresa refinadora de petróleo ya que estos residuos no se pueden
reutilizar en ningún proceso posterior, y actualmente son retornados a sus proveedores,
en Ecuador se está buscando continuamente la posibilidad de reutilizar éste catalizador.
Por otro lado, las emisiones gaseosas producidas por el sector industrial desde fuentes
fijas de combustión ya sean calderos, hornos o generadores eléctricos están ocasionando
impactos negativos sobre la salud cuando la concentración de gases contaminantes en la
atmósfera alcanza niveles significativos, es por esta razón que se han convertido en un
objeto muy importante de estudio.
Contreras, Vázquez, & Llanos, 2015, mencionan que, para la reducción de contaminantes
gaseosos provenientes de fuentes fijas se han empleado catalizadores soportados en un
metal noble o zeolitas.
2
Al ser el catalizador residual un problema para la empresa refinadora y bajo la posibilidad
que genere contaminación, el presente estudio busca comprobar si el catalizador residual
mencionado anteriormente mantiene sus propiedades adsorbentes, que permitan retener a
los gases contaminantes emitidos a través de la chimenea del generador eléctrico de una
empresa farmacéutica.
Con estos antecedentes, se plantearon tres objetivos para la presente investigación. El
primero correspondiente al estudio de las propiedades adsorbentes del catalizador
residual de la Unidad de Craqueo Catalítico Fluidizado de la Refinería Esmeraldas. El
segundo, relacionado con el diseño y construcción de un filtro que se adapte a las
condiciones de operación de la chimenea, y, por último, la determinación de la capacidad
adsorbente del filtro.
Para cumplir con lo antes mencionado, se dividió el trabajo en tres etapas: la primera,
correspondiente a la caracterización física del catalizador residual; la segunda,
relacionada al diseño, construcción y adaptación del filtro, y la última, correspondiente al
monitoreo de los gases de combustión luego de atravesar el filtro. Se utilizaron
herramientas estadísticas que permitieron encontrar la mejor condición de operación del
filtro en términos de masa.
Como producto de ésta investigación se pudo evidenciar que la incorporación del filtro a
la chimenea presentó resultados positivos puesto que permitió reducir la carga
contaminante del monóxido de carbono y de los óxidos de nitrógeno.
3
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Catalizador
Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción, el catalizador
generalmente modifica una velocidad de reacción promoviendo una ruta molecular
distinta ("mecanismo") para la reacción.
El desarrollo y uso de catalizadores es extremadamente importante en la búsqueda de
nuevos métodos para aumentar el rendimiento de los productos y la selectividad de las
reacciones químicas, modificando únicamente la velocidad de una reacción, pero sin
afectar su equilibrio termodinámico (Fogler, 2008).
1.2. Unidad de Craqueo Catalítico Fluidizado FCC.
El craqueo catalítico fluidizado (FCC) es el proceso de refinación más importante del
mundo que tiene como objetivo principal convertir hidrocarburos pesados en productos
líquidos más valiosos. En este proceso se emplea un catalizador en forma de partículas
esféricas muy pequeñas, constituido por zeolita, que se encarga de que las reacciones de
craqueo se lleven a cabo a temperaturas y presiones bajas, este catalizador se fluidiza con
vapor para convertir el gasóleo que proviene de la torre de destilación al vacío en naftas,
que servirán como materia prima, para producir gasolinas de alto octanaje y gases que
serán tratados para obtener gas licuado de petróleo (GLP) (Enríquez & Salazar, 2004).
Estos catalizadores requieren ser reemplazados después de 2 o 3 años de funcionamiento.
A nivel mundial se estima que las unidades FCC generan alrededor de 400000 toneladas
de catalizador residual. La eliminación inadecuada de estos residuos peligrosos puede
causar problemas ambientales debido a su contenido de metales como el platino,
molibdeno, níquel, vanadio, entre otros (Aung & Ting, 2005; Barrera & Managón, 2015).
4
1.2.1. Zeolitas. Las zeolitas son aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos que al
deshidratarse desarrollan un cristal ideal. Es una estructura porosa con diámetros de poro
comprendido entre 3 y 10 angstrom (Bosch & Schifter, 1997).
La zeolita se puede conceptualizar como un tamiz molecular que tiene una estructura de
red bien definida. Sus componentes básicos son tetraedros (pirámides) de sílice y alúmina.
Cada tetraedro (Figura 1) consiste de un átomo de silicio o de aluminio en el centro del
tetraedro, con átomos de oxígeno en las cuatro esquinas.
Las rejillas de zeolita tienen una red de poros muy pequeños. El diámetro del poro de casi
todos los catalizadores de zeolita es de aproximadamente 8,0 Ångströms.
Figura 1. Tetraedro de silicio / aluminio – oxígeno (Bosch, P & Schifter, I. 1997, p.
5)
La zeolita es el componente clave del catalizador FCC, y su rendimiento depende en gran
medida de la naturaleza y calidad de la zeolita.
Existen varios tipos de zeolitas; sin embargo, la zeolita tipo Y es la más importante y
usada en el FCC. Entre sus características principales se tienen: alta selectividad y
actividad, mayor grado de estabilidad hidrotérmica, presencia de sitios activos más
fuertes, estas propiedades permiten obtener mayor octanaje en la gasolina con menor
cantidad de coque (Sadeghbeigi, 2000).
Las zeolitas pueden adsorber partículas contaminantes de moléculas de tamaño más
pequeño que el de sus poros, para esto se trabaja con zeolitas hidrofóbicas (afinidad por
los compuestos orgánicos, con poca o ninguna afinidad por el agua) que deben ser
5
sintetizadas, tienen características no inflamables y son térmicamente estables. La
estabilidad térmica y la hidrofobicidad de las zeolitas se incrementan con la relación
Si/Al. Generalmente, entre mayor sea la razón de Si/Al, más hidrofóbica es la zeolita. Es
decir, las zeolitas con alto contenido de silicio son de carácter inherentemente
hidrofóbico. Gracias a esta propiedad, las zeolitas se utilizan para eliminar agua y dióxido
de carbono de las corrientes gaseosas (Carballo, 2002; Khan & Ghoshal, 2000).
1.2.2. Catalizador residual. Los metales pesados presentes en la carga de gasóleo son
considerados como agentes contaminantes que envenenan el catalizador. Éstos se
depositan en la superficie del catalizador durante las reacciones de craqueo, afectando sus
propiedades catalíticas: actividad y selectividad. Los principales contaminantes metálicos
acumulados en el catalizador son vanadio, níquel y sodio. El vanadio tiene una fuerte
tendencia destructiva hacia la zeolita. El sodio envenena el catalizador, causando la
neutralización de los sitios ácidos y la destrucción de la zeolita. El níquel provoca
reacciones de deshidrogenación no deseadas que producen hidrógeno y coque, el mismo
que desactiva el catalizador reduciendo la superficie activa y bloqueando los poros
(Magee, J. & Mitchell, M, 1993).
Mediante la quema del coque, la actividad del catalizador es restablecida, liberando los
poros que dan acceso a los sitios ácidos. Sin embargo, la actividad catalítica de estos
materiales es limitada y deben ser reemplazados por catalizadores nuevos, debido a que
se produce una desactivación de los mismos. Como consecuencia de esto, se generan
enormes cantidades de catalizador residual, lo que conlleva a un problema ambiental,
puesto que no se tiene un método apropiado para su disposición final (Khang, S., &
Mosby, J. 2006).
Las variables que a menudo se utilizan para caracterizar al catalizador residual son las
siguientes:
Área específica o superficial y volumen de poro. El área específica es el área de
contacto disponible ofrecida por el catalizador de carga, que es igual a la suma del
área específica de la zeolita con el área específica de la matriz.
Se la expresa como área superficial por unidad de masa [m2/g], es decir, representa
el área en m2 que es alcanzada por un gramo de catalizador. También se suele
expresar como el área superficial para el volumen [m2/m3]. El área superficial en el
6
caso de catalizadores depende del contenido de zeolita y de alúmina activa en la
matriz, El catalizador virgen debe tener un área específica entre 200 y 400 m2/g
(Mitchell, M., Hoffman, J., & Moore, H. 2003).
El Volumen de poro representa el volumen interno o volumen hueco por unidad de
masa del sólido. Se determina midiendo el volumen de fluido que penetra en el
interior de los poros de una determinada cantidad de catalizador, donde, la unidad de
medida es cm3/g. El catalizador con volumen poral más tiene tendencia a regenerarse
con mayor facilidad. El catalizador virgen debe tener un volumen de poro de 0,10
cm3/g.
En 1938, Brunauer, Emmett y Teller, desarrollaron un método experimental
fundamentado en la adsorción de gases en el sólido en multicapas a temperaturas
cercanas al punto de ebullición del gas, para la determinación del área superficial del
catalizador. En este método, se emplean moléculas simples no polares, siendo el
procedimiento más utilizado la adsorción física del nitrógeno a bajas temperaturas,
donde cada molécula tiene un área de cobertura de 16.2 Å y el punto de ebullición es
de -196 °C.
A medida que aumenta la presión, el gas se condensa primero en los poros con las
dimensiones más pequeñas. La presión se incrementa hasta que se alcanza la
saturación, momento en el que todos los poros se llenan de líquido. La presión del
gas de adsorción se reduce gradualmente, evaporando el gas condensado del sistema.
A partir de esta información se pueden evaluar las isotermas de adsorción, desorción
y la histéresis entre ellas revelan información sobre el tamaño, volumen y área
(Mitchell, M., Hoffman, J., & Moore, H. 2003).
Densidad volumétrica aparente. Es la medida de la masa por unidad de volumen
de catalizador, es medida en gramos por centímetro cúbico (g/cm3). Se lo conoce
como aparente debido a las características de porosidad del sólido. Depende mucho
de la formulación del catalizador y de su proceso de fabricación. A mayor contenido
de zeolita el catalizador es menos denso.
La densidad volumétrica aparente es obtenida en laboratorio mediante un
procedimiento de la empresa AKZO, midiéndose la masa de un determinado
volumen de catalizador, colocado libremente en un recipiente, sin ninguna otra
fuerza, además de su propio peso. Esta densidad considera los espacios entre las
7
partículas, siendo por tanto menor que la densidad de la propia partícula (AKZO
K.T.M. 11804, 1983).
Tamaños de las partículas. Es un método de medición de tamaño de partículas
sólidas, el cual se basa en el análisis dinámico de imágenes, donde la muestra a granel
pasa por el área de medición entre la fuente de luz y dos cámaras que registran a gran
velocidad imágenes de las partículas, permitiendo caracterizar sin dificultad sólidos
secos con un tamaño de grano entre 20 µm y 30 mm. Estas imágenes son
posteriormente digitalizadas y procesadas en un ordenador (CAMSIZER® P4, 2014).
Distribución de las partículas. El esquema de Geldart (1973) categoriza y distingue
las partículas en 4 diferentes grupos y subgrupos no bien definidos y difusos entre sí,
en los que la transición de un grupo a otro no es directa sino progresiva.
Grupo A. Partículas de baja densidad (menores a 1400 kg/m3) y de diámetro
promedio en el rango de tamaño de 20 – 100 μm.
Grupo B. Partículas con un diámetro promedio de entre 40 – 500 μm y un rango de
densidad de 1400 – 4000 kg/m3.
Grupo C. Partículas pequeñas con un tamaño menor a 30 μm, para las cuales el efecto
entre las partículas es significativo.
Grupo D. Partículas grandes mayores a 600 μm y partículas densas.
Los catalizadores frescos en su mayoría tienen un tamaño de partícula en el rango de
40 – 150 µm (Sadeghbeigi., R. 2000).
Análisis elemental. El análisis elemental es una técnica que proporciona el contenido
total de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre presente en un amplio rango de
muestras de naturaleza orgánica e inorgánica, tanto sólidas como líquidas. La técnica
está basada en la completa e instantánea oxidación de la muestra mediante una
combustión con oxígeno puro a una temperatura aproximada de 1150ºC. Los
diferentes productos de combustión CO2, H2O y N2 son transportados mediante el
gas portador (He) a través de un tubo de reducción y después selectivamente
separados en columnas específicas para ser luego desorbidos térmicamente.
Finalmente, los gases pasan de forma separada por un detector de conductividad
térmica que muestra una señal proporcional a la concentración de cada uno de los
componentes individuales de la mezcla.
8
1.3. Adsorción
La adsorción es un proceso exotérmico, mediante el cual un sólido poroso es capaz de
retener partículas, átomos, iones o moléculas en la superficie activa de sustancias sólidas,
llamadas tamices moleculares (Arredondo, 2002).
1.3.1. Tamices moleculares. Son materiales que contienen poros pequeños de un
tamaño preciso y uniforme, que se usan como agentes adsorbentes para gases y líquidos.
Las moléculas que son lo suficientemente pequeñas para pasar a través de los poros son
adsorbidas, mientras que las moléculas de mayor tamaño no.
Consisten de minerales de aluminosilicatos, arcillas, vidrios porosos, carbones
microporosos, zeolitas, carbón activado o compuestos sintetizados que tienen estructuras
abiertas a través de las cuales pueden difundir moléculas pequeñas, como las del agua o
nitrógeno.
Una de las aplicaciones más importantes de estos materiales es la separación de N2 y O2
del aire, la purificación de gas natural, obtención de CH4 de mezclas de gases,
recuperación de H2 de gases de reformado del petróleo y separación/recuperación de
gases a partir de biogás. Los principales componentes que se separan en este tipo de
aplicaciones son: CO2, CH4, H2, N2, CO y H2S.
En todos los casos, el objetivo que se persigue es maximizar la capacidad de adsorción a
la vez que se mantiene un control del tamaño de los poros dentro de unos límites muy
estrictos (Duque, 2012).
1.4. Flujo de fluidos por medios porosos
El flujo de fluidos a través de lechos de partículas sólidas aparece en numerosos procesos
técnicos. Así, en operaciones de filtración, las partículas sólidas se depositan en un medio
filtrante y el fluido pasa a través de la masa filtrante depositada. En otros procesos, como
la adsorción, el fluido se mueve a través de un lecho de partículas sólidas, que no suelen
cambiar sus características. (Ibarz & Barbosa, 2005).
9
En el flujo de fluido por medios porosos tienen incidencia principalmente las siguientes
variables:
Porosidad. El lecho de partículas no es compacto, sino que existen zonas libres de
partículas, definiéndose la porosidad del lecho (𝜀) como la fracción en volumen del
lecho no ocupado por el material sólido.
Es fácil observar que cuando la porosidad aumenta, el flujo a través del lecho es
mejor. En el estudio de flujo de fluidos por medios porosos, se supone que las
partículas están dispuestas azar, de forma que en el interior del lecho se forman unos
canales por los que circula el fluido. (Ibarz & Barbosa, 2005).
Tamaño de partículas y altura del lecho. Las partículas permiten el paso tortuoso
del fluido sin separarse una de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga
constante y a su vez la fracción de vacío en el lecho (porosidad). En esta etapa el
fluido experimenta la mayor caída de presión del proceso. (Ibarz & Barbosa, 2005).
Velocidad. En el caso de un medio poroso, el fluido circula a través de canales
pequeños y tortuosos, perdiendo energía lo cual se manifiesta en una disminución de
la presión del fluido. Existen varias expresiones para determinar la pérdida de presión
a través de un lecho empacado. La expresión más utilizada para correlacionar la caída
de presión con las variables anteriormente mencionadas es la ecuación de Ergun.
∆𝑃
𝐿= 150
𝜇.𝜗
𝐷𝑝2
(1−𝜀)2
𝜀3 + 1,75
𝜗 2.𝜌
𝐷𝑝 (1−𝜀)
𝜀3 (1)
Donde:
ΔP = Caída de presión provocada por el lecho (kPa)
ε = Porosidad o fracción de huecos, generalmente entre 0,35 < ε < 0,70
L = Altura del lecho (m)
µ = Viscosidad dinámica del fluido (kg/m.s)
𝜗 = Velocidad superficial del fluido (m/s), es la velocidad en el ducto vacío
Dp =Diámetro de partículas en el lecho (m).
ρ = Densidad del gas (kg/m3).
10
Para fluidos que circulan a través de un lecho relleno de sólidos el número
característico de Reynolds se define como:
𝑅𝑒𝑃 =𝐷𝑝.𝜗.𝜌
𝜇 (2)
Según los valores del número de Reynolds:
Cuando 𝑅𝑒𝑃 < 20: Domina el término 1, el flujo es Laminar
Cuando 𝑅𝑒𝑃 > 1000: Domina el término 2, el flujo es Turbulento
(Fogler, H. 2008; Levespiel, O. 1993).
1.5. Fuentes fijas de combustión
Es aquella instalación o conjunto de instalaciones, que tiene como finalidad desarrollar
operaciones o procesos industriales, comerciales o de servicios, y puede emitir
contaminantes al aire debido al proceso de combustión, desde un lugar fijo o inamovible
(Ministerio del Ambiente, 2015). Generalmente la fuente fija está acoplada a una
chimenea, que es un conducto que facilita el transporte hacia la atmósfera de los productos
de combustión generados en la fuente fija.
Según la Ordenanza Municipal 138, Norma Técnica para emisiones a la atmósfera de
fuentes fijas de combustión, en el Distrito Metropolitano de Quito (DMMQ) se designan
como fuentes fijas de combustión significativas, todas aquellas que utilizan combustibles
fósiles sólidos, líquidos, gaseosos, o cualquiera de sus combinaciones, y cuya potencia
calorífica sea igual o mayor a 111855 W, equivalentes a 150 hp. En el caso de generadores
eléctricos, se catalogan como fuentes significativas si su uso es de más de 60 horas por
semestre. Esta misma normativa establece frecuencias de monitoreos y define los valores
límites permisibles en cuanto a las concentraciones de los gases contaminantes emitidos
por estas fuentes fijas.
1.5.1. Generadores eléctricos. Son aparatos que convierten la energía mecánica en
energía eléctrica. La energía mecánica, a su vez, se produce a partir de la energía química
contenida en varios tipos de combustible. Uno de los combustibles comúnmente
empleados es el diésel, ya que a diferencia de la gasolina, al quemarse no tiene riesgo de
explosión.
11
Debido a la elevada potencia, se utilizan los denominados grupos electrógenos que son
máquinas compuestas de un motor de combustión interna (usualmente un motor de diésel)
y un generador eléctrico (usualmente un alternador). El objetivo del grupo electrógeno es
poder generar una corriente eléctrica que abastezca la demanda de una instalación o un
edificio (Rivera G. , 2016).
1.5.2. Emisiones gaseosas en generadores a diésel. También conocidos como gases de
diésel, estas emisiones se componen de una mezcla compleja de gases y de partículas de
diésel (DPM). Sus principales componentes son: monóxido de carbono, dióxido de
carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y hollín (carbón) (De Nerves, N. 1997).
Con relación a los efectos que tienen estos contaminantes, el SO2 en altas concentraciones
ocasiona dificultad para respirar, irritación severa en vías respiratorias y en pulmones. El
CO ocasiona hipoxia (falta de oxígeno), puede afectar al corazón, cerebro, plaquetas y
endotelio de los vasos sanguíneos y los NOx causan irritación pulmonar, bronquitis,
pulmonía. Estos gases contribuyen a la formación del smog fotoquímico, a la lluvia ácida
y al efecto invernadero. En el caso del material particulado (MP) produce irritación de las
vías respiratorias, agrava el asma y favorece las enfermedades cardiovasculares, provoca
efectos corrosivos en materiales metálicos, decoloración de las estructuras de los
edificios.
Para la evaluación del impacto ambiental de los contaminantes, la Air Pollution Control
Association, asignó un factor de efecto o eficiencia a cada contaminante. Un valor alto de
un factor de efecto se corresponde con un impacto negativo superior del contaminante
implicado sobre la totalidad del ambiente. Los factores de efecto de los contaminantes
atmosféricos primarios pueden verse en la Tabla 1. Al (CO) se le ha asignado un de factor
de impacto de 1, puesto que es considerado como el menos tóxico. Al correlacionar la
toxicidad de un contaminante con la del CO, se puede obtener el factor de efecto de aquel
contaminante. Las toxicidades de los contaminantes, se definen en función de los niveles
de tolerancia.
12
Tabla 1. Factores ponderados de contaminantes, basados en las normas españolas
de calidad del aire (Moreno, M. 2003, p. 16)
Contaminante Nivel de Tolerancia, µg/m3 Factor de Efecto
CO 5600 1,0
NOx 250 22,4
HC 45 125,0
SOx 365 15,3
Material Particulado 260 21,5
1.5.3. Norma de emisiones al aire desde fuentes fijas. A nivel de Ecuador existen
normativas que regulan las emisiones, mediante valores máximos permisibles de
concentración de contaminantes en fuentes fijas de combustión, teniendo las siguientes
jerarquías:
TEXTO UNIFICADO DE LEGISLACION SECUNDARIA DEL MINISTERIO
DEL AMBIENTE “TULSMA”, que en su Anexo 3 establece las Normas de
Emisiones al aire desde Fuentes Fijas. (Ver ANEXO A. Tabla A.2).
Ordenanza municipal 138, NORMA TÉCNICA PARA EMISIONES A LA
ATMOSFERA DE FUENTES FIJAS (NT001), Tabla 4, en la cual se detallan los
límites máximos permisibles de emisiones al aire para generadores eléctricos en el
Distrito Metropolitano de Quito.
Esta ordenanza establece que toda fuente fija de combustión que funcione dentro del
Distrito Metropolitano de Quito no podrá emitir al aire cantidades de contaminantes
superiores a las indicadas en la Tabla 2.
Tabla 2. Límites máximos permisibles de emisiones para generadores eléctricos
(Ordenanza Municipal 138, 2016. p. 9).
Contaminante Emitido * Unidades Valores Máximos
Material Particulado mg/m3 150
Óxidos de Nitrógeno mg/m3 2000
Dióxido de Azufre mg/m3 400
Monóxido de Carbono mg/m3 1500
* miligramos por metro cúbico de gas a condiciones normales de 1013 milibares de
presión y temperatura de 0 °C, corregidos a 15% de O2, en base seca.
13
1.6. Depuración de gases de chimenea
Los procesos industriales emiten productos contaminantes a la atmósfera, cuyas
características dependen de la calidad de los combustibles y materias primas empleadas,
del tipo de proceso y de la tecnología que se utiliza. Los principales procesos industriales
de emisión de contaminantes a la atmósfera son las chimeneas de las instalaciones de
combustión para la generación de energía eléctrica y calor industrial.
La producción de energía eléctrica por combustión de combustibles fósiles a altas
temperaturas utilizando aire como comburente, produce gases que contienen óxidos de
nitrógeno (NO y NO2, llamados NOx), óxidos de azufre (SO2) y monóxido de carbono
(CO). Estos gases emitidos a la atmósfera pueden ocasionar daños al ecosistema y son
muy agresivos por su carácter ácido, por ello es necesario controlar las emisiones de estos
gases, a partir de una serie de tratamientos para su eliminación (De Nerves, N. 1997).
1.6.1. Reducción catalítica de los NOx con NH3. La creciente contaminación por los
NOx (NO y NO2) ha impulsado a las naciones más avanzadas industrialmente a limitar
las emisiones por fuentes fijas.
Para el control de las emisiones de NOx, se utilizan técnicas que pueden agruparse en dos
tipos principales:
Técnicas de control de la combustión, denominadas “primarias” por las que se actúa
sobre el quemador o sobre la cámara de combustión, para reducir la formación de
NOx en el caldero.
Técnicas de tratamiento de los gases de combustión o también denominadas
“secundarias” que, a su vez, pueden efectuarse en húmedo o en seco.
Entre las técnicas de tratamiento de los gases de combustión, la más utilizada, por su
elevada eficacia y selectividad es la reducción catalítica selectiva (SCR) de los NOx,
utilizando como agente reductor amoníaco en presencia de un catalizador a base de óxidos
metálicos, debido a que presenta una mayor resistencia al envenenamiento por azufre.
Este método se basa en reducir los NOx mediante la obtención de nitrógeno y agua como
productos finales (Nerea, Melón , & Sánchez, 2000).
14
1.6.2. Procesos de adsorción. Los procesos de adsorción se realizan con equipos en los
cuales los gases o vapores contaminantes son retenidos sobre la superficie de un medio
poroso, a través del cual fluye el gas. Los sólidos más adecuados para la adsorción son
los que presentan elevada porosidad y gran área superficial para facilitar el contacto
sólido-gas como son la bauxita, carbón activado, alúmina activada, tamices moleculares,
zeolitas, sílica gel (De Nerves, N. 1997).
Los equipos consisten en recipientes metálicos, en cuyo interior se dispone de un lecho
con un material adsorbente de entre 1 y 9 m de profundidad, a través del cual las emisiones
contaminantes que se adsorben pasan a una velocidad de 10 m/s. El material adsorbente
saturado puede remplazarse por material nuevo, o recuperarse por medio de calor o vapor.
La eficiencia de un sistema de adsorción sólido-gas depende de varios factores, como son:
el área superficial del adsorbente, la afinidad del adsorbente con el contaminante,
temperatura, presión, tiempo de retención, densidad, presión, concentración del
contaminante y conformación geométrica del lecho o carga de relleno (Glynn & Heinke,
1999; De Nerves, N. 1997; Martín, Melón, & Sánchez, 2000).
1.6.3. Técnicas aplicadas para reducir material particulado (filtros industriales).
El sistema de filtros consiste en hacer pasar una corriente de gases cargados con partículas
de polvo a través de un medio poroso donde queda atrapado el polvo.
El filtro de mangas ha sido uno de los más utilizados durante los últimos años, ya que
pueden tratar grandes volúmenes de gases con altas concentraciones de polvo
consiguiendo rendimientos mayores del 99% independientemente de las características
de gas, haciendo posible la separación de partículas de un tamaño del orden de 0.01 µm.
Conforme pasa el gas, se va haciendo mayor la capa de polvo depositado sobre el material
filtrante que colabora en el proceso de retención de partículas de polvo, aumentando la
resistencia al flujo y la pérdida de carga, lo que obliga a disponer de mecanismos para la
limpieza automática y periódica del filtro, o a su vez de disponer de otro tipo de material
filtrante o adsorbente (Martín, Melón, & Sánchez, 2000).
15
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
En este capítulo se detallan las diferentes etapas experimentales empleadas para llevar a
cabo la investigación propuesta, en la Figura 2 se describen los procesos realizados.
Catalizador
residual de la
Unidad FCC
Caracterización
física
Catalizador
caracterizado
-Densidad real
-Densidad
aparente
-Tamaño de
partícula
-Volumen de
porro
-Análisis
elemental
Chimenea del generador
eléctrico de los
Laboratorios LIFE
Características y
condiciones de
operación
-Diámetro
interno
-Flujo de gas
seco.
-Altura de la
chimenea.
-Material de
fabricación
Diseño del filtro
Construcción del
filtro
Instalación del filtro
en la chimenea
Pruebas técnicas
Medición de gases
CO, NOx, SO2 y
MP
Figura 2. Etapas experimentales para la caracterización física del catalizador
regenerado y la construcción del filtro.
En el estudio propuesto, las variables principales que se utilizaron son la masa de
catalizador y el tiempo de exposición a los gases de chimenea, teniendo como objetivo
principal la adsorción de los gases contaminantes emitidos por la fuente fija utilizada.
Para la realización de la parte experimental, en primera instancia se tomaron muestras
representativas del catalizador residual de la Unidad FCC de la Refinería Esmeraldas en
dos fechas diferentes. Las muestras fueron analizadas en el laboratorio de catálisis de la
Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Central del Ecuador, en donde se
procedió a la caracterización física del catalizador residual.
16
Posteriormente en Laboratorios Industriales Farmacéuticos Ecuatorianos “LIFE” se
realizó el diseño y construcción del filtro de acuerdo a las condiciones de operación de la
chimenea, para posteriormente realizar las pruebas técnicas en un generador eléctrico
marca Caterpillar que utiliza como combustible diésel, el mismo que tiene una chimenea
por la cual se emiten gases contaminantes a la atmósfera.
En la tabla 3, se presentan las características de la fuente fija de combustión objeto de
estudio que de acuerdo a la normativa se considera una fuente significativa que está
obligada a programas de monitoreo ambiental:
Tabla 3. Identificación de la fuente fija (Rivera G. , 2016).
Tipo de
Maquinaria Marca Modelo Potencia Combustible
Generador 1 Caterpillar
D348 620 kW Diésel M59BH7101
2.1. Diseño experimental
Para el diseño experimental se dividió el trabajo en tres etapas. La primera
correspondiente a la caracterización física del catalizador residual de la Unidad FCC, la
segunda etapa relacionada con el diseño del filtro, que se construyó de tal manera que se
adaptó a las condiciones de operación de la chimenea, y la tercera correspondiente a las
mediciones realizadas en la chimenea. En esta etapa se analizó la incidencia de dos
variables independientes: la masa de catalizador residual y el tiempo de exposición; sobre
la concentración de los gases contaminantes al pasar por el filtro (variable dependiente).
2.2. Materiales y equipos
Para la construcción del filtro y la caracterización del catalizador residual se utilizaron
los siguientes materiales:
Vasos de Precipitación V= 100 ml A± 10 ml
Probeta V= 10 ml A± 0,2 ml
17
Picnómetro V= 25 ml
Balanza analítica R= (0-220) g A± 0,0001 g
Plancha de acero inoxidable 304 mate de 2 mm de espesor.
1 m2 de malla de acero inoxidable de 45 μm de abertura.
36 pernos en acero inoxidable de ¼ por 1 pulgada.
1 compás de punta metálica.
Flexómetro R= 50 m A ± 1 mm
Suelda TIG (Tungsten Inert Gas)
Silicón rojo de temperatura PERMATEX
Analizador de Tamaño de partícula Marca: Retsch Technology
Modelo: CAMSIZER
Equipo de Área Superficial Marca: Horiba
Modelo: SA-9600
Equipo de Análisis Elemental Modelo: ELEMENTAR
Estufa Marca: Nabertherm
Rango= 30-3000 ˚C A ± 1 ˚C
Generador Eléctrico Marca: CATERPILLAR
Modelo: D348
Tren isocinético para la medición de Material Particulado
Analizador de gases TESTO
2.3. Sustancias y reactivos
Agua destilada H2O (L)
Catalizador Residual de la Unidad FCC
18
2.4. Procedimientos
2.4.1. Caracterización del catalizador residual de la Unidad FCC. La muestra fue
recolectada de contenedores ubicados en el galpón de desechos de la Refinería
Esmeraldas, luego trasladada al laboratorio de catálisis de la Facultad de Ingeniería
Química de la Universidad Central del Ecuador para proceder a su respectiva
caracterización, se realizaron los siguientes análisis:
Densidad aparente del catalizador residual
Para determinar la densidad aparente, se utilizó una probeta de 10 ml. Utilizando una
balanza analítica, se pesó la probeta vacía. Posteriormente, se colocó una cantidad de
catalizador residual hasta alcanzar un volumen de 6 ml. Se registró su masa y se
dividió para el volumen alcanzado, obteniendo de esta manera la densidad aparente.
Densidad real del catalizador residual
Para la determinación de la densidad real, se utilizó el método del picnómetro. En
una balanza analítica se tomaron los pesos de las siguientes muestras: Picnómetro
vacío(W1) y picnómetro con agua destilada (W2). Luego se pesó 1 g de catalizador
residual (W3). y por último se introdujo el catalizador residual en el picnómetro con
agua (W4). Los valores se registraron en una tabla y se realizaron los cálculos
correspondientes para determinar la densidad real del catalizador residual.
Contenido de Azufre, Carbono, Hidrógeno y Nitrógeno
Para este ensayo se utilizó el equipo de Análisis Elemental ELEMENTAR, el mismo
que posee un software llamado Vario MACRO que proporciona los porcentajes
elementales de N, C, S, H que contiene el catalizador residual. La técnica de análisis
se basa en la combustión completa e instantánea de la muestra a 1150 °C, empleando
oxígeno y helio como gas de arrastre. Las sustancias son convertidas a fase gas (N2,
NxOy, CO2, H2O, SO2, SO3) y después de la reducción se convierten en N2, CO2, H2O
y CO2. Estos gases se separan en una columna cromatográfica y se analizan en un
detector de conductividad térmica. El porcentaje de cada elemento se calcula a través
de una curva de calibración, considerando el peso inicial de la muestra.
En primera instancia se prepararon seis muestras en blanco, pesando 10 mg de
sulfanilamida con una pequeña cantidad de Tungsteno, se las colocó desde la cuarta
19
hasta la novena posición, ya que las tres primeras deben estar vacías para estabilizar
el equipo, posteriormente se prepararon tres muestras con el catalizador residual,
pesando de igual manera 10 mg de catalizador con Tungsteno. Se colocaron en las
posiciones correspondientes y se esperó a que el programa arroje los resultados.
Tamaño de partícula del catalizador residual
Para este ensayo se utilizó el equipo Analizador de Tamaño de Partícula
(CAMSIZER) que se basa en el análisis dinámico de imágenes, donde la muestra a
granel pasa por el área de medición entre la fuente de luz y dos cámaras que registran
a gran velocidad imágenes de las partículas, permitiendo caracterizar sin dificultad
sólidos secos con un tamaño de grano de 20 µm a 30 mm. Las imágenes son
posteriormente digitalizadas y procesadas en el ordenador conectado al equipo.
Se colocó una pequeña muestra de catalizador residual en la tolva del equipo. Se
programó el software y se comenzó con la toma de datos.
Área específica o superficial y el volumen de poro del catalizador residual
Para este ensayo se utilizó el equipo de isotermas de adsorción BET (HORIBA) que
se fundamenta en la adsorción de gases en el sólido en multicapas a una temperatura
muy cercana al punto de ebullición del gas. En una balanza analítica, se pesaron dos
celdas y 0,15 g de catalizador residual, se introdujo el catalizador en las dos celdas,
se ubicaron las celdas en la estación de preparación de muestras del equipo, para
continuar con el proceso de secado y así eliminar la humedad y otras impurezas que
estuvieron presentes en la muestra, calentándola por dos horas a 300 ˚C. Se Llenó
2/3 del frasco de Dewar con nitrógeno líquido para enfriar la muestra. Una vez
terminado el proceso de preparación, se colocaron las celdas con las muestras en la
estación de medición, finalmente se programó el equipo y se registró los valores de
área superficial generado por el equipo en m2/celda.
2.4.2. Construcción del filtro. Para el diseño del filtro, se recopiló información
disponible sobre las condiciones de operación de la chimenea durante el funcionamiento
del generador. Entre los datos obtenidos están: flujo de gas, presión, temperatura y
diámetro interno, (información proporcionada por el laboratorio LABIOTEC S.A.
correspondiente a junio 2016, ver tabla 12). Adicionalmente se recopiló información
20
sobre los tiempos de funcionamiento del generador, que fueron obtenidos de las bitácoras
donde se detallaba fecha, tiempo de operación y motivo de encendido.
Para el diseño del filtro, se planteó un recipiente cilíndrico de acero inoxidable de idéntico
diámetro interior al de la chimenea que se acoplaría a la misma. Para contener al
catalizador, se emplearían mallas circulares en la parte superior e inferior. Con los datos
de tamaño de partícula del catalizador residual, se seleccionó una malla de acero
inoxidable con abertura de 45 µm y que soporte altas temperaturas. Con esta abertura de
malla, se redujo al mínimo la probabilidad de fuga de catalizador por efecto del flujo.
Una vez conocidas las condiciones de operación, se diseñó un primer modelo de filtro
(ver Figura 3), que consistió en instalar en el interior del contenedor una platina en forma
de espiral del mismo material con el propósito de conseguir una distribución homogénea
del catalizador residual. Al colocar una cierta masa de catalizador e instalar el filtro en la
chimenea se hizo una prueba con el generador encendido y se evidenció que el diseño no
fue acertado, ya que se produjo un taponamiento en la chimenea y no permitir el libre
flujo de los gases. En el Anexo B se puede apreciar las etapas de construcción del primer
modelo.
Figura 3. Modelo preliminar del filtro
Con esta experiencia previa, se diseñó otro filtro que evite el taponamiento en la chimenea
y que permita el libre flujo de gases logrando un adecuado contacto entre el catalizador y
los gases de combustión (Ver Anexo B).
21
Para permitir el libre flujo de los gases se diseñaron unos contenedores en forma de
segmento circular de diferentes alturas, que permitieron variar la cantidad de catalizador
residual en cada contenedor. Los contenedores fueron separados unos de otros por 1 cm
de distancia y se soportaron en un recipiente cilíndrico.
Para la construcción del filtro, se procedió de la siguiente manera:
Se midió el perímetro interno y externo de la chimenea del generador eléctrico con
un flexómetro.
Utilizando técnicas metalmecánicas adecuadas se procedió a construir 6
contenedores de acero inoxidable con las medidas establecidas en la Figura 4
Figura 4. Contenedor con forma de segmento circular
Para minimizar las posibles fugas de catalizador por las soldaduras de los
contenedores se utilizó sello rojo de temperatura.
Se construyeron contenedores con alturas diferentes, lo que permitió variar la
cantidad de catalizador residual que se utilizó en cada medición de gases.
De los seis contenedores, se emplearon tres combinaciones para las seis primeras
mediciones de gases y cuatro combinaciones para las tres restantes.
De igual manera se construyó un recipiente cilíndrico de acero inoxidable con las
mismas medidas de diámetro interno y externo de la chimenea, en el cual se ubicaron
los contenedores en forma intercalada, similar a cómo se ubican los platos en una
columna de destilación (ver Figura 5).
22
Figura 5. Recipiente cilíndrico de acero inoxidable en el cual se ubicaron los
contenedores en forma intercalada.
Con la ayuda de bridas, el recipiente cilíndrico con los contenedores se adaptó en la
chimenea del generador de forma segura para evitar algún tipo de accidente (ver
Figura 6). En el Anexo E se muestra el reporte fotográfico de la instalación del filtro
en la chimenea.
Figura 6. Recipiente cilíndrico acoplado en la chimenea.
Una vez acoplado el filtro en la chimenea se realizaron mediciones de gases con el
generador encendido para verificar el efecto del filtro en la disminución de carga
contaminante. Cabe recalcar que los monitoreos se realizaron con el generador
encendido sin carga, es decir que no estuvo conectado a la planta de producción.
2.4.3. Medición de gases. El monitoreo de los gases de combustión lo realizó
LABIOTEC S.A., que es un laboratorio de ensayos acreditado por el Servicio de
Acreditación Ecuatoriano para la medición de gases contaminantes. Las evidencias del
monitoreo se encuentra en el (Anexo F) y los informes de los resultados en el Anexo G.
23
Para tener una línea base de referencia, se realizó un monitoreo de gases sin el filtro, para
posteriormente acoplar el filtro en la chimenea con masas diferentes de catalizador y
realizar las mediciones de gases de combustión, de acuerdo con el siguiente diseño
experimental que se muestra en la figura 7:
Figura 7. Diseño Experimental
Donde:
t= Son los diferentes tiempos en que se determinó la concentración y la caída de presión
C= Son las concentraciones de los gases de combustión obtenidas en los diferentes
ensayos.
Los monitoreos fueron realizados con las características señaladas en la tabla 4:
Tabla 4. Características de los monitoreos realizados al generador eléctrico
Monitoreo
Masa de
catalizador
residual, g
Fecha de
Monitoreo Hora de inicio
Hora de
culminación
Inicial ---- 29-12-2016 08:05 09:05
1 1500 29-12-2016 14:41 16:04
2 2700 14-01-2016 14:22 15:40
3 3500 28-01-2016 13:52 15:15
24
Para cada masa de catalizador se realizaron 3 mediciones a tiempos diferentes. Al
terminar estas 3 mediciones, se desinstaló el filtro de la chimenea para registrar la
cantidad de catalizador sobrante en los contenedores, y de esta manera poder determinar
el porcentaje de pérdidas del mismo. El catalizador luego de utilizarse en el filtro fue
sometido a un análisis de composición elemental para determinar si se produjo algún
cambio.
25
3. DATOS EXPERIMENTALES
3.1. Caracterización física del catalizador residual de la Unidad de FCC
Se realizaron ensayos de caracterización física a dos muestras de catalizador residual
obtenidas en fechas diferentes. Los ensayos de caracterización fueron los siguientes:
Densidad aparente.
Densidad real.
Área superficial y volumen de poro.
Análisis elemental
Para la determinación de la densidad real, densidad aparente y el análisis elemental se
realizaron tres réplicas para tener una mejor precisión en cuanto a la variable a cuantificar.
En las tablas 5, 6 y 7 se presentan los datos experimentales para obtener la densidad
aparente, densidad real, el área superficial y volumen de poro del catalizador residual de
la Unidad FCC respectivamente:
Tabla 5. Datos experimentales para obtener la densidad aparente del catalizador
residual de la Unidad FCC
Catalizador Residual Réplica Masa Volumen
g ml
Muestra 1
1 5,1502 6,00
2 5,1840 6,10
3 5,1845 6,20
Muestra 2
1 5,0752 6,00
2 5,3099 6,00
3 5,0880 6,00
26
Tabla 6. Datos experimentales para obtener la densidad real del catalizador residual
de la Unidad FCC
Catalizador
Residual Réplica W1, g W2, g W3, g W4, g
Muestra 1
1 20,3768 45,2361 1,0036 45,8571
2 20,3765 45,2515 1,0050 45,8556
3 20,3768 45,2475 1,0055 45,8613
Muestra 2
1 20,3763 45,2504 1,0074 45,8593
2 20,3758 45,2443 1,0089 45,8647
3 20,3762 45,2488 1,0088 45,876
Donde:
W1= Masa del picnómetro vacío.
W2= Masa del picnómetro más agua.
W3= Masa de la muestra del catalizador residual.
W4= Masa del picnómetro con agua y catalizador residual.
Tabla 7. Datos experimentales del área superficial y el volumen de poro del
catalizador residual de la Unidad FCC
Catalizador
Residual P1 P2 P3
Área
superficial
Volumen de
poro
g g g m2/celda ml/celda
Muestra 1 10,2102 10,3655 10,3616 25,34 0,01728
Muestra 2 10,2014 10,3558 10,3525 24,85 0,01712
Donde:
P1= Masa de la celda vacía.
P2= Masa de la celda con la muestra.
P3= Masa de la celda con la muestra, una vez que fue preparada en el equipo a 300
˚C por 2 horas.
P4= Cantidad de muestra colocada en la celda.
27
En las tablas 8 y 9 se muestran los ensayos de análisis elemental para el catalizador
residual de la Unidad FCC antes y después de realizar las mediciones de los gases de
combustión.
Tabla 8. Análisis elemental del catalizador residual de la Unidad FCC antes de la
medición de gases.
Catalizador Residual Réplicas %N %C %H %S
Muestra 1
1 0,060 0,230 0,027 0,522
2 0,060 0,150 0,000 0,346
3 0,050 0,120 0,000 0,298
Muestra 2
1 0,020 0,100 0,000 0,232
2 0,020 0,090 0,000 0,221
3 0,030 0,090 0,000 0,229
Tabla 9. Análisis elemental del catalizador residual de la Unidad FCC después de la
medición de gases
Muestras de Catalizador
Residual Réplicas %N %C %H %S
Ensayo 1,
después de 2 horas
1 0,040 0,680 0,208 0,358
2 0,040 0,620 0,103 0,306
3 0,030 0,580 0,058 0,243
Ensayo 2,
después de 2 horas
1 0,040 0,560 0,073 0,256
2 0,020 0,560 0,088 0,264
3 0,040 0,710 0,122 0,225
Ensayo 3,
después de 2 horas
1 0,050 0,440 0,111 0,251
2 0,050 0,490 0,124 0,254
3 0,090 0,540 0,121 0,225
28
En la tabla 10 se muestran dos datos experimentales del monitoreo de los gases de
combustión antes y después de instalar el filtro en la chimenea del generador eléctrico.
Tabla 10. Datos del monitoreo de los gases de combustión antes y después de haber
instalado el filtro
Ensayos MCR
g
t
min
CO
*mg/m3
SO2
*mg/m3
NOx
*mg/m3
MP
*mg/m3
Pabs
mmH2O
T
˚C
Flujo
m3/h
Inicial --- 75 1374 174 703 574 1,6 165,0 679,6
Ensayo
1 1500
40 650 221 682 --- 0,4 165,0
665,3 80 653 209 671 --- 0,6 165,0
120 658 211 679 190 0,6 150,9
Ensayo
2 2700
40 650 226 652 --- 0,4 179,2
320,7 80 641 224 672 --- 0,6 172,6
120 646 202 686 843 0,6 172,5
Ensayo
3 3500
40 743 194 737 --- 0,8 165,4
317,4 80 779 189 727 --- 1,0 169,7
120 787 175 716 168 1,0 169,3
* miligramos por metro cúbico de gas a condiciones normales de 1013 milibares de
presión y temperatura de 0 °C, corregidos a 15% de O2, en base seca.
Donde:
MCR= Masa del catalizador residual.
t= tiempo de exposición del filtro con los gases de combustión.
T= Temperatura de chimenea.
MP= Material particulado
Pabs= Presión absoluta de chimenea o del ducto.
3.2. Registro de funcionamiento del generador eléctrico Caterpillar
Con el propósito de conocer sobre la frecuencia de operación del generador se recopiló
esta información de la bitácora del equipo, donde además se detalla el motivo por el cual
se puso en funcionamiento el mismo, tal como se describe en la tabla 11.
29
Tabla 11. Registro de funcionamiento del generador eléctrico de junio a diciembre
del 2016
Fecha Tiempo de Motivo
encendido Corte de Mantenimiento
Pruebas de Mediciones
dd/mm/aa min luz funcionamiento de gases
03/06/2016 5 X
10/06/2016 15 X
24/06/2016 5 X
01/07/2016 84 X
07/07/2016 6 X
14/07/2016 9 X
21/07/2016 7 X
29/07/2016 5 X
05/08/2016 5 X
12/08/2016 5 X
19/08/2016 5 X
26/08/2016 5 X
02/09/2016 7 X
09/09/2016 5 X
15/09/2016 5 X
20/09/2016 53 X
27/09/2016 5 X
08/10/2016 5 X
14/10/2016 5 X
20/10/2016 192 X
28/10/2016 6 X
31/10/2016 105 X
05/11/2016 5 X
08/11/2016 61 X
17/11/2016 105 X
25/11/2016 5 X
30/11/2016 28 X
02/12/2016 10 X
08/12/2016 6 X
16/12/2016 5 X
28/12/2016 120 X
07/01/2017 5 X
14/01/2017 263 X
21/01/2017 5 X
28/01/2017 200 X
30
4. CÁLCULOS
4.1. Caracterización física del catalizador residual del Unidad FCC
Para la caracterización de las muestras de catalizador residual, en los ensayos de densidad
real, densidad aparente y análisis elemental, se realizaron tres repeticiones para lograr una
mayor precisión de la variable a cuantificar y posteriormente se obtuvo un valor
promedio. En el caso del área superficial y volumen de poro se trabajó con una sola
réplica. Los cálculos modelo que se detallan a continuación corresponden a la muestra 1.
4.1.1. Cálculo de la densidad aparente del catalizador residual de la Unidad FCC
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 1 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 1
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 1 (3)
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 1 = 5,1502 𝑔
6 𝑚𝑙
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 1 = 0,8584 [𝑔
𝑚𝑙]
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 1+ 𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 2+ 𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 3
3 (4)
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 0,8584
𝑔𝑚𝑙
+ 0,8498 𝑔
𝑚𝑙+ 0,8362
𝑔𝑚𝑙
3
𝜌𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 0,8481 [𝑔
𝑚𝑙]
4.1.2. Cálculo de la densidad real del catalizador residual de la Unidad FCC
(5)
𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 1 =1
1 +(45,2361 − 45,8571)
(2 ∗ 20,3768 + 1,0036 )
𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 1 = 1,0151 [𝑔
𝑚𝑙]
𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 1 =1
1 +(𝑊2 − 𝑊4)
(2𝑊1 + 𝑊3)
31
Donde:
W1= Masa del picnómetro vacío
W2= Masa del picnómetro más agua
W3= Masa de la muestra del catalizador residual
W4= Masa del picnómetro más agua más la muestra de catalizador residual
𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 1+ 𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 2+ 𝜌𝑎𝑟𝑒𝑎𝑙 3
3 (6)
𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1,0151
𝑔𝑚𝑙
+ 1,0147 𝑔
𝑚𝑙+ 1,0149
𝑔𝑚𝑙
3
𝜌𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1,0149 [𝑔
𝑚𝑙]
4.1.3. Cálculo del área superficial del catalizador residual de la Unidad FCC
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 = 𝑃3 − 𝑃1 (7)
Donde:
P1= Masa de la celda vacía.
P3= Masa de la celda con la muestra, una vez que fue preparada en el equipo a 300 ˚C
por 2 horas.
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 = 10,3616 𝑔 − 10,2102 𝑔
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 = 0,1514 𝑔
Á𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = á𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (8)
Á𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =25,34 𝑚2
0,1514 𝑔
Á𝑟𝑒𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 167,8191 [𝑚2
𝑔]
4.1.4. Cálculo del volumen de poro del catalizador residual de la Unidad FCC
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 (9)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜 =0,01728 𝑚𝑙
0,1514 𝑔
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜 = 0,1149 [𝑚𝑙
𝑔]
32
4.1.5. Cálculo del promedio de la composición elemental para el catalizador
residual antes de instalar el filtro en la chimenea
Cálculo modelo para el porcentaje de Carbono en las dos muestras de catalizador
%𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =%𝐶1+%𝐶2+%𝐶3+%𝐶4+%𝐶5+%𝐶6
6 (10)
%𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =0,23 % + 0,15 % + 0,12 % + 0,10 % + 0,09 % + 0,09 %
6
%𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 0,130 %
4.1.6. Cálculo del promedio de la composición elemental para el catalizador
residual después de instalar el filtro en la chimenea
Cálculo modelo para el porcentaje de Carbono en el primer ensayo.
%𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 =%𝐶1+%𝐶2+%𝐶3
3 (11)
%𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 =0,680 % + 0,620 % + 0,580 %
3
%𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 0,627 %
4.1.7. Cálculo del porcentaje de reducción e incremento de la cantidad de Carbono,
Azufre, Nitrógeno e Hidrogeno elementales después de haber instalado el filtro
Cálculo modelo para el porcentaje de incremento de Carbono.
%𝐶𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 100 − (%𝐶𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
%𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙∗ 100) (12)
%𝐶𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 100 − (0,627 %
0,130 %∗ 100)
%𝐶𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 382,05 %
33
4.2. Cálculos del filtro instalado en la chimenea
4.2.1. Cálculo del porcentaje de reducción en la concentración de los gases de
combustión
Cálculo modelo para Monóxido de Carbono en el primer ensayo al tiempo de 40 minutos.
Concentración de CO sin filtro = 1374 [𝑚𝑔
𝑚3]
Concentración de CO con filtro = 650 [𝑚𝑔
𝑚3]
%𝐶𝑂 =𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐶𝑂 𝑐𝑜𝑛 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝐶𝑂 sin 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜∗ 100 (13)
%𝐶𝑂 =650 [
𝑚𝑔𝑚3 ]
1374 [𝑚𝑔𝑚3 ]
∗ 100
%𝐶𝑂 = 47, 31 %
Porcentaje de reducción de carga contaminante de CO = 100 % - 47,31 %
Porcentaje de reducción de carga contaminante de CO = 52,69 %
4.2.2. Cálculo del porcentaje de catalizador residual que se pierde durante el
proceso de medición de gases
Cálculo modelo para la primera medición de gases:
Masa inicial de catalizador residual en el ensayo 1 = 1500 g
Masa final de catalizador residual en el ensayo 1 luego de 2 horas =814 g
Masa del catalizador residual que se perdió en el ensayo 1 =1500 g – 814 g
Masa del catalizador residual que se perdió en el ensayo 1 = 686 g
% 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 = 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖ó 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 1
𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 1∗ 100 (14)
% 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 = 686 𝑔
1500 𝑔∗ 100
% 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 = 45,73 %
34
4.2.3. Cálculo de la presión absoluta del gas en chimenea antes de instalar el filtro
𝑃𝑎𝑏𝑠 1 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 +𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎
13,6 (15)
Donde:
Pabs 1= Presión absoluta de chimenea o del ducto en mm Hg antes de instalar el filtro
Patm = Presión barométrica o atmosférica de la ciudad de Quito en mm Hg
Pestática= Presión estática de chimenea o ducto en mm H2O
𝑃𝑎𝑏𝑠 1 = 549,4 𝑚𝑚 𝐻𝑔 +1,6 𝑚𝑚 𝐻2𝑂
13,6
𝑃𝑎𝑏𝑠 1 = 549,52 𝑚𝑚 𝐻𝑔
4.2.4. Cálculo de la presión absoluta del gas en chimenea después de instalar el
filtro
𝑃𝑎𝑏𝑠 2 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 +𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎
13,6 (16)
Donde:
Pabs 2= Presión absoluta de chimenea o del ducto en mm Hg después de instalar el filtro
𝑃𝑎𝑏𝑠 2 = 549,4 𝑚𝑚 𝐻𝑔 +0,4 𝑚𝑚 𝐻2𝑂
13,6
𝑃𝑎𝑏𝑠 2 = 549,43 𝑚𝑚 𝐻𝑔
4.2.5. Cálculo de la caída de presión absoluta del gas en chimenea
∆𝑃 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 1 − 𝑃𝑎𝑏𝑠 2 (17)
∆𝑃 = 549,52 𝑚𝑚 𝐻𝑔 − 549,43 𝑚𝑚 𝐻𝑔
∆𝑃 = 0,09 𝑚𝑚 𝐻𝑔
4.3. Cálculos de la reducción en la cantidad de monóxido de carbono emitido a la
atmósfera para la condición óptima
4.3.1. Cálculo del flujo de gas seco promedio
𝑄𝑝𝑟𝑜𝑚 =𝑄𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙+𝑄𝐸𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 1+𝑄𝐸𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 2+𝑄𝐸𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜 3
4 (18)
𝑄𝑝𝑟𝑜𝑚 =679,60
𝑚3
ℎ+ 665,30
𝑚3
ℎ+ 320,70
𝑚3
ℎ+ 317,40
𝑚3
ℎ4
35
𝑄𝑝𝑟𝑜𝑚 = 495,75 𝑚3
ℎ
4.3.2. Cálculo del porcentaje de reducción en la concentración de monóxido de
carbono para la condición óptima
% 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂 = 100 − ( 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 ó𝑝𝑡𝑖𝑚𝑎𝑠
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∗ 100) (19)
% 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂 = 100 − ( 654, 518
𝑚𝑔𝑚3
1374 𝑚𝑔𝑚3
∗ 100)
% 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂 = 52,36 %
4.3.3. Cálculo de la cantidad de monóxido de carbono adsorbido en el catalizador
para la condición óptima
𝐹𝐶𝑂 𝑜𝑝 =%(𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂)
100∗ 𝐶𝑖 ∗ 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑚 ∗ 𝑡𝑜𝑝 (20)
Donde:
𝐶𝑖 = Carga contaminante inicial, g
𝑄𝑝𝑟𝑜𝑚= Flujo de gas seco promedio, 𝑚3
ℎ
𝑡𝑜𝑝 = Tiempo de contacto óptimo, min
𝐹𝐶𝑂 𝑜𝑝 =52,36
100∗ 1374
𝑚𝑔
𝑚3∗ 495,75
𝑚3
ℎ∗ 2 ℎ
𝐹𝐶𝑂 𝑜𝑝 = 713,37 𝑔
4.4. Cálculo de la capacidad de adsorción del catalizador residual para la condición
óptima
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 =𝐹𝐶𝑂 𝑜𝑝
𝑀𝐶𝑅 𝑜𝑝 (21)
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 =713,37 𝑔𝐶𝑂
2706,91 𝑔𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙 = 0,26 𝑔𝐶𝑂
𝑔𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟
36
Donde:
MCR op= Masa del catalizador residual en el punto óptimo, g
4.5. Cálculo de la cantidad de diésel equivalente a la reducción de monóxido de
carbono
Los combustibles líquidos de naturaleza hidrocarburífera son mezclas de muchos
componentes. En el caso de Diésel, por conveniencia se lo suele considerar como un solo
hidrocarburo, representado por el dodecano, C12H26. (Cengel, 2012).
Por lo tanto, la reacción de combustión incompleta del dodecano se la puede representar
de la siguiente forma:
𝐶12𝐻26 + 12,5 𝑂2 → 12 𝐶𝑂 + 13 𝐻2𝑂 1
𝐹𝐶12𝐻26= 713,37 𝑔𝐶𝑂 ∗
1 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂
28 𝑔𝐶𝑂∗
1 𝑚𝑜𝑙𝐶12𝐻26
12 𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂∗
170𝑔𝐶12𝐻26
1 𝑚𝑜𝑙𝐶12𝐻26
(22)
𝐹𝐶12𝐻26= 360,93 𝑔
La densidad del diésel es:
𝜌𝐶12𝐻26= 832
𝑘𝑔
𝑚3
𝑉𝑖 =𝐹𝐶12𝐻26
𝜌𝐶12𝐻26
(23)
𝑉𝑖 =360,93 𝑔
832 𝑔𝑙
𝑉𝑖 = 0,43 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑑𝑖é𝑠𝑒𝑙
37
5. RESULTADOS
5.1. Condiciones de operación de la chimenea del generador eléctrico Caterpillar
Tabla 12. Condiciones de operación de la chimenea
Parámetros de la chimenea Valor Unidades
Diámetro Interno 0,305 m
Altura del piso a la cúspide 5,9 m
Flujo de gas seco 679,6 m3/h
Velocidad promedio de los gases 15,00 m/s
Temperatura 165,00 °C
Presión Barométrica 524,00 mm Hg
Número de puertos de muestreo 1 ----
Ubicación del puerto de muestreo 1,8 m
Tabla elaborada con datos proporcionados por LABIOTEC S.A.
5.2. Resultados de la caracterización física del catalizador residual de la Unidad
FCC
Tabla 13. Resultados de la densidad real del catalizador residual de la Unidad
FCC
Catalizador
residual
Densidad Real , g/ml
1 2 3 Promedio
Muestra 1 1,0151 1,0147 1,0149 1,0149
Muestra 2 1,0148 1,0151 1,0152 1,0150
38
Tabla 14. Resultados de la densidad aparente del catalizador residual de la Unidad
FCC
Catalizador
residual
Densidad Aparente , g/ml
1 2 3 Promedio
Muestra 1 0,8584 0,8498 0,8362 0,8481
Muestra 2 0,8459 0,8850 0,8480 0,8596
Tabla 15. Resultados del área superficial y el volumen de poro del catalizador
residual de la Unidad FCC
Catalizador
Residual P1 P3 P4
Área
superficial
Volumen de
poro
g g g m2/g ml/g
Muestra 1 10,2102 10,3616 0,1514 167,3712 0,1149
Muestra 2 10,2014 10,3525 0,1511 164,4606 0,1133
Tabla 16. Distribución del tamaño de partículas del catalizador residual de la
Unidad FCC
Distribución de
Tamaño de partículas
µm
Catalizador Residual
Muestra 1
%
Muestra 2
%
< 35 0,06 0,07
35-45 0,13 0,13
45-100 2.87 2,92
100-200 4,55 5,07
200-400 3,32 7,53
400-600 3,34 7,58
600-800 3,98 5,58
800-1000 4,27 4,35
1000-2000 16,02 12,88
2000-5000 30,73 26,31
5000-8000 18,89 12,68
8000-10000 11,84 7,72
>10000 0,00 7,38
Total 100 100
39
5.3. Resultados de la composición elemental
Tabla 17. Resultados del análisis elemental promedio del catalizador residual antes
y después de instalar el filtro en la chimenea
Ensayos Valor Promedio
%N %C %H %S
Antes de instalar el filtro 0,040 0,130 0,005 0,308
Después de
instalar el
filtro
Ensayo 1, después de 2 horas 0,037 0,627 0,123 0,302
Ensayo 2, después de 2 horas 0,033 0,610 0,094 0,248
Ensayo 3, después de 2 horas 0,063 0,490 0,119 0,243
Tabla18. Resultados del porcentaje de reducción e incremento del análisis elemental
después de haber instalado el filtro
Muestras de Catalizador
Residual %N %C %H %S
Ensayo 1,
después de 2 horas 8,33 382,05 2633,33 1,84
Ensayo 2,
después de 2 horas 16,67 369,23 1996,30 19,37
Ensayo 3,
después de 2 horas
58,33 276,92 2537,04 21,00
Nota: Las celdas en color rojo reflejan un incremento en el porcentaje, en tanto que
las celdas en color azul una disminución.
5.4. Resultados de la operación del filtro en la chimenea
Resultados del monitoreo de los gases de combustión antes y después de haber
instalado el filtro
En la Tabla 10 se presenta un resumen del monitoreo de gases de combustión
realizado por el laboratorio LABIOTEC S.A. El informe completo se puede apreciar
en el Anexo G.
40
Tabla 16. Porcentajes de reducción o incremento de los gases de combustión antes y
después de haber instalado el filtro.
Tiempo CO % SO2 % NOx %
Ensayos
MCR
g
min *mg/m3
Reducción
del *mg/m3
Incremento
del *mg/m3
Reducción
o
incremento
del
CO SO2 NOx
Ensayo
Inicial 0 75 1374 ---- 174 ---- 703 ----
Ensayo 1 1500
40 650 52,69 221 27,01 682 2,99
80 653 52,47 209 20,11 671 4,55
120 658 52,11 211 21,26 679 3,41
Ensayo 2 2700
40 649 52,77 226 29,89 652 7,25
80 641 53,35 224 28,74 672 4,41
120 646 52,98 202 16,09 686 2,42
Ensayo 3 3500
40 743 45,92 194 11,49 737 -4,84
80 779 43,30 189 8,62 727 -3,41
120 787 42,72 175 0,57 716 -1,85
* miligramos por metro cúbico de gas a condiciones normales de 1013 milibares de
presión y temperatura de 0 °C, corregidos a 15% de O2, en base seca.
Nota: Las celdas en color rojo reflejan un incremento en el porcentaje, en tanto que las
celdas en color azul una disminución.
Tabla 17. Comparación de valores de la concentración de los gases de combustión
con los valores máximos permisibles de emisiones para generadores eléctricos
Ensayos
Monóxido de Carbono Dióxido de Azufre Óxidos de Nitrógeno Criterio
de
aceptación
Concentración
*mg/m3
LMP
*mg/m3
Concentración
*mg/m3
LMP
*mg/m3
Concentración
*mg/m3
LMP
*mg/m3
Inicial 1374
1500
174
400
703
2000
Si cumplen
Ensayo
1
650 221 682
Si cumplen 653 209 671
658 211 679
Ensayo
2
649 226 652
Si cumplen 641 224 672
646 202 686
Ensayo
3
743 194 737
Si cumplen 779 189 727
787 175 716
* miligramos por metro cúbico de gas a condiciones normales de 1013 milibares de
presión y temperatura de 0 °C, corregidos a 15% de O2, en base seca.
Donde:
LMP= Límite máximo permisible
41
Tabla 18. Comparación de valores de la concentración de material particulado con
los valores máximos permisibles de emisiones para generadores eléctricos
Ensayo
Concentración de
material particulado,
*mg/m3
Límite máximo
permisible
*mg/m3
Criterio de
aceptación
Inicial 574 150 No cumple
Ensayo 1 190 150 No cumple
Ensayo 2 843 150 No cumple
Ensayo 3 168 150 No cumple
* miligramos por metro cúbico de gas a condiciones normales de 1013 milibares de
presión y temperatura de 0 °C, corregidos a 15% de O2, en base seca.
Tabla 19. Porcentajes de catalizador residual que se perdió durante el proceso de
medición de gases.
Ensayos
Tiempo
total de
contacto
min
Masa del
catalizador
inicial
g
Masa del
catalizador
final
g
Masa del
catalizador
que se perdió
g
%
de pérdida
de masa
Ensayo 1 120 1500 814 686 45,73
Ensayo 2 120 2700 616 2084 77,19
Ensayo 3 120 3500 2651 849 24,26
Tabla 20. Presión absoluta y flujo de gas seco en el interior de la chimenea
MCR % de tiempo de Presión Flujo de
Ensayos inicial pérdida de contacto absoluta gas seco
g masa min mm Hg m3/h
Inicial 0,0 --- --- 549,52 679,60
1 1500 45,73
40 549,43
665,30 80 549,44
120 549,44
2 2700 77,19
40 549,43
320,70 80 549,44
120 549,44
3 3500 24,26
40 549,46
317,40 80 549,47
120 549,47
MCR= Masa de catalizador residual
42
Tabla 21. Caída de presión en el interior de la chimenea
Ensayos
Peso del
Catalizador inicial
tiempo de
contacto
Presión
absoluta
Caída de
Presión
g min mm Hg mm Hg
Inicial 0 --- 549,52 ---
1 1500
40 549,43 0,09
80 549,44 0,07
120 549,44 0,07
2 2700
40 549,43 0,09
80 549,44 0,07
120 549,44 0,07
3 3500
40 549,46 0,06
80 549,47 0,04
120 549,47 0,04
5.5. Resultados gráficos
En las presentes figuras, se ha empleado la siguiente codificación:
Tabla 25. Codificación de los colores y su ensayo correspondiente
COLORES Ensayos
Ensayo inicial
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
43
Figura 8. Concentración de CO en función de la masa de catalizador residual y
tiempo de contacto.
Figura 9. Porcentaje de reducción del CO en función del tiempo de contacto.
1374
650 653 658 650 641 646743 779 787
100
300
500
700
900
1100
1300
1500
75 40 80 120 40 80 120 40 80 120
0 1500 2700 3500
Con
cen
traci
ón
de
CO
, m
g/m
3
Masa de catalizador, g y tiempo de contacto, min
0
52,69 52,47 52,11 52,69 53,35 52,98
45,9243,30 42,72
0
10
20
30
40
50
60
75 40 80 120 40 80 120 40 80 120
% d
e re
du
cció
n d
e C
O
tiempo de contacto, min
LMP =
44
Figura 10. Concentración de SO2 en función de la masa de catalizador residual y
tiempo de contacto
Figura 11. Porcentaje de aumento del SO2 en función del tiempo de contacto.
174
221 209 211 226 224202 194 189 175
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
75 40 80 120 40 80 120 40 80 120
0 1500 2700 3500
Con
cen
traci
ón
de
SO
2,
mg
/m3
Masa de catalizador, g y tiempo de contacto, min
0,00
27,01
20,1121,26
29,8928,74
16,09
11,49
8,62
0,57
0
5
10
15
20
25
30
35
75 40 80 120 40 80 120 40 80 120
% d
el a
um
ento
del
SO
2
tiempo de contacto, min
LMP =
45
Figura 12. Concentración de NOx en función de la masa de catalizador residual y
tiempo de contacto.
Figura 13. Porcentaje de reducción e incremento de NOx en función del tiempo de
contacto.
Nota:
En la gráfica los valores negativos reflejan el incremento de la concentración del
contaminante
703 682 671 679 652 672 686 737 727 716
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
75 40 80 120 40 80 120 40 80 120
0 1500 2700 3500
Con
cen
traci
ón
de
NO
x, m
g/m
3
Masa de catalizador, g y tiempo de contacto, min
0,00
2,99
4,55
3,41
7,25
4,41
2,42
-4,84
-3,41
-1,85
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
75 40 80 120 40 80 120 40 80 120
% d
e re
du
cció
n d
el N
Ox
tiempo de contacto, min
LMP =
46
Figura 14. Masa inicial y final de catalizador en función del número de ensayos.
Figura 15. Porcentaje de pérdida de masa del catalizador en función del número de
ensayos
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1 2 3
Mas
a d
e ca
tali
zad
or
Ensayos
Masa inicial
Masa final
45,73%
77,19%
24,26%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 2 3
% d
e p
érd
ida
de
mas
a
Ensayos
47
Figura 16. Material particulado en función del porcentaje de pérdida de masa.
Figura 17. Porcentaje de pérdida de masa de catalizador en función del flujo de gas
seco
574
190
834
168
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 45,73 77,19 24,26
Mat
eria
l P
arti
cula
do
% de Pérdida de masa
0,0%
45,73%
77,19%
24,26%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
679,60 665,30 320,70 317,40
% d
e p
érd
ida
de
mas
a
Flujo de gas seco
48
Figura 18. Caída de presión en la chimenea en función del tiempo de contacto y masa
de catalizador residual.
Figura 19. Flujo de gas seco en función de la masa de catalizador residual
0,09
0,07 0,07
0,09
0,07 0,07
0,06
0,04 0,04
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
40 80 120 40 80 120 40 80 120
1500 2700 3500
Caí
da
de
pre
sió
n,
mm
Hg
Tiempo de contacto, min y masa de catalizador, g
679,60 665,30
320,70 317,40
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
0 1.500 2.700 3.500
Flu
jo d
e gas
sec
o,
m3/h
Masa de Catalizador, g
49
5.6. Análisis estadístico
Se realizó el análisis estadístico de manera individual para cada variable dependiente,
siendo este el caso para los gases de combustión (CO, SO2, NOx).
Se aplicó el análisis ANOVA simple, para determinar si hay diferencias significativas
entre las medias a diferentes niveles de los factores (variables independientes). El nivel
de significancia se determina por medio de lo los valores-P con un nivel de confianza del
95,0%.
El modelo estadístico para un diseño factorial 32 (3 intervalos de las variables y 2
variables Independientes) permitió analizar el efecto individual de cada factor y la
interacción entre ambos sobre la variable de respuesta.
Para el análisis estadístico se utilizó el programa STATGRAPHICS, a través del cual se
probó si las variables independientes, masa de catalizador residual y tiempo de contacto,
tienen influencia en la capacidad de adsorción del catalizador residual, mostrado por
medio de las concentraciones de los gases de combustión.
Tabla 26. Codificación de los factores para el diseño estadístico
Factor Notación
Masa de catalizador A
Tiempo de contacto B
Interacción masa-masa AA
Interacción masa-tiempo AB
50
5.6.1. Análisis ANOVA para cada variable dependiente
Tabla 22. Análisis ANOVA para el monóxido de carbono “CO”
Fuente Suma de
Cuadrados
Grados de
Libertad
Cuadrado
Medio
Razón-P
A: Masa 20184,000 1 20184,00 0,0016
B: Tiempo 347,761 1 347,76 0,2442
AA 11987,400 1 11987,40 0,0034
AB 254,741 1 254,74 0,3042
BB 9,389 1 9,38 0,8276
Error total 499,703 3 166,56
Total (corr) 30148,200 8
Tabla 28. Análisis ANOVA para el dióxido de azufre “SO2”
Fuente Suma de
Cuadrados
Grados de
Libertad
Cuadrado
Medio
Razón-P
A: Masa 1148,170 1 1148,17 0,0134
B: Tiempo 447,490 1 447,49 0,0464
AA 810,670 1 810,66 0,0215
AB 26,000 1 26,00 0,4857
BB 12,500 1 12,50 0,6216
Error total 124,660 3 41,55
Total (corr) 2392,000 8
Tabla 29. Análisis ANOVA para los óxidos de nitrógeno “NOx”
Fuente Suma de
Cuadrados
Grados de
Libertad
Cuadrado
Medio
Razón-P
A: Masa 3650,670 1 3650,67 0,0348
B: Tiempo 20,663 1 20,66 0,8000
AA 2692,250 1 2692,25 0,0510
AB 34,741 1 34,74 0,7436
BB 8,000 1 8,00 0,8743
Error total 809,925 3 269,97
Total (corr) 6568,000 8
51
5.6.2. Estimación del punto óptimo. El análisis estadístico permite también extraer
información sobre el punto óptimo de múltiples respuestas de manera simultánea, esto se
hace al construir una función de deseabilidad, basada en valores de las variables
dependientes.
Tabla 30. Condiciones optimización de los parámetros de diseño del filtro
Factor VALORES ÓPTIMOS
CO *mg/m3
SO2 *mg/m3
NOx *mg/m3
Presión
mm Hg
Concentración, 654,518 207,157 667,274 672,201
Masa de catalizador, g 2706,910
Tiempo d contacto, min 120,000
* miligramos por metro cúbico de gas a condiciones normales de 1013 milibares
de presión y temperatura de 0 °C, corregidos a 15% de O2, en base seca.
5.6.3. Proyección de la cantidad de monóxido de carbono que se está dejando de
emitir a la atmósfera
Tabla 31. Cantidad de Monóxido de Carbono que se está dejando de emitir a la
atmósfera, capacidad de adsorción del catalizador y su cantidad equivalente de
combustible
Monóxido de Carbono Capacidad de adsorción
del catalizador residual
Cantidad equivalente
de combustible Porcentaje
de reducción
Cantidad adsorbida
por el catalizador
52,36% 713,37 g 0,26 g CO / g catalizador 360,93 g 0,43 L
52
6. DISCUSIÓN
6.1. Caracterización física del catalizador residual
Al realizar el análisis elemental se debe tener mucha precisión en la preparación de
las muestras para disminuir el error en la lectura de los valores en el software del
equipo. En las tablas 8 y 9 se presentan los valores del análisis elemental antes y
después de instalar el filtro con catalizador residual en la chimenea. En el caso del
SO2, se obtuvo un resultado no esperado, ya que la concentración de este gas se
incrementa progresivamente (ver tabla 9). Esto puede explicarse, debido a que en el
interior de la chimenea se tienen altas temperaturas (170 ˚C) que pueden ocasionar
que el azufre elemental que se encuentra en el catalizador residual se combustione y
forme parte de los gases de combustión, lo cual se evidencia con el porcentaje de
Azufre que disminuye con respecto al inicial tras el uso del catalizador en el filtro
(ver tabla 8).
6.2. Diseño y construcción del filtro
En el diseño del filtro se consideraron: la temperatura de la chimenea, que permitió
seleccionar al acero inoxidable 304 como material de construcción del filtro; este
material tiene excelentes propiedades de ductibilidad y meabilidad, posee también
una gran resistencia a la corrosión y soporta temperaturas de hasta los 900 ˚C. Otro
factor que se consideró fue el tamaño de partícula del catalizador residual, que
permitió seleccionar el tamaño de la malla que contendría al catalizador.
6.3. Operación del filtro en la chimenea
Para el monitoreo de los gases se contrató los servicios de la empresa LABIOTEC
S.A. y se programó con el jefe de mantenimiento de los Laboratorios LIFE la
utilización del generador eléctrico, cabe recalcar que se lo utilizó en horarios fuera
de operación de la planta de producción para evitar cualquier tipo de contaminación
53
de las áreas estériles de la empresa, lo que dificultó realizar los monitoreos con cierta
periodicidad.
Se monitorearon los gases de combustión que pasan por el filtro en un tiempo
máximo de 2 horas, al revisar la bitácora de operación del generador eléctrico (ver
Anexo H), se identifica que el mismo no opera por encima de este lapso de tiempo.
Al revisar los datos de la tabla 10, se aprecia que en el tercer ensayo existe un
aumento de las concentraciones de CO y NOx (tendencia diferente a lo obtenido en
el primer y segundo ensayo). Para este tercer ensayo, se realizó una recarga de
combustible, lo cual produjo una modificación en el punto de partida respecto de los
primeros ensayos lo cual pudo tener influencia en los resultados obtenidos.
Las diferentes masas de catalizador residual que se utilizaron en cada ensayo
ocasionaron la disminución del flujo de gas en la chimenea, debido a que el
mecanismo de combustión que provoca el generador al estabilizarse no ocasiona la
suficiente fuerza de impulsión para mantener el flujo constante. El flujo al momento
de pasar por el filtro va perdiendo fuerza según la cantidad de catalizador que se
encuentre en los contenedores, el efecto de este fenómeno se aprecia en las figuras
18 y 19.
En los tres ensayos se trabajaron con masas diferentes de catalizador, las que
disminuyeron al finalizar los monitoreos (ver tabla 10). Esto pudo haber ocurrido por
las altas temperaturas en el interior de la chimenea ocasionando la dilatación de los
contenedores y que el sello rojo pierda su hermeticidad, dando paso a que el
catalizador fugue por las aberturas de los compartimentos, siendo el segundo ensayo
en el que se observa mayor cantidad de pérdidas (ver figura 15).
Según requerimientos de la norma EPA 5, para tener un valor representativo de
material particulado, se debe cumplir con un volumen de recolección y un tiempo
mínimo de 0,75 m3 y 60 min; por lo cual, no fue posible obtener datos de este
contaminante para las distintas combinaciones de masa de catalizador y tiempo de
contacto. Por este motivo solo se tiene un dato por cada masa en dos horas de
54
operación del generador. En el segundo ensayo, existió una mayor cantidad de fugas
de catalizador, lo que produjo un incremento en la cantidad de material particulado
(ver figura 16) debido a que el catalizador formó parte del volumen de recolección,
sin embargo, en los ensayos 2 – 3 se observa disminución de este material respecto
al inicial (ver tabla 21).
55
7. CONCLUSIONES
En el presente trabajo de investigación se estudiaron las propiedades catalíticas del
catalizador residual de la Unidad FCC mediante la construcción de un filtro, el cual
presenta propiedades adsorbentes que permitieron retener gases contaminantes
emitidos por una fuente fija de combustión.
El catalizador residual tiene mayor afinidad para adsorber las moléculas de monóxido
de carbono en comparación con las de óxidos de nitrógeno, logrando disminuir
aproximadamente 50 y 7 % de sus cargas contaminantes respectivamente; mientras
que, para las de dióxido de azufre existe un incremento de entre el 8 y 27 % (tabla
19), con una adecuada hermeticidad del sistema se logra disminuir también el
material particulado.
Al realizar las mediciones de las concentraciones de los gases de combustión a varios
tiempos y distintas masas de catalizador residual, se observa que las concentraciones
son diferentes, esto refleja que la capacidad de adsorción del catalizador depende de
la masa y del tiempo de contacto (ver tabla 10).
La masa del catalizador residual tiene incidencia en la presión en el interior de la
chimenea, debido a que para una mayor cantidad de catalizador se observa un
incremento en la caída de presión (ver figura 18).
La tendencia que se observa en las figuras de concentración de los gases de
combustión en función de masa y tiempo de contacto es variable e impredecible, lo
que dificulta establecer una generalización para cada ensayo (ver figuras 8,10 y 12).
Es por esto que mediante la técnica de optimización de múltiples respuestas, que
permite alcanzar el objetivo deseado para más de una variable dependiente
simultáneamente, se pudo encontrar la condición óptima en términos de masa de
catalizador y tiempo de contacto, para la cual la concentración de los gases de
combustión es mínima.
56
La condición óptima está dada por: combinación masa-tiempo de contacto de
2706,91 g y 120 minutos, para la cual se estima los siguientes valores de
concentración de gases de combustión: 654,51 mg/m3 (CO); 207,15 mg/m3 (SO2) y
667,27 mg/m3 (NOx).
En relación a las variables independientes planteadas, se puede apreciar que, la masa
de catalizador residual es la variable estadísticamente representativa en el proceso, al
realizar el análisis de varianza ANOVA para cada variable dependiente, se observa
que presenta valores-P menores que 0,05 (significativamente diferente de cero con
un nivel de confianza del 95,0%.) para el CO, NOx y SO2; mientras que el tiempo de
contacto muestra un valor-P menor que 0,05 únicamente para el SO2 (ver tablas 28,
29 y 30).
Para el monóxido de carbono se tiene el mayor porcentaje de reducción de carga
contaminante (52,36%). Para este gas, el filtro en la condición óptima tiene una
capacidad de adsorción de 0,26 gramos de CO por cada gramo catalizador.
El 52,36% de reducción de CO que produce el filtro es equivalente al consumo de
0,43 litros de diésel lo cual permitiría un ahorro energético en el proceso de
generación eléctrica.
57
8. RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar el mismo estudio utilizando otro tipo de catalizador que tenga
un tamaño de partícula homogéneo, o incluso empleando el catalizador residual de
la Unidad FCC previo a un proceso de tamizado. Esto permitiría mejorar el área de
contacto entre los gases de combustión y el catalizador.
Se recomienda mejorar las características de hermeticidad en los contenedores para
evitar las fugas de catalizador y lograr mejores resultados.
Investigar el punto de saturación del catalizador en el filtro.
Realizar un estudio más profundo sobre las razones del aumento de dióxido de azufre
en la carga contaminante.
Se recomienda realizar el estudio en otro tipo de fuente fija que opere de manera
continua.
Se recomienda analizar la capacidad de adsorción del filtro en un generador eléctrico
operando con carga variable, para comparar el nivel de contaminación de los gases
de combustión.
Se recomienda buscar alternativas para impregnar el catalizador en una malla
metálica para evitar las pérdidas de masa en el dispositivo.
58
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combustión NT001), Límites máximos permisibles de emisiones para generadores
eléctricos.
Sadeghbeigi, R. (2000). Fluid Catalytic Cracking Handbook. Houston: Gulf Professional
Publishing.
63
ANEXOS
64
ANEXO A. Fuentes, características y límites máximos permisibles de los contaminantes comunes de la atmósfera
Tabla A.1. Fuentes y características de los contaminantes comunes y los contaminantes no convencionales que se pueden encontrar
en la atmósfera (NECA, JUNIO 2011)
Contaminante Características Fuentes Principales Efectos sobre la Salud
PM10 y PM2.5
Material particulado suspendido de
diámetro menor a 10 y 2,5 µm.
Partículas de material sólido o gotas
líquidas suspendidas en el aire.
Puede presentarse como polvo,
niebla, aerosoles, humo, hollín, etc.
Erosión eólica, tráfico en vías sin
pavimento, actividades de construcción.
Procesos de combustión (industria y
vehículos de automoción, generación
termoeléctrica). Incendios forestales.
Purificación y procesamiento de
metales.
Produce irritación de las vías respiratorias, agrava el asma
y favorece las enfermedades cardiovasculares. Causa
deterioro de la función respiratoria (corto plazo).
Asociado con el desarrollo de enfermedades crónicas,
cáncer o muerte prematura (largo plazo).
SO2
Gas incoloro de olor fuerte. Puede
oxidarse hasta SO3 y en presencia de
agua formar H2SO4. Importante
precursor de sulfatos e importante
componente de partículas respirables
Procesos de combustión. Centrales
termoeléctricas, generadores eléctricos.
Procesos metalúrgicos. Erupciones
volcánicas. Uso de fertilizantes.
Altas concentraciones ocasionan dificultad para respirar,
conjuntivitis, irritación severa en vías respiratorias y en
pulmones. Causante de bronco constricción, bronquitis,
traqueítis y bronco espasmos, agravamiento de
enfermedades respiratorias y cardiovasculares existentes
y la muerte.
CO Gas incoloro, inodoro e insípido.
Procesos de combustión incompleta.
Los vehículos a gasolina constituyen la
fuente más importante.
La hipoxia (falta de oxígeno) producida por inhalación de
CO, puede afectar al corazón, cerebro, plaquetas y
endotelio de los vasos sanguíneos. Asociado a
disminución de la percepción visual, capacidad de
trabajo, destreza manual y habilidad de aprendizaje.
NO2
Gas rojizo marrón, de olor fuerte y
penetrante. Puede producir ácido
nítrico, nitratos y compuestos
orgánicos tóxicos.
Procesos de combustión (vehículos,
plantas industriales, centrales térmicas,
incineradores).
Causa irritación pulmonar, bronquitis, pulmonía,
reducción significativa de la resistencia respiratoria a las
infecciones. Exposición continua a altas concentraciones
incrementa la incidencia en enfermedades respiratorias en
los niños, agravamiento de afecciones en individuos
asmáticos.
65
Tabla A.2. Límites máximos permisibles de concentraciones de emisión al aire para motores de combustión interna (mg/Nm3)
(TULSMA 2015).
Contaminante Combustible
Fuente Fija existente:
con autorización de
entrar en
funcionamiento antes
de enero de 2003.
Fuente Fija existente: con
autorización de entrar en
funcionamiento desde
enero de 2003 hasta la
fecha de publicación de la
reforma de la norma.
Fuente Fija nueva: con
autorización de entrar
en funcionamiento a
partir fecha de
publicación de la
reforma de la norma.
Material particulado Líquido Fuel oil-petróleo crudo 350 150 100
Diésel 350 150 125
Óxidos de Nitrógeno Líquido Diésel 2300 2000 1900
Gas Gaseoso 2300 2000 1900
Dióxidos de azufre Líquido
Fuel oil 1500 1500 1500
Petróleo crudo 1500 1500 1500
Diésel 1500 1500 1500
mg/Nm3: miligramos por metro cúbico de gas de combustión en condiciones normales, 760 mmHg de presión y temperatura de cero
grados centígrados (0 °C), en base seca y corregidos al 15% de oxígeno (O2).
66
ANEXO B. Diseño del filtro con catalizador residual que se utilizó en cada ensayo
Figura B.1. Diseño del Filtro con catalizador residual que se utilizó en cada ensayo
67
ANEXO C. Construcción del primer modelo de filtro
Figura C.1. Reporte fotográfico de la construcción del filtro modelo 1.
68
ANEXO D. Construcción del segundo modelo del filtro
Figura D.1. Reporte fotográfico de la construcción del filtro modelo 2
69
ANEXO E. Instalación del filtro en la chimenea del generador eléctrico Caterpillar
Figura E.1. Reporte fotográfico de la instalación del filtro en la chimenea del generador eléctrico
70
ANEXO F. Monitoreo de los gases de combustión
Figura F.1. Reporte fotográfico del monitoreo de los gases de combustión
71
ANEXO G. Informe inicial del monitoreo de los gases de combustión sin filtro
72
ANEXO H. Informe del primer monitoreo de los gases de combustión con filtro
73
ANEXO J. Informe del segundo monitoreo de los gases de combustión con filtro
74
ANEXO K. Informe del tercer monitoreo de los gases de combustión con filtro
75
ANEXO L. Informe del cuarto monitoreo de los gases de combustión con filtro
76
ANEXO M. Informe del quinto monitoreo de los gases de combustión con filtro
77
ANEXO N. Informe del sexto monitoreo de los gases de combustión con filtro
78
ANEXO P. Informe del séptimo monitoreo de los gases de combustión con filtro
79
ANEXO Q. Informe del octavo monitoreo de los gases de combustión con filtro
80
ANEXO R. Informe del noveno monitoreo de los gases de combustión con filtro
81
ANEXO S. Bitácora de operación del generador eléctrico Caterpillar de los Laboratorios LIFE en el periodo (enero-diciembre 2016)
82
ANEXO S. (Continuación)
83
ANEXO S. (Continuación)
84
ANEXO S. (Continuación)
85
ANEXO T. Hoja de control de nivel de combustible de los equipos Laboratorios LIFE
período (octubre 2016-enero 2017)
86
ANEXO T. (Continuación)
87
ANEXO U. Análisis elemental, equipo y resultados
Figura U.1. Equipo de análisis elemental ELEMENTAR
Figura U.2. Programa vario MACRO
88
ANEXO U. (Continuación)
Figura U.3. Resultados de las dos muestras de catalizador residual antes de instalar
el filtro en la chimenea
Donde:
CR: Muestra 1 de catalizador residual
cr : Muestra 2 de catalizador residual
89
ANEXO U. (Continuación)
Figura U.4. Resultados para la muestra de catalizador residual después de instalar
el filtro en la chimenea
Donde:
M11: Muestra de catalizador regenerado que sobró en el ensayo 1
M12: Muestra de catalizador regenerado que sobró en el ensayo 2
M13: Muestra de catalizador regenerado que sobró en el ensayo 3
90
ANEXO V. Tamaño de partícula del catalizador residual de la Unidad FCC,
equipo y resultados
Figura V.1. Analizador de tamaño y forma de partícula CAMSIZER
91
ANEXO V. (Continuación)
Figura V.2. Resultados de tamaño de partícula del catalizador residual para la
muestra 1
92
ANEXO V. (Continuación)
Figura V.3. Resultados de tamaño de partícula del catalizador residual para la muestra
2
93
ANEXO W. Área superficial y volumen de poro del catalizador residual de la
Unidad FCC, equipo y resultados
Figura W.1. Equipo analizador del área superficial y volumen de poro
Figura W.2. Resultados del área superficial del catalizador residual
Figura W.3. Resultados del volumen de por del catalizador residual