producción de metanol a partir del gas natural

8/17/2019 Producción de Metanol a Partir Del Gas Natural

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA

“DR. FEDERICO RIVERO PALACIOS” DISTRITO CAPITAL

PROCESOS QUÍMICOS

PRODUCCIÓN DE METANOL A PARTIR DE GAS NATURAL

(ESTUDIO DE DIAGNÓSTICO Y VIABILIDAD)

Caracas, febrero de 2016

Autores:

Calderón, Carlos

Luis, José

Rojas, Yesica

Tutor académico:

Ana Vidovic


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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA

“DR. FEDERICO RIVERO PALACIOS” DISTRITO CAPITAL

PROCESOS QUÍMICOS

PRODUCCIÓN DE METANOL A PARTIR DE GAS NATURAL

(ESTUDIO DE DIAGNÓSTICO Y VIABILIDAD)

RESUMEN

La presente investigac ión documental se lleva a cabo para evaluar la posibilidad

de implementar una planta de producción de metanol en Venezuela, a través de un

estudio de diagnóstico y viabilidad. Se mostraran las alternativas tecnológicas

existentes para su producción, así mismo como sus respectivos balances de materia y

energía para definir cuál sería la alternativa más óptima a utilizar de acuerdo a las

necesidades del país, identificando los contaminantes ambientales, verificando los

costos de materia prima y producto para concluir si es viable o no el proyecto. El

proceso más viable para la producción del metanol es el ICI (Imperial Chemical

Industries) por su nivel de producción y su alta conversión del monóxido de carbono.Esta tecnología puede producir 55 toneladas anuales de metanol con un 99,99% de

pureza si se le suministran aproximadamente 50 toneladas de gas natural y 110

toneladas de vapor de agua al año.

Palabras claves: diagnóstico y viabilidad, metanol, gas natural.

Autores: Calderón, Carlos

Luis, JoséRojas, Yesica

Tutor académico: Ana Vidovic

Fecha: Febrero 2016


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i

ÍNDICE GENERAL

pp.

ÍNDICE GENERAL iÍNDICE DE TABLAS iii

ÍNDICE DE GRÁFICAS iv

ÍNDICE DE FIGURAS v

INTRODUCCIÓN 1

CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROBLEMA 3

1.1 Descripción del problema socio-tecnológico 3

1.2 Caracterización histórico-cultural 6

1.3 Caracterización ético-política 8

1.4 Caracterización socio-económica 11

CAPITULO II: FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y METODOLÓGICOS 18

2.1 Fundamentos teóricos 18

2.1.1 Antecedentes de la investigación 18

2.1.2 Conceptos básicos 20

2.2 Fundamentos metodológicos 25

2.2.1 Tipo de investigación 25

2.2.2 Diseño de la investigación 26

2.2.3 Procedimientos de la investigación 27

CAPITULO III: CARACTERIZACIÓN TÉCNICA DE LAS ALTERNATIVAS

SOCIO-TECNOLÓGICAS 29

3.1 Descripción de los procesos y diagramas de flujo 29

3.1.1 Tecnología Imperial Chemical Industries (ICI) 29

3.2 Balances globales de materia y energía 363.2.1 Balance de materia 36

3.2.2 Balance de energía 37

CAPITULO IV: CARACTERIZACIÓN AMBIENTAL DE LAS ALTERNATIVAS

SOCIO-TECNOLÓGICAS 42


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ii

4.1 Identificación de las sustancias y desechos contaminantes 42

4.2 Identificación de los tipos de contaminación asociadas a los procesos 44

4.3 Identificación de los tratamientos ambientales posibles 46

CAPÍTULO V: ESTUDIO BÁSICO DE COSTOS DE SUSTANCIAS Y MATERIAPRIMA 48

5.1 Costos de sustancias y materia prima 48

5.2 Costos de productos finales 48

CAPÍTULO VI: VIABILIDAD DE LAS ALTERNATIVAS SOCIO-

TECNOLÓGICAS 49

CONCLUSIONES 51

RECOMENDACIONES 52

REFERENCIAS 53

ANEXOS 55


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iii

ÍNDICE DE TABLAS

pp.

Tabla Nº1: Importación de metanol desde 1998 hasta 2014 12Tabla Nº2: Exportación de metanol desde 1998 hasta 2014 13

Tabla Nº3: Importación de gas natural 1998-2014 14

Tabla Nº4: Exportación de gas natural 1998-2014 14

Tabla Nº5: Composición de gas natural extraído al Oriente del país 21

Tabla Nº6: Sustancias toxicas del proceso 43

Tabla N°7: Balance en F-101 58

Tabla N°8: Balance en R-101 59


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iv

ÍNDICE DE GRÁFICAS

pp.

Grafica Nº1: Importación de Metanol desde el año 1998-2014 17Grafica Nº2: Importación de Metanol 1998-2014 omitiendo las importaciones

extraordinarias 18


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1

INTRODUCCIÓN

En Venezuela se cuenta con grandes cantidades de gas natural que asociado a la producción de petróleo crudo, es un recurso natural de bajo costo de extracción y que

ofrece un gran potencial para el desarrollo industrial derivado del procesamiento de

sus principales componentes: metano, etano, propano que son utilizados como materia

prima fundamentales para la industria petroquímica, en especial para la producción de

metanol. El Complejo José Antonio de Anzoátegui es uno de los 3 complejos

petroquímicos que existen en Venezuela en donde se encuentran las dos únicas plantas

productoras de metanol: Metor y Supermetanol.

Debido al incremento que se ha presentado en los últimos años en la demanda de

metanol, producto del gas natural, las empresas nacionales han buscado mantener

estable sus procesos e incrementar su producción e intentar cubrir así los

requerimientos que les exige el mercado.

Aún con esto, ambas empresas no han podido cubrir la totalidad de demanda del

producto que tiene el mercado venezolano. Prueba de esto, son las importaciones

realizadas de metanol en los últimos años. Esto se considera una problemática, ya que

las importaciones no apoyan el desarrollo endógeno del país. En este sentido, las

posibles soluciones directas son desarrollar los equipos de las empresas ya existentes

para capacitarlas a una producción mayor, o diseñar una nueva planta que cubra esa

demanda. Como la primera solución necesita información de difícil acceso, la segunda

opción es la más sensata.

El siguiente trabajo investigativo tiene como finalidad hacer un estudio de

diagnóstico y viabilidad que determine la posibilidad de una nueva planta de

producción de metanol que abastezca estas importaciones. Para esto, se hace unanálisis a las alternativas tecnológicas disponibles en el mercado.

Dichas tecnologías comerciales deben de estar presididas en cuanto a distintos

aspectos o fases que se encuentran anegados en los capítulos que conforman la

siguiente investigación:


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2

Capítulo I: Descripción general del problema.

Capitulo II: Fundamentos teóricos y metodológicos.

Capitulo III: Caracterización técnica de las alternativas socio-tecnológicas.

Capitulo IV: Caracterización ambiental de las alternativas socio-tecnológicas.

Capítulo V: Estudio básico de costos de sustancias y materia prima.

Capítulo VI: Viabilidad de las alternativas socio-tecnológicas.

En cada capítulo se desarrolló detalladamente los criterios necesarios para

finalmente seleccionar y concluir cual alternativa es la más viable para el desarrollo

del proyecto en sus fases posteriores.


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3

CAPITULO I

DESCRIPCION GENERAL DEL PROBLEMA

1.1 DESCRIPCION DEL PROBLEMA SOCIO-TECNOLOGICO

El metanol, también llamado alcohol metílico, alcohol de madera, carbinol y

alcohol de quemar, es el primero de los alcoholes. Su fórmula química es CH3OH. En

condiciones normales es un líquido incoloro, de escasa viscosidad, de olor y sabor

frutal penetrante, miscible en agua y, como la mayoría de los solventes orgánicos, muy

tóxico e inflamable.

Es un compuesto químico sumamente importante para la industria, El metanol,

como todo alcohol, tiene varios usos. Es un disolvente industrial y se emplea como

materia prima en la fabricación de formaldehído. El metanol también se emplea como

anticongelante en vehículos, combustible de estufas de acampada, solvente de tintas,

tintes, resinas, adhesivos, biocombustibles y aspartame.

Estudios realizados por DeWitt & Company, Inc., exponen un incremento

progresivo en la demanda de los productos a partir del metanol, lo cual permite

concluir que la demanda del metanol se ha incrementado a nivel mundial.

El crecimiento observado en la Fig.1 en la demanda mundial de productos a base

de metanol en años anteriores expone que el consumo de metanol se ha incrementado

en un 20%. Como consecuencia, las empresas están evaluando opciones para

incorporar a sus procesos cambios que aumenten la producción del metanol. (Ibarra,

G. 2010)


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4

Figura 1: Demanda mundial de productos derivados del metanol

En Venezuela existen empresas que producen metanol, debido a que el país posee

una gran reservas de gas natural. Las empresas perfeccionadas en este ámbito son

Metanol de Oriente, (Metor, S.A.) y Súpermetanol C.A, (Sumeca), ambas Empresas

Mixtas de Pequiven. Estas empresas son las únicas plantas a nivel nacional productoras

de metanol, comercializándolo en el mercado nacional e internacional. No obstante,

Venezuela se ha visto en la necesidad de importar metanol con el fin de satisfacer la

demanda nacional. Esta importación demuestra que la producción nacional de metanol

no es suficiente para el consumo interno. Siendo la importación enemigo directo del

desarrollo endógeno, esto se considera una problemática.

Para resolver este problema se propondría realizar mejoras a las plantas actuales

con el fin de aumentar la producción del metanol. Sin embargo, conseguir información

detallada sobre las líneas de producción de metanol que actualmente utilizan estas

industrias es casi imposible. Es información confidencial que los fabricantes protegen

con mucha cautela. Por ello, este estudio está fuera del alcance de los investigadores.

Por otro lado, se plantea otra propuesta: la realización de un estudio que determine

la posibilidad de aumentar la producción nacional de metanol en otra planta, esto con

la finalidad de cubrir las demandas de importación del producto. Para su realización,


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6

Una vez planteado el problema el cual se desea solventar, se establece como

objetivo general del proyecto de invest igación el de realizar un estudio de diagnóstico

y viabilidad del diseño de una planta de metanol a partir de gas natural.

Como objetivos específicos se plantean los siguientes:1. Realizar caracterizaciones que sirvan de criterio para concluir con la

viabilidad del proyecto.

2. Establecer las posibles sustancias tóxicas presentes en la alternativa

seleccionada.

3. Plantear ecuaciones de balances de materia y energía de la alternativa

seleccionada.

4. Establecer precios de materias primas a través de un estudio básico de costos.

1.2 CARACTERIZACION HISTORICO-CULTURAL

El metanol fue utilizado en el proceso de embalsamamiento, pero los antiguos

egipcios utilizaron una mezcla de sustancias, incluyendo el metanol, que obtenían

mediante la pirolisis de la madera. Sin embargo, en 1661 Robert Boyle, aisló el

metanol puro, cuando lo produjo a través de la destilación de madera de boj.

En 1834, los químicos franceses Jean-Baptiste Dumas y Eugene Peligot

determinaron su composición elemental. Ellos también introdujeron la palabra

metileno en la química orgánica.

En 1923 los químicos alemanes Alwin Mittasch y Pier Mathias, trabajadores para

la empresa BASF, desarrollaron un medio para convertir un gas de síntesis (una mezcla

de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno) en metanol. La patente fue

presentada el 12 de enero 1926. Este proceso utiliza un catalizador de óxido de cromo

y manganeso, y requiere de presiones extremadamente elevadas que van desde 50

hasta 220 atm y temperaturas de hasta 450 °C.La producción moderna de metanol es más eficiente: se utilizan catalizadores

(comúnmente zinc-cobre o zinc-aluminio) capaces de funcionar a presiones más bajas.

El metanol moderno de baja presión fue desarrollado por ICI a finales de 1960 con la


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7

tecnología actualmente propiedad de Johnson Matthey, que es un licenciante líder de

tecnología de metanol.

El uso de metanol como combustible de automoción recibió atención durante las

crisis del petróleo de la década de 1970 debido a su disponibilidad, bajo costo, y los beneficios medioambientales. Su importancia se basa en su demanda. Debido a sus

múltiples aplicaciones y usos, el metanol se ha hecho un lugar importante en las

industrias químicas del mundo entero. Además de ser una alternativa de energía limpia

que se puede producir a partir del gas natural, el metanol desempeña un papel cada vez

más significativo en la diversificac ión de las opciones para combustibles ambienta les

y energía limpia en países de todo el mundo. Además, durante gran parte de la década

de 1980 y principios de los 1990, en los combustibles de gasolina que se venden en

Europa se mezclan pequeños porcentajes de metanol.

Por su parte, Venezuela posee grandes yacimientos de gas natural (materia prima

utilizada para la producción de metanol), y uno de los usos que se le da es su

transformación química y generación de sus derivados, con el fin de agregar mayor

valor agregado.

En Venezuela existen cinco plantas de procesamiento de gas natural, pero es en el

Complejo José Antonio de Anzoátegui donde se lleva a cabo la extracción del gas

natural que es usado como materia prima para la producción de metanol. (PDVSA,

C.A., 2005)

Las plantas encargadas de la producción de metanol son Metor S.A. y Súper

Metanol C.A. Se encuentran situada al oriente del país, en el “Complejo Petrolero,

Petroquímico, e Industrial General José Antonio Anzoátegui”, siendo parte de una

industria mixta de Pequiven. Estas llevan a cabo la producción, almacenaje y

suministro del alcohol metílico a partir de gas natural (metano) y vapor agua.

El Complejo José Antonio de Anzoátegui, denominado oficialmente comoComplejo Petroquímico General de División José Antonio Anzoátegui, se inauguró el

14 de agosto de 1990 con el fin de impulsar el desarrollo de la petroquímica en el

Oriente del país y actuar como bien industrial de las empresas mixtas que operan en el

área, mediante el suministro de los servicios básicos necesarios para su operación. Está


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8

ubicado en el estado Anzoátegui y tiene una superficie de 740 hectáreas donde se han

instalado las plantas de las empresas mixtas en las cuales Pequiven tiene participación

accionaria.

Las capacidades de producción nominal de metanol varían según la empresa: parael año 2010, Metor, S.A., tenía una capacidad de 1.600 MTM (miles de toneladas

métricas) y Supermetanol, C.A., de 725 MTM. Por otro lado, la producción de estas

empresas para el año 2010 eran: Metor produjo 1.078 MTM, mientras que

Supermetanol 609 MTM (Libro PODE, 2010).

Una parte del metanol producido es distribuido a las empresas venezolanas y otra

parte es exportada. Esto se ha hecho sin interrupción desde 1998 hasta la actualidad .

A pesar de ser un país productor y exportador de metanol, no sustenta la demanda

requerida de este producto. Como consecuencia, en los últimos años se ha visto la

necesidad de importar cantidades de metanol.

1.3 CARACTERIZACION ÉTICO-POLITICA

La producción del metanol se lleva a cabo por diferentes normas y leyes que van

desde la extracción de la materia prima para su producción hasta la elaborac ión y

almacenamiento del mismo (bien sea para el comercio exterior o para ser transportado

a otras plantas para ser materia prima de otro producto). A continuación se muestran

las diferentes normativas y leyes que permiten que favorecen este proyecto.

Ley Orgánica De Hidrocarburos Gaseosos

La Ley Orgánica De Hidrocarburos Gaseosos (Gaceta Oficial N° 36.793. 1999) es

una serie de normas referente al negocio gasífero del país. Explica cómo, cuáles y por

qué los yacimientos de hidrocarburos gaseosos en Venezuela son de vital importanc ia

para el desarrollo de la economía del país. Se muestra entonces como una base legaldel proyecto, debido a que el metanol se produce a partir de gas natural (una mezcla

de hidrocarburos gaseosos).

“Artículo 3. Las actividades relativas a los hidrocarburos gaseosos

estarán dirigidas primordialmente al desarrollo nacional, mediante el


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aprovechamiento intensivo y eficiente de tales sustancias, como

combustibles para uso doméstico o industrial, como materia prima a

los fines de su industrialización y para su eventual exportación en

cualquiera de sus fases. Dichas actividades se realizarán atendiendoa la defensa y uso racional del recurso y a la conservación, protección

y preservación del ambiente.”

Este articulo vela que cualquier actividad elaborada con el hidrocarburo gaseoso

estará primordialmente asociado al desarrollo nacional, por lo tanto el articulo apoya

el proyecto debido a que el aprovechamiento del gas natural promovería la producción

de metanol, contribuyendo al desarrollo de la nación.

Plan de la Patria (Segundo plan socialista de desarrollo económico y social de la

nación, 2013-2019)

El Plan de la Patria vela una serie de obras con el fin de consolidar el ámbito social,

comercial, económico y político de Venezuela. El proyecto se encuentra vinculado por

unos objetivos estratégicos y generales los cuales estipulan que:

Por otro lado, el objetivo estratégico 3.1.7.1 cita: “Diversificar el procesamiento de

gas natural, naftas y corrientes de refinación, para la generación de productos de mayor

valor agregado y la eliminación de importaciones de insumos para refinación” (p. 71).

Este objetivo anima a utilizar el gas natural para la producción de compuestos

químicos con la finalidad de erradicar importaciones de los mismos.

Además, hay objetivos promueven directamente la producción de metanol a nivel

nacional, siendo el caso del objetivo estratégico 3.1.7.5, que dice: “Expandir en 87%

la capacidad instalada del sector productor de químicos, haciendo énfasis en la

producción de aromáticos y el desarrollo de las cadenas aguas abajo del metanol y la

urea” (p. 71).Por último, el objetivo estratégico 3.1.12.3 dice: “Fomentar el desarrollo de

combustibles alternativos que reemplacen paulatinamente el consumo de derivados del

petróleo” (p. 78). Siendo el metanol un combustible ecológico, este objetivo apoya

directamente el proyecto de investigación.


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PNF Procesos Químicos

El proyecto se encuentra insertado en el PNF de Procesos Químicos ya que se

relaciona con las siguientes áreas de investigación:

Área de Investigación: PETROLEO, GAS Y ENERGÍA.Esta área de investigación contribuye al proyecto pues la producción del metanol

favorecería a la industria química en la elaboración de químicos derivados.

Área de Investigación: DESARROLLO ENDOGENO.

El metanol es un derivado del gas natural, y además de este mismo se derivan un

conjunto de productos químicos. Por ello la producción de alcohol metílico

contribuiría a ser una materia prima nacional para la producción de otros compuestos ,

además de desarrollar las tecnologías empleadas para la elaboración de estos

subproductos.


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1.4 CARACTERIZACIÓN SOCIO-ECONÓMICA

Actualmente, el combustible que diariamente millones de venezolanos adquieren

para sus automóviles es sumamente dañino para su salud y el ambiente. El metanol,

siendo un derivado del gas y coexistiendo para las llamadas gasolinas verdes, proveela posibilidad de ser el reemplazo de estos combustibles tóxicos. Incluso es un

compuesto innovador en la industria farmacéutica. Es decir, que la desvalorizac ión

social de la producción del metanol afectaría indirectamente a la economía venezola na,

debido a que la importación del alcohol metílico genera un gasto innecesario.

Registros de importaciones en el INE (Instituto Nacional de Estadística) muestran

que el metanol se importa y también se exporta. La principal planta productora de

metanol en Venezuela está ubicada en el oriente del país, llamada Metor S.A. Esta

planta no está cubriendo con la demanda nacional, ya que existe un déficit de

producción que causa la importación de metanol. Por lo tanto, en este proyecto se

realizará un estudio de diagnóstico para establecer la viabilidad de diseñar una planta

de producción de metanol que solvente ese déficit que existe en el país. Lo anterior es

con la finalidad de poder abastecer a las industrias venezolanas que utilicen el metanol

como materia prima. Como consecuencia, se busca satisfacer las necesidades de la

población, aumentando la producción de productos (formaldehido, ácido acético, entre

otros) que son creados a partir del metanol.

En la Tabla 1 se observan las importaciones de metanol de los años 1998 a 2014.

En el año 1999 y 2000, se importó la mayor cantidad de metanol que ha visto el país,

siendo 11.776.871,00 y 20.458.978,00 kilogramos netos respectivamente. Se puede

observar un ligero incremento entre el 2013 al 2014 en la importación de metanol,

causando un impacto en la economía venezolana debido a la carencia de metanol en

las diferentes industrias de manufactura.


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Tabla N°1: Importación de metanol (alcohol metílico) desde 1998 hasta 2014

AñoKilogramos

netosFOB Bs. FOB US$

1998 90.809,00 264.915.529,00 485.992,001999 11.776.871,00 1.076.954.047,00 1.804.561,00

2000 20.458.978,00 1.535.145.359,00 2.379.036,00

2001 2.584.316,00 606.794.114,00 844.256,00

2002 85.907,00 236.469.306,00 185.299,00

2003 273.559,00 509.723.248,00 318.552,00

2004 74.712,00 449.688.595,00 238.689,00

2005 104.009,00 1.288.458.685,00 591.696,002006 71.613,00 1.290.006.870,00 600.015,00

2007 46.071,99 621.026.858,65 288.858,32

2008 24.707,88 282.468,41 131.380,68

2009 29.607,52 337.977,20 157.199,40

2010 11.580,59 659.185,23 185.395,22

2011 64.978,60 4.426.530,85 1.029.425,79

2012 74.795,57 4.923.878,33 1.145.087,99

2013 30.182,93 1.516.775,79 268.971,18

2014 33.632,58 2.802.405,37 392.650,23

Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)

En la tabla 2 se presenta las exportaciones de metanol. Se puede observar que en

los años donde más se exportó el metanol fueron en el año 2001, 2013 y 2014, las

cantidades de 1.300.770.510,00; 1.471.720.000,00 y 1.456.873.892,00 kg

respectivamente.


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Tabla N° 2: Exportaciones de metanol (alcohol metílico) 1998 – 2014

AñoKilogramos

NetosFOB Bs FOB US$

1998 1.182.575.848,00 56.228.793.547,00 104.861.004,001999 1.057.433.004,00 42.050.381.380,00 69.272.546,00

2000 1.242.452.800,00 96.607.310.814,00 141.598.823,00

2001 1.300.770.510,00 141.695.463.859,00 198.106.321,00

2002 1.029.899.566,00 147.747.984.083,00 123.102.511,00

2003 952.347.824,00 294.663.321.593,00 183.983.749,00

2004 1.090.282.427,00 401.052.893.300,00 213.390.405,00

2005 991.844.465,00 471.278.610.162,00 222.099.058,002006 777.046.704,00 489.883.969.448,00 228.419.851,00

2007 845.092.480,00 589.390.117.552,00 274.455.352,00

2008 326.221.979,00 291.976.957,00 135.827.115,00

2009 160.246.340,00 51.959.053,00 24.191.602,00

2010 8.562.750,00 11.481.355,00 2.820.425,00

2011 70.545.150,00 99.373.790,00 23.111.593,00

2012 1.181.560.000,00 1.592.088.162,00 370.302.936,00

2013 1.471.720.000,00 3.347.213.362,00 547.421.237,00

2014 1.456.873.892,00 4.591.294.246,00 546.775.001,00


A primera instancia, no es lógico que se exporte tantas cantidades de metanol

(relacionada a la producción nacional) y se importe en menor cantidad. Esta

incoherencia hizo necesaria inquirir respecto a la pureza del metanol importado y

exportado. Una investigación en la Asociación Venezolana de la Industria Química y

Petroquímica (Asoquim) demostró que la pureza del metanol producida por Metror esdel 95% (metanol para combustible). Por consiguiente, se asumirá que el metanol

importado es de nivel analítico con una pureza del 99% (se asume este dato ya que no

se consiguió alguna fuente de información que indique la pureza del metanol

importado).


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Adicionalmente, se investigó en cuanto a las importaciones y exportaciones de la

materia prima, que en este caso es el gas natural. En la tabla 3, se pueden observar

cifras relativamente altas de gas natural importado durante los años 1998 hasta el 2001;

esto pudiera justificar la también alta importación metanol durante parte de ese periodo, específicamente en 1998 y 1999.

Tabla Nº 3: Importación del Gas Natural 1998-2014.

AñoKilogramos

NetosFOB Bs FOB US$

1998 2.999,00 10.923.904,00 19.135,00

1999 450.057,00 262.011.002,00 428.887,002000 44.206,00 61.096.905,00 89.172,00

2001 9.690,00 21.003.826,00 30.660,00

2002 3,00 336.547,00 242,00

2003 0 0 0

2004 0 0 0

2005 47,00 4.828.384,00 2.246,00

2006 13,00 7.740.000,00 3.600,00

2007 0 0 0

2008 235,53 21.463,45 9.983,00

2009 0 0 0

2010 1,35 674,90 259,58

2011 0 0 0

2012 0 0 0

2013 0 0 0

2014 0,98 4.315,50 685,00Fuente: Instituto Nacional de Estadística (INE)

En la tabla 4, se puede observar que los únicos años en donde hubo exportación de

gas natural en Venezuela fueron en el año 1998 y en el 2005.


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15

Tabla Nº 4: Exportaciones del gas natural 1998-2014.

AñoKilogramos

NetosFOB Bs FOB US$

1998 8.936,00 1.967.154,00 3.534,002005 62,00 521.138,00 243,00


Relacionando las tablas de importación y exportación del metanol y el gas natural

(la materia prima), es de notar que en el último año el país ha tenido la necesidad de

aumentar la importación, y disminuir la exportación de metanol. Una de las razones es

que, en ese mismo año, hubo la necesidad de importar gas natural, lo que llevo a undéficit en la producción de metanol.

Las tablas de importación y exportación del metanol y gas natural muestran que

entre los años 2013 y 2014 hubo una carencia en la producción de metanol en el país,

evidenciado a partir de que la exportación disminuyo y la importación aumentó en el

año 2014. En teoría, este déficit en la producción de metanol se debe a que en el 2014

hubo que importar gas natural, posiblemente para sustentar la producción de metanol.

Para el estudio y viabilidad del diseño de una planta de Metanol a través de gas

natural se debe establecer una base cálculo, con el fin de tener la cifra de producción

que la planta de metanol llevara a cabo para satisfacer la demanda nacional. Lo ideal

sería diseñar una planta de producción que cubra la importación más reciente

(33.632,58kg en el 2014), ya que es la cifra que denota la necesidad actualizada del

país por el compuesto. Ahora bien, las alternativas tecnológicas no son capaces de

producir metanol a tan pequeña escala (la planta de metanol con menor capacidad de

producción es de 50 toneladas por año, y la de mayor capacidad es de un millón).

Debido a esto, se ve necesario hacer un promedio de las importaciones en los últimosaños para obtener una cifra más realista a la hora de diseñar la planta.

En este sentido, se presenta la gráfica 1 que muestra la variación en cantidades (kg)

de importaciones desde el año 1998 hasta 2014:


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16

Grafica 1: Importaciones de metanol desde 1998 hasta 2014

Es evidente que un pico extremadamente alto no ayuda a tener una tendencia ideal.

Este pico se debe a las altísimas importaciones del metanol desde 1999 hasta el 2001

(posiblemente debido al cambio de gobierno en 1999, que originó una crítica situación

económica y social en el país, la cual, por su parte, ocasionó el paro petrolero de 2002).

Estas importaciones se considerarán extraordinarias y, por lo tanto, serán omitidas en

el cálculo del promedio. También se considerarán importaciones extraordinarias las

cifras que tengan más de dos números en el grupo de los miles, siendo claramente las

importaciones realizadas durante el 2003 y el 2005.

Ahora, y omitiendo las importaciones extraordinarias, se observa en la gráfica 2 una

curva de importaciones con una tendencia más razonable:

-500.000,00

2.500.000,00

5.500.000,00

8.500.000,00

11.500.000,00

14.500.000,00

17.500.000,00

20.500.000,00

K g

Año


24/117

17

Grafica 2: Importaciones de metanol desde 1998 hasta 2014 omitiendo las

importaciones extraordinarias.

El promedio, o media aritmética se define como el valor característico de una serie

de datos cuantitativos y su ecuación es la siguiente:

̅ 1∑

=

+

2+ ⋯+

Sustituyendo los datos en la ecuación se obtiene un resultado de 53.216,56

kilogramos/año. No obstante se redondeara la cifra a 55.000 kilogramos/año para la

facilidad de los cálculos de balance de masa y energía.

0,00

10.000,00

20.000,00

30.000,00

40.000,00

50.000,00

60.000,00

70.000,00

80.000,00

90.000,00

100.000,00

K i l o g r a m o s i m p o r t a

d o s

Año


25/117


26/117

19

Así mismo, se contempla instalar dos nuevas plantas de metanol (Metanol II y

III) con capacidades de 825 MTM c/u dentro del Plan Estratégico de Pequiven

2006-2012.

Así mismo, en el 2009, Alex Díaz realizó un estudio en los sistemas deinterlock de una planta de metanol llamado “ Evaluación del sistema de

protecciones para el horno reformador y compresores de procesos de una

planta de producción de metanol”. En este estudio, se diseñaron sistemas de

emergencia a equipos en donde esta función estaba deshabilitada del proceso

utilizado por la empresa Metor S.A., particularmente en el horno reformador,

la sección de compresión y las turbinas de vapor.

En 2010, Giannina Vásquez desarrolló un proyecto de investigación titulado“Simulación del proceso de obtención de metanol con el objetivo de

industrializar el gas natural en el Perú”, donde se hace referencia a altas

reservas de gas natural en Perú, las cuales no están siendo utilizadas para la

transformación en productos químicos. El estudio de la investigación propone

una serie de procesos que sustentan la creación de una planta de metanol a

partir de gas de síntesis, estos procesos son: la destilación de madera, la

Tecnología Imperial Chemical Industries (ICI), Lurgi SynGas y Lurgi

Combinado, con el fin de la perspectiva comercial para el aumento de la

economía peruana.

En marzo de 2010, Charles Gutiérrez hizo un trabajo especial de grado en

donde estudiaba tres procesos para la obtención de metanol a partir del gas

natural, y como estos pudiesen ser adaptados a las necesidades de Venezuela.

Los trabajos anteriormente mencionados plantean la necesidad de aumentar la

producción de metanol (tanto en Venezuela como a nivel mundial), sustentándose con

procesos eficientes que mantienen una relación producción/rentabilidad atractiva,algunos de los cuales han sido factibles en Venezuela. No obstante, en la actualidad

no se ha podido cubrir a su totalidad la demanda de este combustible (muestra de ellos

son los altos números de importac iones de metanol que ha hecho el país en los últimos

años). Es por ello que se desarrolla una posible solución a esta problemática, esto


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20

mediante aplicación de cálculos, investigación bibliográfica, estudio de eficiencia y

comparación con procesos similares.

2.1.2 Conceptos básicosGas Natural

Se denomina gas natural al conjunto de hidrocarburos gaseosos formados

principalmente por el metano, en proporción superior al 70%, que se obtiene de la

naturaleza en los campos petrolíferos acompañando al curso del petróleo (gas natura l

asociado) o acompañado únicamente por pequeñas cantidades de otro hidrocarburos o

gases (gas natural no asociado).

No existe una teoría rigurosa sobre su formación, pero puede asegurarse que

proviene del mismo proceso de formación del petróleo. Desde hace varios decenios,

las prospecciones geológicas, que se han acelerado después de la segunda guerra

mundial, han hecho aparecer (desigualmente repartidos sobre la superficie del globo y

a profundidades que sobrepasan, a veces, los 5000 m) yacimientos de gas más o menos

importantes y más o menos concentrados, acompañados o no de petróleo.

Los componentes que pueden acompañar al metano son hidrocarburos saturados

como etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes, tales

como dióxido de carbono, nitrógeno y, en algunos casos, ácido sulfhídrico, oxígeno e

hidrógeno. La tabla N°5 muestra la composición del gas natural extraído al oriente del

país:


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Tabla 5: Composición del gas natural extraído al oriente de Venezuela

Compuesto Formula Química %

Metano CH4 76,9

Dióxido de carbono CO2 12,5

Etano C2H6 5,8

Propano C3H8 2,5

Butano C4H10 1,1

Pentano C5H12 0,5

Heptano C7H16 0,4

Nitrógeno N2 0,1Fuente: Trabajo especial de grado realizado por Erik Pernía en el 2005 titulado

“Estudio comparativo de la riqueza del gas natural venezolano, simulando con la

válvula Joule-Thomson” en la Universidad Rafael Urdaneta.

Metanol

El metanol (conocido también como alcohol metílico o alcohol de madera), es el

compuesto orgánico más simple perteneciente a la familia de alcoholes. Su fórmulaquímica es CH3OH. Anteriormente este compuesto era obtenido por calentamiento de

la madera en un recipiente cerrado (destilación seca). Actualmente se produce

mediante la reacción de síntesis del monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono

(CO2), con hidrógeno (H2) en presencia de un catalizador bajo la acción del calor.


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22

Propiedades físicas, químicas y termodinámicas del metanol

Liquido incoloro, ligero, inflamable y tóxico.

Formula semidesarrollada: CH3-OH.

Formula química: CH4O.

Masa molar: 32,04 g/mol.

Composición: C: 37,48%, H: 12,58% y O: 49,93%.

Densidad: 0,81 g/cm3 (0 °C); 0,7960 g/cm3 (15 °C); 0,7915 g/cm3 (20 °C);

0,7866 g/cm3 (25 °C).

Número CAS: 67-56-1.

Punto de fusión: -97,8 °C.

Punto de ebullición: 64,7 °C (760 mmHg); 34,8 °C (400 mmHg), 34.8 °C(200 mmHg); 21,2 °C (100 mmHg); 12,2 °C (60 mmHg); 5 °C (40 mmHg);

-6 °C (20 mmHg); -16,2 °C (10 mmHg); -25,3 °C (5 mmHg), -44 °C (1

mmHg).

Solubilidad en agua: miscible.

Viscosidad: 0,59 mPa·s a 20 °C.

Índice de refracción a 20 °C: 1.3292.

Densidad de vapor (aire = 1): 1,11.

Punto de inflamación en copa cerrada (Flash point): 12,2 °C.

Punto de congelación: -97,68 °C.

Temperatura de ignición: 470 °C.

Límites de explosividad (% en volumen en el aire): 6-36.5%.

Temperatura crítica: 240 °C.

Presión crítica: 78.5 atm.

Volumen crítico: 118 cm3

/mol.

Calor de formación: -239,03 kJ/mol (líquido a 25 °C).

Energía libre de formación: -166.81 kJ/mol (líquido a 25 °C).

Calor de fusión: 103 J/g.

Calor de vaporización en el punto de ebullición: 1129 J/g.


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23

Calor de combustión: 22662 J/g (a 25 °C).

Temperatura de autoignición: 380 °C.

Tensión superficial: 22.6 din/cm.

Estructura y propiedades químicas del metanol

La estructura química del metanol es muy similar a la del agua, con la diferencia de

que el ángulo del enlace C-O-H en el metanol (108.9°) es un poco mayor que en el

agua (104.5°), porque el grupo metilo es mucho mayor que un átomo de hidrógeno.

En la figura 2 se observa la estructura química de una molécula de metanol.

Fig.2: Estructura química del Metanol

De los puntos de ebullición y de fusión se deduce que el metanol es un líquidovolátil a temperatura y presión atmosféricas. Esto es destacable ya que tiene un peso

molecular similar al del etano (30 g/mol), y éste es un gas en condiciones normales.

La causa de la diferencia entre los puntos de ebullición entre los alcoholes y los

hidrocarburos de similares pesos moleculares es que las moléculas de los primeros se

atraen entre sí con mayor fuerza. En el caso del metanol estas fuerzas son de puente

de hidrógeno, por lo tanto esta diferencia es más remarcada.

El metanol y el agua tienen propiedades parecidas debido a que ambos tienen

grupos hidroxilo que pueden formar puente de hidrógeno. El metanol forma puente de

hidrógeno con el agua y por lo tanto es miscible (soluble en todas las proporciones) en

este solvente. Igualmente el metanol es excelente solvente de sustancias polares, en


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24

donde se pueden disolver sustancias iónicas como el cloruro de sodio en cantidades

apreciables.

De igual manera que el protón del hidroxilo del agua, el protón del hidroxilo del

metanol es débilmente ácido. Se puede afirmar que la acidez del metanol esequivalente a la del agua.

El metanol es considerado como un producto o material inflamable de primera

categoría ya que puede emitir vapores que, mezclados en proporciones adecuadas con

el aire, originan mezclas combustibles. El metanol es un combustible con un gran

poder calorífico, que arde con llama incolora o transparente y cuyo punto de

inflamación es de 12,2 ºC.

El metanol es un compuesto orgánico muy importante ya que el grupo hidroxilo se

convierte con facilidad en cualquier otro grupo funcional. Así el metanol se oxida para

obtener formaldehído (formol) y ácido fórmico; mientras que por su reducción se

obtiene metano. Igualmente importantes son las reacciones de éter y esterificación.

Procesos para la obtención de metanol

Originariamente se producía metanol por destilación destructiva de astillas de

madera. Esta materia prima llevó al compuesto a poseer el nombre de alcohol de

madera. Este proceso consiste en destilar la madera en ausencia de aire a unos 400 °C

formándose gases combustibles (CO, C2H4, H2), empleados en el calentamiento de las

retortas. El proceso da como resultado un destilado acuoso (que se conoce como ácido

piroleñoso y que contiene 7-9% de ácido acético, 2-3% de metanol, 0.5% de acetona

y el resto en agua) y alquitrán de madera como producto de fondo.

Actualmente, todo el metanol producido mundialmente se sintetiza mediante un

proceso catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción emplea

altas temperaturas y presiones, y necesita reactores industriales grandes y complicados.En estos reactores se llevan a cabo las siguientes reacciones:


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25

La reacción se produce a una temperatura de 300-400 °C y a una presión de 200-

300 atm. Los catalizadores usados son ZnO, Cr 2O3 o una aleación de ambos.

El gas de síntesis (CO + H2) se puede obtener de distintas formas. Los distintos

procesos productivos se diferencian entre sí precisamente por este hecho. Actualmente

el proceso más ampliamente usado para la obtención del gas de síntesis es a partir de

la combustión parcial del gas natural en presencia de vapor de agua.

Sin embargo el gas de síntesis también se puede obtener a partir de la combustión

parcial de mezclas de hidrocarburos líquidos o carbón, en presencia de agua.

Los procesos industriales más ampliamente usados, usando cualquiera de las tres

alimentaciones (gas natural, mezcla de hidrocarburos líquidos o carbón) son los

desarrollados por las firmas Lurgi Corp. e Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI).

2.2 FUNDAMENTOS METODOLÓGICOS

2.2.1 Tipo de investigación

Como se mencionó en el anterior capitulo, es evidente que Venezuela sufre un

déficit en la producción de metanol, y en relación con los objetivos planteado, el tipo

de investigación es “proyecto factible”. Según UPEL (2010), define el proyecto

factible como:

“El Proyecto Factible consiste en la investigación, elaboración y

desarrollo de una propuesta de un modelo operativo viable para

solucionar problemas, requerimientos o necesidades de


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26

organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulac ió n

de políticas, programas, tecnologías, métodos o procesos. El

Proyecto debe tener apoyo en una investigación de tipo documenta l,

de campo o un diseño que incluya ambas modalidades. ”

2.2.2 Diseño de la investigación

Según Ar ias (2006), “El diseño de la investigación es la estrategia que adopta el

investigador para responder al problema planteado. En atención al diseño, la

investigación se clasifica en: investigación documental, investigación de campo e

investigación experimental”. Observando el proyecto a través de este concepto, el cual

busca analizar el aumento de producción de metanol en Venezuela, se aplicará un

diseño de tipo documental.

Santa Palella y Feliberto Martins (2010), indican que:

“El diseño bibliográfico o documental, se fundamenta en la revisión

sistemática, rigurosa y profunda del material documental de

cualquier clase. Se procura el análisis de los fenómenos o el

establecimiento de la relación entre dos o más variables. Cuando

opta por este tipo de estudio, el investigador utiliza documentos, los

recolecta, selecciona, analiza y presenta resultados coherentes”.

Para esta investigación se siguieron los siguientes pasos:

Con la finalidad de profundizar los conocimientos del tema y poseer toda la

información pertinente, se hizo la localización y comprobación de fuentes

bibliográficas y documentales tales como:

Libros sobre los compuestos implicados.

Informes, tesis o proyectos detallados sobre las diferente s

alternativas tecnológicas existentes. Publicaciones referentes a los reactivos, productos y sub productos.

Normativas relacionadas con los compuestos (como el transporte, la

manipulación, la seguridad, etc.)


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27

Información acerca de características fisicoquímicas, toxicidad,

impacto ambiental, leyes entre otros.

Se investigó y redactó la información utilizada en el Capítulo I (Socio-

tecnológico, Ético-político, Histórico-cultural, Socio-económico).Luego de haber realizado esta búsqueda de documentación necesaria (alternativas

tecnológicas, compuestos implicados, tipos de reacciones, equipos, sustancias

contaminantes), se procedió a analizar cuatro alternativas disponibles y descartar

algunas, tomando en cuenta los siguientes criterios:

Generación excesiva de contaminantes.

Uso elevado de equipos.

Catalizadores difíciles de conseguir y mantener. Energía consumida.

Caracterización técnica.

Escasa documentación debido a la continua investigación de la patente o la

privacidad de información por parte de las licencias.

Antigüedad del proceso.

Finalmente, se eligió una alternativa que armonizaba con las necesidades de

Venezuela y resuelve la problemática planteada.

2.2.3 Procedimientos de la investigación

Investigación documental

En este aspecto, se llevaron a cabo el siguiente procedimiento: se hizo una

investigación a fondo de todas las fuentes bibliográficas al alcance de los

investigadores que documentaran detalladamente las alternativas tecnológicas de

producción de metanol (materias primas, reacciones involucradas, sustancias

involucradas, catalizadores utilizados). Posteriormente, se hizo un análisis de lasmismas y se redactó la información relevante para la investigación.


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28

Caracterización de las alternativas tecnológicas

Para esto se procedió dando una descripción general del problema, se caracteriza la

problemática a nivel socio-tecnológico, histórico-cultural, ético-político y socio-

económico, con la finalidad de conocer los criterios que lleven a la selección de laalternativa más viable.

Caracterización técnica de las alternativas tecnológicas

Es la esencia del proyecto de investigación, en donde se realiza la caracterización

técnica de la alternativa planteada, así como la descripción de los procesos y diagramas

flujo, los listados de equipos e identificación de las variables dentro del proceso,

parámetros técnicos, balances de materia y energía.

Para el cálculo de los balances de materia y energía se utilizó una base de cálculo

de 55 toneladas/año (55.000 kilogramos/año), cifra resultante del promedio de

importaciones del metanol en los últimos años.

Análisis comparativo

Procedimiento en el que se conoce la alternativa tecnológica más eficiente para

solventar la problemática, de acuerdo a la caracterización del técnica del proceso. Se

exponen las conclusiones y recomendaciones, con el fin de mejorar la investigación y

llevar a cabo el proyecto.


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29

CAPITULO III

CARACTERIZACIÓN TÉCNICA DE LAS ALTERNATIVAS

SOCIO-TECNOLÓGICAS

3.1 DESCRIPCION DE LOS PROCESOS Y DIAGRAMAS DE FLUJO

Tecnología Imperial Chemical Industries (ICI)

El proceso de baja presión ICI, operado por primera vez en una planta piloto en

1966, desempeña un papel dominante. Hoy en día, aproximadamente 65% de la

producción de metanol mundial se basa en el proceso de ICI, que se caracteriza por

menores costes de inversión y proceso. El catalizador a base de ZnO/Cr 2O3 requiere

un gas de síntesis particularmente libre de azufre y cloro. Se introdujo recienteme nte

una nueva generación de catalizadores con una mayor vida útil de 50%,

aproximadamente de 3 a 5 años. La conversión es de 90% y el metanol se puede

obtener con una pureza de hasta 99,99% en peso.

Algunas de sus características más significativas son las siguientes:

Utiliza una alimentación de gas natural que luego será reformado a gas de

síntesis que contiene H2, CO y CO2. En esto se diferencia a los demás

procesos ya que la reformación de este proceso es usando vapor de agua.

Al tener una alimentación libre de azufre, el catalizador ZnO/Cr 2O3

alarga su vida útil de 36 a 60 meses entre cada regeneración. ( Industric

Organic Chemistry. 1997. pp 29)

Recicla el metano no reaccionado en la sección de reformación, para de esa

manera no perder materia prima.

Posee una sección de compresión de tres etapas con posterior enfriamiento.

Esto disminuye los costos de equipos al no tener que utilizar compresores derodillo con mayor potencia. La energía consumida por el proceso es menor

que al utilizar compresores más costosos.


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30

El reactor es extremadamente simple: es una estructura cilíndrica que

contiene sólo una carga de catalizador que puede ser intercambiada

rápidamente.

El proceso opera en presiones bajas (50 – 100 atm) y temperaturas bajas (240

– 260 °C), lo cual disminuye dramáticamente la energía consumida.

Se introduce gas frío en varios puntos de la estructura del reactor para

absorber el calor de reacción. Esta técnica es conocida como “Quench”.

La producción de impurezas en el reactor de síntesis es cerca del 0,1%. En un

caso de producirse, serían dimetil éter, ésteres, cetonas, carbonilos de hierro,

y alcoholes livianos, los cuales pueden ser retirados en una torre de

destilación.

Las plantas modernas tienen una capacidad de producción anual de alrededor

de un millón de toneladas.

A continuación, se presenta el diagrama de flujo y descripción del proceso:


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39/117

32

Descripción del proceso

El gas natural es alimentado al proceso a 17 atm de presión y 34°C de temperatura .

Este posee una composición molar constituida principalmente por un 76,9% metano,

5,8% etano, 12,5% dióxido de carbono y el resto en hidrocarburos que serán retirados.

El gas natural es pasado por un compresor K-101 en donde eleva la presión a 17

atm. La corriente 2 que sale de K-101 es dividida en dos partes: el 15% servirá como

gas combustible para las calderas auxiliares, incinerador y para suplir la energía

necesaria al horno reformador, mientras que el resto de la corriente (3) pasa a través

del tambor de succión del compresor de gas V-101 para separar los gases indeseados.

La corriente 5 que sale de V-101 pasa al compresor K-102 para aumentar la presión

del gas hasta 26 atm, el valor requerido en la sección de reformación. Esta corriente

(9) se mezcla con un recirculado (corriente 11) de metano de la sección de reformación

que no reaccionó en F-101. Por último, la corriente 10 entra al intercambiador de calor

E-101 para aumentar su temperatura a 80°C.

Reformación

La corriente 12 pasa a través de los tubos del saturador E-102, el cual es un

intercambiador de calor que tiene como función calentar el gas alimentado. Este

condensado es evaporado por el gas natural de proceso que pasa a través de los tubos

del saturador. La corriente 13 de gas sale del saturador a 172°C y 22,8 atm. La corriente

15 le suministra vapor a la corriente 13, obteniéndose así una corriente 14 con relación

vapor/metano de 3:1. El exceso de vapor es necesario para maximizar la conversión

de metano en CO y evitar la deposición de carbono sobre el catalizador de reformación.

La corriente 14 de gas de proceso más vapor es calentada hasta 530°C cuando pasa

a través del intercambiador E-103, para luego entrar a los tubos catalíticos del

reformador F-101. El horno de reformación F-101 es una estructura cuadrada aislada

térmicamente que contiene tubos llenos de catalizador de óxido de níquel (NiO) donde

ocurren las siguientes reacciones de reformación a elevadas temperaturas con un 90%

de conversión del CH4 a CO y 35% de conversión de CO a CO2:


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33

La reacción global es endotérmica lo que es favorecida por altas temperaturas y elcalor necesario para la reacción es suministrado por la combustión de una mezcla de

gas natural y 100% aire en exceso en quemadores ubicados en la parte superior de la

sección de radiación del reformador, obteniéndose como gas reformado una mezcla de

monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), hidrógeno (H2), agua (H2O) y

un poco de metano (CH4) que no reaccionó. Esta corriente alimenta a V-102, que es

un tanque a presión que separa el metano que no reaccionó y lo recircula a la corriente

10.

Compresión del gas reformado

El gas reformado (corriente 20), luego de ser enfriado en E-104, tiene una

temperatura de 39°C y 15atm de presión. Debido a la alta presión requerida en el

reactor de síntesis, el gas reformado (corriente 20) es comprimido hasta una presión

de 98,7atm en el compresor de gas de síntesis K-103A/B/C, el cual es un compresor

centrífugo que consta de tres etapas, cada una de las cuales presenta enfriamiento, de

donde se obtiene el gas de síntesis a la presión deseada y a una temperatura de 96°C,

condiciones a las cuales entra el lazo de síntesis como gas de alimentac ión. Los gases

de descarga (corriente 22) de este compresor son mezclados con los gases de descarga

del compresor de recirculación K-105 (corriente 24), de donde el gas de reciclo sale a

una presión de 98,7atm y a una temperatura de 53°C. Este compresor mantiene una

recirculación de gas residual en el lazo de síntesis.

Síntesis de metanol

La corriente de gas de alimentac ión y del gas de reciclo (corriente 23), es

precalentada en el intercambiador E-106, y luego dividida en dos corrientes: una

corriente (26) es la alimentación de gas fresco al reactor y la otra (27) se usa como gas

de enfriamiento rápido (“Quench”) para controlar la temperatura de los lechos


41/117

34

catalíticos ya que la reacción es altamente exotérmica. La alimentac ión de gas fresco

es nuevamente precalentada en el precalentador E-107, por intercambio de calor con

el gas que sale del reactor. Luego entra al reactor convertidor de metanol R-101 en

donde la conversión de la reacción es de 90%. El catalizador usado en esta reacción es

ZnO/Cr 2O3. La reacción principal y las secundarias para la síntesis del metanol son:

El gas de reacción (corriente 29) que sale del reactor R-103, es enfriado mediante

su paso por el precalentador E-107, la caldera de vapor de baja presión E-108, y del

precalentador del reactor E-106, de donde sale a 108°C. Finalmente el gas fluye al

enfriador por aire de metanol K-103, saliendo a 70°C y al enfriador por agua de

metanol E-109, de donde el metanol y el agua formados en el reactor de síntesis son

condensados y enfriados hasta 45°C aproximadamente. Esta corriente 34 pasa por el

separador V-103, en donde el gas que no reaccionó es recirculado a través del

compresor de recirculación K-104 como gas de reciclo elevando ligeramente su

presión y el metanol crudo junto a las impurezas es enviado al tanque TK-101 para

luego ser purificados en la sección de destilación.

Destilación

El metanol crudo proveniente de los tanques de almacenamiento TK-101 (corriente

35) contiene aproximadamente 80% de metanol, 18 % de agua y el resto de impurezas

más volátiles, producidos simultáneamente en la síntesis de metanol. El metanol crudo

es purificado en un sistema de dos columnas de destilación atmosférica.

La columna de destilación C-101 es una columna en la cual se separan impurezas

tales como: dimetil éter, formato de metilo, acetona, cetonas e hidrocarburos livianos.El metanol crudo proveniente de los tanques TK-101 es precalentado en el

precalentador E-110 de donde sale a 68°C y alimenta la columna de destilación. El

vapor que sale por el tope de la columna que contiene las impurezas livianas mezclada s

con metanol, pasa a través del condensador de tope, de donde el metanol y las


42/117

35

impurezas se enfrían y van al tanque TK-102. La función primordial de esta columna

es la eliminación de compuestos livianos contenidos en el metanol crudo y eliminac ión

de azeotrópicos presentes en la mezcla de metanol crudo.

El producto de fondo de la columna de destilación (corriente 39) se usa como

alimentación a la columna de destilación C-102. La columna de destilación C-102 es

una columna de 100 platos perforados, en la cual se obtiene un 99 % del metanol como

destilado. Los vapores de metanol purificado que salen por el tope de la columna son

condensados en E-112. El metanol líquido a 60°C es recibido en el tambor de reflujo

V-104 donde una porción es bombeada al tope de la columna como reflujo y el resto

es retirado como metanol producto, enfriado hasta 40°C en el enfriador E-113 para

finalmente almacenarse en el tanque TK-103 como metanol producto. El producto de

fondo es agua y es almacenada en V-105 para posterior tratamiento.


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3.2 BALANCE GLOBAL DE MATERIA Y ENERGÍA

3.2.1 Balance de materia

Se realizó un balance de masa al proceso ICI, con una meta de producción de 55

toneladas por año, para cubrir la totalidad de las importac iones del metanol. Luego a

partir de estos datos se calculó la materia prima necesaria para el proceso, conociendo

así cuanto de gas natural y vapor de agua se requieren para producir metanol.

Un balance de masas se basa en la ley de la conservación de la materia, la cual dicta

"En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivo

es igual a la masa de los productos", cuya ecuación es la siguiente:

∑ = ∑ Relacionándola con las reacciones que se llevan a cabo en el reactor de síntesis de

metanol tenemos que:

Estas reacciones son las más importantes a considerar ya que sus productos son el

metanol. No obstante, también se lleva otra reacción acabo, en donde el metanol

producido se descompone para formar dimetil éter como impureza:


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Pero debido a la alta conversión de CO que ofrece la alternativa, esta reacción puede

ser despreciada y no afectará de manera significativa el balance de materia.

Utilizando las reacciones que forman el producto deseado, aplicando la ley de

conservación de la masa y haciendo un cálculo inverso a partir de 55 toneladas anuales

de metanol que se quieren producir, se obtuvo que se requieren 49,93 toneladas de gas

natural por año y 109,94 toneladas de vapor de agua por año. (Los cálculos de este

balance se encuentran en el anexo 1)

3.2.2 Balance de energía

Un balance de energía tiene como finalidad conocer la cantidad de energía necesaria

para que un proceso funcione correctamente. En este sentido, se puede hacer un

balance de energía en cada alternativa tecnológica propuesta utilizando la primera ley

de la ter modinámica, cuyo enunciado formal es el siguiente: “La cantidad total de

energía del universo es constante aunque adopte diferentes presentaciones; cuando

desaparece una forma de energía surge simultáneamente con otra apariencia.” La

ecuación del enunciado es:

∆í = í Sustituyendo en la ecuación los tipos de energías generadas por el sistema (cinética,

potencial e interna) y las transferidas al universo (trabajo y calor), la primera ley queda

de la siguiente manera:

∆ + Δ + Δ = + Esta ley se conoce como la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados.

No obstante, las alternativas tecnológicas son sistemas abiertos, por lo tanto habría que

utilizar la primera ley de la termodinámica para sistemas abierto. En esta ecuación la

energía interna se conoce como entalpía:

∑ ∆ + ∑ ∆ + ∑∆ = + Tomando en cuenta que la energía cinética, la energía potencial y el trabajo son

igual a cero, o son números muy pequeños que se consideran despreciables, la

ecuación para el balance queda de la siguiente manera:


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∑ ∆ = Ahora bien, las reacciones generan y consumen energía, en cuyo caso habría que

tomar en cuenta la energía que se genera en los productos y en los reactivos, por lo

tanto la ecuación de balance seria:

= ∑∆ − ∑ ∆ + ∆ó En donde el calor de reacción, que se define como la cantidad de energía absorbida

o desprendida en una reacción química, viene expresado como la diferencia entre la

entalpía de los productos y los reactantes:

∆ó = ∑° − ∑ ° Por su parte, la entalpia es una magnitud cuya variación expresa una medida de la

cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la

cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. Se calcula usando la

siguiente ecuación:

= ∫

La capacidad calorífica, denotada C p, se puede calcular a través de la siguiente

ecuación: = + + + De donde T es la temperatura y a, b, c, y d son constantes tabuladas para cada

compuesto. Integrando esta ecuación, se tiene que:

= ∫ + + + = ∫

+∫

+ ∫

+ ∫

=

= ∫

+ ∫

+ ∫

+ ∫

= +

2 +

3 +

4

1 =

= − 1 + 2 ( − 1) + 3 ( − 1) +

4 ( − 1)

El calor se utilizará como variable para saber la energía necesaria por el sistema, en

este caso el sistema serán las alternativas tecnológicas. Como calcular directamente el


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calor de un proceso utilizando esta ecuación es casi imposible, debido a la cantidad de

equipos las cuales emiten un calor particular, el calor total del proceso también se

conocerá como la sumatoria de los calores del sistema:

= ∑ = 1 + + ⋯ + Con todas estas ecuaciones, ya es posible plantear un balance de energía en

cualquier equipo de cualquiera de las alternativas tecnológicas.

Hacer un balance de energía en cada equipo involucrado en la alternativa no está en

la posibilidad de los investigadores debido a la falta de datos en los equipos para

sustituir en las ecuaciones y a la poca experiencia de estos, en el área de diseño de

procesos y equipos. Es por ello, que sólo se plantearan los balances de energía en los

equipos principales sin resolución numérica de los mismos.

A continuación se presentan los balances de energía en los equipos principales del

proceso ICI:


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Planteamiento del balance de energía en R-101

Figura 3: Reactor de síntesis R-101 con las corrientes involucradas.

La ecuación de balance de energía, utilizando la primera ley de la termodinámica

para sistemas abiertos, aplicada a R-101 queda de la siguiente forma:

= ∑ ∆ = ∑ − ∑ + ∆ó

= ( + + + + ) − ( + + + ) + ∆ = ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ °

− ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ∆


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Planteamiento del balance de energía en F-101

Figura 4: Horno reformador F-101 con las corrientes involucradas.

La ecuación de balance de energía, utilizando la primera ley de la termodinámica

para sistemas abiertos, aplicada a R-101 queda de la siguiente forma:

= ∑ ∆ = ∑ − ∑ + ∆ó

= ( + + + + ) − ( + + ) + ∆ = (ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° )

− (ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° + ℎ ∗ ° ) + ∆


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CAPITULO IV

CARACTERIZACIÓN AMBIENTAL DE LAS ALTERNATIVAS SOCIO-

TECNOLÓGICAS

Se expondrán a través de estudios y tablas los diferentes compuestos presentes en

el proceso, cada uno con su toxicidad, daños al ambiente y/o ser humano o animales.

Además también se hará un análisis de los diferentes tratamientos que se pueden llevar

a cabo en un posible accidente en donde estén involucrados estos compuestos tóxicos.

4.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS Y DESECHOS

CONTAMINANTES

Las sustancias implicadas en el proceso son:

Dióxido de Carbono.

Etano.

Heptano.

Hexano.

Hidrógeno.

Metano.

Metanol.

Monóxido de Carbono.

Oxígeno.

Pentano.

Propano.

Se pueden observar que algunos de los compuestos que se presentan no son

contaminantes ni perjudican a los seres vivos (hidrógeno y oxígeno), pero cabe

destacar que en el proceso hay compuestos que si presentan características tóxicas a

los seres vivos y su entorno.


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A continuación se presentan en la tabla 6 los compuestos tóxicos al ambiente, y de

igual manera se presentan, en forma resumen de las fichas técnicas, los daños que

pueden ocasionar al medio ambiente (las fichas técnicas de cada compuesto se pueden

consultar en el anexo 2):

Tabla 6: Sustancias tóxicas en el proceso

Compuesto Toxicidad Aspectos ambientales

Dióxido de

Carbono

CO2

La sustancia se puede absorber por

inhalación. Al producirse pérdidas

en zonas confinadas, este líquido se

evapora muy rápidamente

originando una saturación total del

aire con grave riesgo de asfixia.

No presenta contaminación

directa al medio ambiente

Etano

C2H6

Altas concentraciones en el aire

producen una deficiencia de oxígeno

con riesgo de pérdida de

conocimiento o muerte.

No presenta contaminación

directa al medio ambiente

Gas Natural

VLA-ED: 1000 ppm.

Las concentraciones altas de gas

desplazarán el oxígeno disponible

del aire; la inconsciencia y muerte

pueden producirse a consecuencia

de la falta de oxígeno.

No se clasifican como amenazaambiental según los criterios de

CEE.

Heptano

C7H16 VLA-ED: 500 ppm (2.085 mg/m3)

No presenta contaminación al

medio ambiente

Hexano

C6H14

El hexano tiene una baja toxicidad

aguda, con un LC50 (a una hora) de

77.000 ppm (276 g/m3) en ratas

(Pryor etal., 1982). Aparentemente,

los efectos críticos del hexano son la

toxicidad testicular y neurotoxicidad.

Tóxico para los organismos

acuáticos, puede provocar a

largo plazo efectos negativos en

el medio ambiente acuático.


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Tabla 6: Sustancias toxicas en el proceso (continuación)

Compuesto Toxicidad Aspectos ambientales

Metano

CH4

El metano no está listado en el

IARC, NTP, o por OSHA como

carcinogénico o potencial

carcinogénico

El metano no es químico que

reduzca el ozono. No se

anticipa ningún efecto en la

vida de las plantas. El metano

en la atmósfera es una de las

causas del efecto invernadero.

Metanol

CH3OH

RQ: 5000

IDLH: 25000 ppm

LDLo (oral en humanos):

4.28mg/Kg


medio ambiente.

Monóxido de

Carbono

CO

Gas tóxico que se clasifica como un

asfixiante químico. Concentración

atmosférica peligrosa para la vida en

corto tiempo 3500 ppm (0,35%).

El monóxido de carbono es

poco soluble en agua. Ingresa a

la atmósfera y se oxida

rápidamente formando dióxido

de carbono.

Pentano

C5H12

El pentano no parece tener una

elevada toxicidad aguda. VLA-ED:

1000 ppm (3000 mg/m3

)


medio ambiente.

Propano

C3H8

LMPE-PPT (1000 ppm (1800

mg/m3) Altamente inflamable.


medio ambiente.

Fuente: Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo de España, Dorwil, y

The Linde Group.

4.2 IDENTIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE CONTAMINACIÓN ASOCIADAS

A LOS PROCESOS

Unas vez conocido el rango tóxico de los diferentes compuestos basados en la tabla

6, se explicará el tipo de contaminación que producen en el proceso y, de no serlo,

también se explicará el por qué.


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El dióxido de carbono es un gas incoloro, inodoro y vital para la vida en la Tierra.

El CO2 existe en la atmósfera como gas traza a una concentración de alrededor de 0,04

% (400 ppm) en volumen. Dado que el CO2 es soluble en agua, su degradación es

bastante rápida. Al estar en contacto con el aire del ambiente el dióxido de carbono

tiene una vida media de aproximadamente 10 horas. Su calor causa gran impacto en la

atmósfera, sin embargo, como en el proceso el CO2 es parte del gas de síntesis

(alimentación del reactor), este no es contaminante.

El etano es un hidrocarburo alifático alcano con dos átomos de carbono, de fórmula

C2H6. En condiciones normales es gaseoso y un excelente combustible. Su punto de

ebullición está en -88 °C. Si bien el etano no presenta contaminación al medio

ambiente, este igual no es un desecho que en el proceso se libere a la atmósfera.

El gas natural es la materia prima utilizada para la formación de metanol en los

diferentes procesos. Este compuesto se encuentra constituida principalmente por un

81,7% metano, 5,8% etano y 12,5% dióxido de carbono. Por su parte, el gas natural no

posee características contaminantes para el ambiente y/o seres vivos. Por ser la materia

prima del proceso no tiene contacto con el ambiente (se ingresa al proceso), es decir

que no es un contaminante.

El heptano y hexano son de la misma familia (hidrocarburos alcanos). Estos son

separados del gas natural justo después de entrar al proceso, pero no son liberados a la

atmósfera como desecho. Ahora bien, si fueran liberados estos no ocasionarían daño

significativo al medio ambiente, ya que su vida media es de 16 horas.

El metano tampoco es contaminante, pero es altamente inflamable y por lo tanto su

temperatura al ingresar al proceso es de 34°C. Se considera aceptable, ya que puede

provocar asfixia en los ambientes donde el oxígeno se encuentre entre 21% y 15%. Es

uno de los principales compuestos que producen el efecto invernadero, pero este en

ningún momento deja la línea de producción. De hecho, el metano que no reacción es

recirculado para no perderlo como desecho.

Por su parte, el metano es el producto obtenido al final del proceso, este es tóxico y

nocivo para la salud humana y animal. Además es altamente volátil y por lo tanto

aumentaría las posibilidades de incendio. No obstante, es muy soluble al agua y su


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estructura hace puentes fácilmente con esta, es decir que cantidades de metanol en el

agua no son tóxicos para el medio ambiente. Por supuesto, esto ni siquiera se pensaría

en desechar debido a que es el producto deseado.

El monóxido de carbono es altamente tóxico tanto para el medio ambiente como

para los seres vivos. Es causante del calentamiento global y este se produce a través

de reacciones de combustión. Cabe destacar que el CO se produce en los hornos

reformadores de los procesos, sin embargo, el monóxido de carbono no es un

compuesto que emana a la atmósfera, por lo tanto no existen daños tóxicos en el medio

amiente. El CO actúa como un reactivo necesario para la optimización del proceso.

Por el contrario, debido a la conversión del reactor de síntesis este queda como reactivo

en exceso y se recircula para poder aprovecharlo y no dejarlo como sustancia

contaminante.

El pentano y el propano son compuestos retirados del gas natural. Aún cuando no

se liberaran a la atmósfera, estos compuestos se encuentran en pequeña fracciones que

no serían nocivas para el medio ambiente. No son agentes contaminantes.

4.3 IDENTIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS AMBIENTALES

POSIBLES

Como se indicó en el anterior subtitulo, los compuestos naturalmente contaminantes

y tóxicos involucrados en el proceso son importantes para la obtención de metano l.

Estos no dejan la línea de producción en ningún momento y por ende no son

contaminantes del medio ambiente que se deban tratar. No obstante, se expondrán

algunas medidas que se pueden utilizar en un accidente en donde alguno de estos

compuestos salgan a la atmósfera a través de una fuga.

Como se pudo ver el monóxido de carbono (CO) es uno de las sustancias que se

forma a mediados del proceso a través del horno reformador, técnicamente no se puede

eliminar dicha sustancia, ya que en el horno reformador se produce una reacción de

combustión y por lo tanto, se produce una cantidad de CO. El CO cabe destacar es

necesario para el proceso ya que se involucra más adelante en el reactor convertidor

del metanol.


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Es este un gas que se caracteriza por ser menos denso que el aire, incoloro, inodoro

y sin sabor, que no tiene características irritantes, pues su mecanismo de acción es

asfixiante. Se origina en la combustión incompleta de materiales que contienen

carbono en su composición. Como también ya se expuso anteriormente, el monóxido

de carbono es una sustancia que no emana a la atmósfera, es decir, es un reactivo que

permanece únicamente dentro del proceso de síntesis de metanol.

En una posible ocasión en que alguno de los equipos que contenga el CO ocurra

alguna falla, y este emane a la atmósfera contaminando todo el entorno, se recomienda

principalmente oxigenar el lugar para disminuir los niveles de monóxido de carbono

en el ambiente. Si algún individuo haya inhalado CO tener precaución de no estar en

contacto con otros gases, ya que estos podrían reaccionar y formar otros gases.

El producto final que es el metanol es también una sustancia toxica la cual una vez

que sale por el tope de la torre de destilación debe ser almacenado en un tanque que

soporte las presiones y temperaturas de 40°C, ya que el metanol es contaminante

principalmente para el medio ambiente a temperatura ambiente.


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CAPITULO V

ESTUDIO BASICO DE COSTOS DE SUSTANCIAS Y MATERIA PRIMA

5.1 COSTOS DE SUSTANCIAS Y MATERIA PRIMA

A continuación se presentaran los costos en moneda nacional (Bs.) de las sustancias

y materia prima utilizadas en la alternativa tecnológica. En las reacciones de las

alternativas tecnológicas la materia prima utilizada es el gas natural, el cual se extrae

en grandes cantidades en el país. Según una consulta realizada en el INE en diciembre

del 2015, el precio por kilogramo neto del gas natural en el mercado fue:

Costo del gas natural (Bs./Kg) 12,07 Bs.

La cantidad de materia prima necesaria y los costos relacionados son de:

CompuestoKilogramos por

añoBolívares por año Bolívares por hora

Gas natural 49.927,23 602.621,67 68,79

5.2 COSTOS DE PRODUCTOS FINALES

El producto final deseado es el Metanol, del cual se desean producir 55.000 kg por

año. Si se le introduce la cantidad de materia prima antes mencionada, el precio del

Metanol según el Instituto Nacional de Estadística (INE) es de:

Costo del Metanol (Bs./Kg)

83,32 Bs.


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CAPITULO VI

VIABILIDAD DE LAS ALTERNATIVAS SOCIO-TECNOLÓGICAS

A lo largo de la investigación, se hace evidente que existe una problemática con

respecto a la producción de metanol en el país: no se está produciendo lo suficiente

para cubrir la demanda. Como medida, se está recurriendo a las importaciones del

compuesto.

El análisis de este problema se hizo considerando un diagnostico ético-polít ico,

histórico-cultural, socio-económico, técnico, económico y ambiental, tomando en

cuenta todo lo relacionado de este compuesto en Venezuela e identificando las

materias primas necesarias para que se lleve a cabo el proceso.

Se obtuvo a partir de los balances de masa la cantidad necesaria de la materia prima

para producir 55 toneladas al año, cifra promedio de las importaciones del metanol en

los últimos 15 años (sin considerar algunas importaciones extraordinarias).

En la presente investigación se disponían de cuatro alternativas tecnológicas

propuestas para la producción del producto final de interés. De estas se seleccionó

como tecnología principal de estudio la tecnología licenciada por Imperial Chemical

Industries (ICI). Hoy en día, aproximadamente 65% de la producción de metanol

mundial se basa en el proceso de ICI. Este se caracteriza por menores costos de

inversión y proceso. El proceso opera a presiones y temperaturas bajas, factor que

disminuye drásticamente la energía consumida.

Tiene un reactor sencillo con una sola carga de catalizador. Este equipo también

utiliza la técnica de “Quench”, que consta de introducir gas frío en varios puntos de la

estructura para absorber el calor de reacción. Respecto al catalizador, es a base de

ZnO/Cr 2O3 y posee una vida útil de aproximadamente de 3 a 5 años. ( Industric Organic

Chemistry. 1997. pp 29)

Por otro lado, la conversión del CO a metanol es de 90% y se puede obtener un

metanol con pureza de hasta 99,99% en peso. En este sentido, la producción de

impurezas en el reactor de síntesis es cerca del 0,1%, y en un caso de producirse, el


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proceso integra dos torres de destilación en donde estas impurezas, las cuales son más

volátiles que el metanol, se separan en la primera torre para solo purificar el metanol

en la segunda torre.

El proceso no produce contaminantes que afecten al ambiente (los únicos

compuestos que se consideran contaminantes son necesarios para el proceso y no salen

de la línea de producción). En un supuesto caso de que alguno de los equipos

presentara alguna falla y cree una fuga de algunos de los reactivos o productos a la

atmosfera, estos se pueden neutralizar rápidamente.

Finalmente, este es el proceso con más información al alcance público, es decir que

hay fuentes de información suficientes para hacer un análisis completo del proceso.


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CONCLUSIONES

El proceso más viable para la producción de metanol es la tecnología Imperial

Chemical Industries (proceso ICI).

Este proceso no posee contaminantes que causen un drástico impacto en el

ambiente (solo cuando se considera el proceso como sistema y no se incluye

la extracción de la materia prima).

Para cubrir las importaciones totales del compuesto (55 toneladas) será

necesario alimentar este proceso con 49,93 toneladas de gas natural.


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RECOMENDACIONES

El estudio de este proyecto alcanzo una primera fase de investigación, sin embargo

se recomienda seguir en su análisis.

Continuar el proyecto de investigación para desarrollarlo con cálculos técnicos más

avanzados.

Investigar los datos faltantes para la realización de los balances de energía

planteados.


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REFERENCIAS

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Ministerio del Poder Popular para la energía y el petróleo (2010). Petróleo y datos

estadísticos (PODE).

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producción de metanol a partir del gas natural

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