Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional Esta licencia permite a otras combinar, retocar, y crear a partir de su obra de forma no comercial, siempre y cuando den crédito y licencia a nuevas creaciones bajo los mismos términos. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ 1 FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y PETROQUIMICA ESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA “DISEÑO DE UN REACTOR PARA LA OBTENCION DEL METANO A PARTIR DE LA SINTESIS DEL DIOXIDO DE CARBONO PRODUCIDOS EN LA COMBUSTION” BORRADOR DE TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO QUIMICO AUTOR: SORIA QUISPE, MARIA YOLANDA MAQUERA LINARES, STEFANY KIMBERLY ASESOR: DR. FERNANDO EDUARDO, CANO LEGUA. ICA – PERU 2019 2 DEDICATORIA: El presente trabajo va dedicado a Dios por habernos permitido llegar hasta este momento importante de nuestra formación académica, quien como guía estuvo presente en nuestros caminos de la vida dándonos fuerza para continuar y no desfallecer. A nuestra familia por ser el pilar más importante para cumplir nuestra meta, siempre apoyándonos y festejando con nosotros cada logro. 3 INDICE RESUMEN INTRODUCCION CAPITULO I: FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION 1.1. Antecedentes 1.2. Definición del problema 1.3. Importancia 1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General 14.2. Objetivos Específicos 1.5. Hipótesis 1.6. Variables 1.6.1. Variables Independiente 1.6.2. Variable Dependiente 1.7. Justificación 1.7.1. Justificación Técnica 1.7.2. Justificación Económica 1.7.3. Justificación Social CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.1. Hornos de Fundición 2.2. Procesos de Combustión 4 2.3. Ciclos Termodinámicos de los motores de combustión interna 2.3.1. Ciclo Otto 2.3.2. Ciclo Ideal Diesel 2.4. Dióxido de Carbono 2.4.1. Características físicas y químicas 2.5. Dióxido de Carbono 2.5.1. Características físicas y químicas 2.6. Métodos de eliminación del dióxido de carbono 2.7. Estequiometria de las emisiones de CO2 en la combustión 2.7.1. Combustión teórica. 2.7.2. Composición de las emisiones del CO2 2.8. Temperatura máxima y adiabática de los productos de combustió 2.9. Entalpia y eficiencia del proceso de combustión 2.10. Emisión y Concentración de los productos de combustión 2.11. Tecnologías de automoción para reducir emisiones 2.12. Reducción del CO2 por Absorción con Aminas 2.12.1. Etapas del proceso de endulzamiento 2.13. Método de la Conversión del CO2 en gas metano. 2.14. Consumo de CO2 en la ciudad de Ica 2.14.1. Consumo de Energía Por Sectores 2.14.2. Consumo Final de Energía Por Fuentes 2.14.3. Consumo Final Total de Energía por Sectores 5 2.15. Emisiones al Ambiente Generadas por el Consumo Final de energía comercial 2.15.1. Emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) 2.16. Tipos de Diseño de Reactores para el Craqueo Térmico CAPÍTULO III: METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION 3.1. Estudio Termodinámico 3.1.1. Reacción de metanación de dióxido de carbono 3.2. Estudio Cinético 3.3. Balance de Materia y Energía 3.4. Cálculo de diseño del Reactor 3.4.1. Sobredimensionamiento del Reactor 3.4.2. Material de Construcción del Reactor CAPÍTULO IV: PRESENTACION, ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS 4.1. Análisis de resultados 4.2. Parámetros de Diseño Obtenidos CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS 6 RESUMEN En el presente trabajo de investigación desarrollamos el diseño de un reactor para disminuir el dióxido de carbono concentrado que pueden originar en los procesos de combustión al quemar combustibles fósiles o en el proceso de fundición de altos hornos o en los procesos industriales. En estos últimos tiempos en el cual el calentamiento global originado por el aumento transmitido por gases de efecto invernadero, donde está el CO2, nuestro trabajo es importante, porque intentamos resolver un problema causado por la humanidad, diseñando un reactor para la conversión del dióxido de carbono en metano, este último compuesto puede volver a ser utilizado como fuente de energía optimizando el proceso y reduciendo costos en el proceso industrial. En nuestro trabajo desarrollamos el marco teórico fijando los conceptos relacionados con le emisión del CO2 y la forma de calcular la cantidad de esta sustancia en un proceso de combustión, luego determinamos modelos matemáticos termodinámicos para estimar o predecir la temperatura del proceso adecuada y después proceder al diseño del reactor teniendo en cuenta la cantidad de producto que se va a obtener de acuerdo a la conversión delCO2 EN CH4. 7 Usamos una técnica conocida para desarrollar nuestro trabajo que es el proceso de mecanización del CO2, que es la tecnología de síntesis de los óxidos de carbono obteniendo metano como producto. 8 INTRODUCCION La humanidad ha generado un problema que últimamente casi todos los territorios de la tierra intentan resolver, este es el calentamiento global originado por la emisión elevada y sin control de gases con efecto invernadero que perjudican la capa. Existen diferentes tecnologías para disminuir la concentración del CO2, desde la absorción utilizando aminas, uso de tamices moleculares como las zeolitas o el método de síntesis para obtener metano a partir del dióxido de carbono. El metano obtenido en esta tecnología puede ser utilizado como fuente de energía, el cual daría valor agregado a una sustancia que se pierde y dispersa en el ambiente causando daños a nuestra atmosfera. Evaluando tecnologías, nosotros en nuestro trabajo de investigación determinamos parámetros de diseño en un reactor para sintetizar el CO2 procedente en los combustibles, para obtener metano aplicando conceptos relacionados a la termodinámica y a la cinética química para evaluar el proceso de conversión del CO2 en metano. Por tal motivo se ha propiciado la implementación de determinadas medidas constructivas y operativas que permitan ofrecer una solución viable técnica, cuyo 9 objetivo es reducir los combustibles fósiles por la exposición de gases contaminantes al medio ambiente. 10 CAPITULO I: FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACION 1.1. Antecedentes Se desarrollará, abordando diversos temas relacionados con la Reducción de los gases de combustión en hornos de fundición y procesos en los cuales se involucra la emisión de óxidos de carbono, resaltando fundamentalmente las características de la tecnología empleada, sus ventajas y la incidencia de los gases de combustión sobre el medio ambiente. Se han realizado estudios que sobre el presente trabajo de investigación el cual presentamos en las siguientes referencias bibliográficas: 1. Ballard, D.,"GLP Como combustible vehicular", Hydrocarbon Processing, Vol 45, No.4, pp.137-144, April, 1998. 2. Campbell, J.M., "Gas Conditioning and Processing", 5TH ed., Campbell Petroleum Series, Norman, OK, 1979 3. Campbell,G.R., "Improving NGL plant performance", Oil & Gas Journal, October 24, 1983. 4. Crum,F.S.,"There is a place for J-T plants in LPG recovery", Oil & Gas Journal, August 10, 1981. 11 1.2. Definición del problema El problema se circunscribe por la contaminación ambiental debido a los gases de combustión producidos por la quema de combustibles y el aumento del parque automotor, que hacen que la concentración del dióxido de carbono en el aire aumente y se produzcan los cambios y fenómenos climáticos en el mundo, el cual pretendemos solucionar en parte con el presente trabajo. Frente a la problemática nos planteamos el siguiente problema metodológico: ¿En qué medida se puede diseñar un reactor para la obtención del metano a partir de la síntesis del Dióxido de carbono en los gases producidos en la combustión? 1.3. Importancia El presente trabajo se justifica técnicamente, económicamente y desde el punto de vista social, porque se pretende resolver un problema generado por la excesiva contaminación por efecto de gases producidos por la contaminación, que genera el calentamiento global enel mundo el cual es un problema para la humanidad. 1.4. Objetivos 1.4.1. Objetivo General Valuar los parámetros de diseño del reactor para la obtención del metano a partir de la síntesis del dióxido de carbono producidos en la combustión 12 1.4.2. Objetivos Específicos  Establecer parámetros del diseño de reactor en el proceso de la metanizacion.  Evaluar el estudio termodinámico y cinético en el proceso de la conversión.  Determinar el grado de conversión en el proceso de la metanizacion. 1.5. Hipótesis Si es posible aplicar el diseño de un reactor para la obtención del metano a partir de la síntesis del dióxido de carbono producidos en la combustión. 1.6. Variables 1.6.1. Variables Independiente:  Diseño de un reactor para la conversión del Dióxido de carbono en metano 1.6.2. Variable Dependiente:  Parámetros de diseño del reactor 1.7. Justificación: 1.7.1. Justificación Técnica Este trabajo presente se justifica prácticamente, por lo que existe en nuestra región, país y el mundo la tecnología adecuada y necesaria para aplicar esta tecnología y resolver este problema que genera el calentamiento 13 global, luego se procedería a diseñar los reactores para el proceso de conversión de los óxidos en otros productos, lo que se justificaría con los parámetros termodinámicos evaluados en el presente estudio. 1.7.2. Justificación Económica El proceso de metanizacion, traería como consecuencia ampliación de las plantas existentes y que emiten estos óxidos, para proceder a reducirlos y convertirlos en gas metano y utilizarlos como fuentes de energía, lo que generaría mano de obra, trabajo directo e indirecto, donde se amplié o instale plantas de conversión de metano a partir de los óxidos de carbono. 1.7.3. Justificación Social En el aspecto social se justifica el presente trabajo, porque aparte de generar trabajo directo e indirecto, ayudaría a resolver problemas ambientales y quizás se evitarían los conflictos sociales que se generan por la contaminación ambiental, nuestro trabajo es para minimizar la concentración de óxidos de carbono y darles un valor agregado en el mercado nacional e internacional. 14 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.1. Hornos de Fundición Es una máquina que se utiliza para fundir metales debido a su forma clásica del mineral. Estos hornos pueden utilizarse para obtener metales como el bronce y hierro. Como el horno de función tiene más recursos y tiempo para elaborar su contraparte primitiva, y no puede construirse en el exterior, procesa los recursos de forma más eficiente, necesitando menos ingredientes para crear la misma cantidad de metal. Un horno de fundición se puede elaborar dentro de un edifico, no se puede elaborar en vehículos. Mientras tanto en el horno de fundición rudimentario tiene que elaborarse en el exterior.  Horno de Reducción Directa (Hierro Esponja – Aceros Arequipa) El hierro esponja es un elemento con gran importancia en la elaboración del acero. lo obtenemos de la planta de reducción directa a partir de la reducción del mineral de hierro que está en forma de “pellets”. Se le llama “hierro esponja “porque cuando se le extrae el oxígeno al mineral obtenemos un producto 15 metálico poroso y liviano. El mineral de hierro (óxido de hierro) es la materia principal para poder obtener el hierro esponja. Estos, se guardan en silos, para luego ingresar a los hornos. En los calentadores rotativos se disminuye el mineral de hierro, liberándolo del oxígeno a causa de la actividad del carbón, para cambiar la parte más notable del hierro a su estado metálico y utilizarlo en el calentador eléctrico como carga metálica en el ensamblaje del acero, con el beneficio de obtener un artículo con menor medida de acumulación y mejores propiedades. 2.2. Procesos de Combustión. La interacción de encendido que se produce en los motores de combustión interna (M.C.I.) es una medida físico-sustancial acabada, no obstante, la fuerza del motor, la productividad financiera (utilización) están afectadas por la consistencia de la descarga de calor y la diferencia de factor de presión y temperatura dentro del cilindro dañado por dicho. 𝐶𝑥 𝐻𝑦 + (𝑂2 + 3.76 𝑁2) → 𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑁2 + 𝑁𝑂𝑥 + 𝑆𝑂𝑥 + 𝑄 … … .2.1 Si Temp. >= 2700°C, posee entonces combustión anormal (incompleta). Origina: Mala detonación, pre-encendido, post-encendido, autoencendido. Durante el arranque, cuando un trozo de la mezcla de combustible y aire no se ha quemado, se presenta a variables de factor de presión y temperaturas 16 inimaginablemente altas debido a la abundante fuerza de los gases de la parte que se ha quemado con éxito, y en tales condiciones se produce otra explosión en el resto de la mezcla, este efecto se conoce como post-encendido. Esta ráfaga provoca un establo metálico y agudo (sacudida), cuyas principales secuelas son la pérdida de fuerza y el sobrecalentamiento del motor. En caso de que este efecto se mantenga durante bastante tiempo y en condiciones absurdas, puede perforar las cámaras. Justo cuando los almacenes de carbono que se organizan dentro de la cámara de encendido permanecen brillantes, un trozo de la miscelánea de aire e inflamable se consume antes de que se enciendan las luces de destello, este efecto se conoce como pre-encendido opre-ignición y además provoca conmociones de marca. Los dos casos, pre-encendido y post-encendido, se llaman autoencendido.  Perdida por Disociación En el caso de que la Tº de combustión de la cámara sea de 1500°C o superior, se produce una separación empeorando a 2000°C dichos elementos de inflamación, en consecuencia, asumimos: Asumimos que “q” es el producto que esta con temperaturas elevadas. La eficiencia es lo que disminuye el fenómeno de separación. 17 Se agregan sustancias al petróleo o gas para poder reducir el fenómeno de la separación con el objetivo de que no se produzca a una temperatura de 1500°C pero sí mayor de 1800°C. Proyectar y mantener un marco de congelación sobresaliente para reducir el fenómeno de separación. Hacer que el encendido tenga una duración mínima , comprobando el marco eléctrico, afinándolo y evadiendo que se produzcan sacudidas (mezclas contaminadas). Lograr la consistencia con el límite de la cilindrada, por ejemplo, para garantizar que una medida suficiente de mezcla entra en el motor.  Combustión Los siguientes criterios se sacaron del libro "Termodinámica Aplicada", Jaime postigo y Juan Cruz.  Clases de combustión: a) Combustión completa: Esta combustión tiene unos componentes oxidables que se oxidan completamente (uniéndose al oxigeno ) , como por ejemplo el carbono se oxida y seria Dióxido de carbono y el hidrogeno en agua Ej. : La ecuación completa de la gasolina es: El Hidrocarburo ---->C8 H18 (gasolina) Aire Atmosférico----> O2 + 3.76 N2 18 b) Combustión ideal: Esta combustión es completa, quiere decir que los elementos de los hidrocarburos se van oxidar completamente) logrando que el oxígeno dado sea el minúsculo necesario. Como ejemplo mostramos la ecuación del gas propano en la combustión: 𝐶8𝐻8 + 5 (𝑂2 + 3.76𝑁2) → 3𝐶𝑂2 + 4𝐻2𝑂 + 18.8 𝑁2 … … … … 2.3 Hidrocarburo: C3 H8 (propano) Aire atmosférico: 5 [O2 + 3.76 N2] Para esta situación sólo se aportan 5 átomos de O2 (el mínimo ), en la quema total (pasada), tenía 12,5 partículas O2. c) Combustión incompleta (real): el punto en el que el O2 no consume completamente los componentes de hidrocarburo, punto de los elementos que puede haber combustibles como el CO o el "combustible vivo". Ej. : Ecuación de combustión incompleta de un Hidrocarburo genérico: 𝐶𝑥 𝐻𝑦 + 𝑏(𝑂2 + 3.76 𝑁2) 𝑚( 𝐶𝑂2 + 𝑛𝐻2𝑂 + 𝑞 𝑂2 + 𝑟 𝐶𝑂 + 𝑃𝑁2 + 𝑜𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 … … … … … … … … … … … … … … … . .2.4 Hidrocarburo genérico: CxHy Aire atmosférico: b (O2 + 3.76 N2) Aparecen en los productos: q O2 + r CO + otros Nota: Significativo que la ignición sea completa porque: 19 - Si el CO emerge en los elementos que se queman, provocará el almacenamiento de carbono y, posteriormente, el pre- encendido. - El O2 surge en resultados de la inflamación, impulsará la forma en tubo de escape y múltiple de escape. - Si resurgen elementos diferentes, objeto de estudio en el punto de toxicidad de los M.C.I. - En el C un Kmol corresponde a el dióxido de carbono y su descarga de energía es de 3,5 mas respondiendo al CO. La consecuencia del CO aplicados a cuerpos provoca migraña, sensaciones de un corte en el corazón, enfermedad y consecuencias de apetito. Todo eso sucede cuando se altera el oxido de carbono provocando una alteración de la sangre, reduciendo la hemoglobina. - Las condensaciones del oxido de carbono notables por encima del 0,01.... 0,02% (en volumen) se ven manifestaciones de embriaguez y, cuando se trata de 0,2.... el 0,25% tienen unos mareos entre 25 a 30 minutos. El nivel más elevado de foco de oxido de carbono perceptible en todo el mundo es de 1mg/m3. 20 2.3. Ciclos Termodinámicos de los motores de combustión interna 2.3.1. Ciclo Otto El arquitecto Nicolas Otto es un alemán que proyecto uno de los primeros motores que tiene su nombre, y que a pesar que es más conocido como motor de gas de 4 tiempos, se puede utilizar de varias formas energéticas como alcohol , butano , etc  Tiempos del motor Otto - Tiempo de la primera admisión. (0-1 cambio de isobara): A partir de este instante, el cilindro se halla en el PMS, la válvula de recepción se abre, el cilindro comienza a caer hacia el PMI, ingresando en la cámara comburente además del inflamable mezclado. - Tiempo 2º Compresión. (Cambio adiabática 1-2): En el cilindro tenemos el PMI, en ese momento se detiene la válvula y el cilindro empieza su elevación hasta el PMS exprimiendo la combinación. Como el cambio es adiabático no abra movimiento de calor. - Tiempo 3º Combustión - desarrollo (cambio isocórico 2-3 y adiabático 3-4): Cuando localizamos al PMS, el cilindro va a generar un destello en la bujía haciendo que este incendie la composición. Durante ese tiempo empieza la carrera rentable solitaria del periodo, logrado que dicho cilindro entre de PMS al PMI. 21 - Tiempo 4º Escape o expulsión. (Cambio isocórico 4-1 e isobara 1-0): En el momento en que llega al PMI de nuevo,los demás gases son entregados por el cilindro en su altura al PMS. En el momento en que se alcanza el PMS, la válvula de escape se cierra y la de admisión se abre, comenzando otro ciclo con la caída del cilindro. Notas: - El punto muerto superior conocido por las siglas PMS indica la estatura notable en la que puede llegar alcanzar el cilindro. - El punto muerto inferior conocido como PMI nos enseña la estatura mas mínima en la que llega el cilindro. - La carrera es el recorrido que lleva el cilindro al transitar como por ejemplo en el trecho del PMI al PMS. El trabajo neto W:  Figura 2.1 Ciclo termodinámico Otto 22 2.3.2. Ciclo Ideal Diesel. El ingeniero alemán Rudolf Dieses por el siglo XIX diseño un motor que tiene su nombre pero que también se le conoce como motor de gasoil de 4 tiempos , donde se puede usar distintos combustibles como por ejemplo aceites suaves de origen vegetal por ejemplo el aceite de girasol.  Tiempos del motor Diesel: - TIEMPO primera Admisión. (Cambio de isobaras 0 - 1): En este momento, el pistón está en PMS, la válvula de admisión se abre, el cilindro comienza a sumergirse hacia PMI, entrando al cilindro solo el comburente (aire). - TIEMPO 2da de compresión. (Cambio adiabático 1 - 2): En el momento en que el cilindro llega al PMI la válvula de admisión se cierra y el cilindro comienza su ascenso hacia el PMS empaquetando el aire significativamente. Esta presión eleva la temperatura del aire. - TIEMPO 3º Combustión - extensión. (Cambio isobárico 2 - 3 y adiabático 3 - 4): En el momento en que el cilindro está cerca del PMS, a través del inyector, el combustible se presenta a un alto factor de prensado, creando una explosión debido al calor irradiado en la rejilla del aire con el 23 combustible, ampliando impresionantemente el factor de prensado dentro de la cámara. A partir de este momento comienza la única carrera útil del ciclo, haciendo que el cilindro pase del PMS al PMI. - TIEMPO 4º Escape o expulsión. (Cambio isocórico 4 - 1 e isobárico 1 - 0): En el momento en que el cilindro llega de nuevo al PMI se abre la válvula de escape realizando la salida de los gases consumidos el aire. El resto de los gases son expulsados por el cilindro en su ascenso al PMS. En el momento en que alcanza al PMS, la válvula de salida se cierra y la de ingreso se abre, comenzando otro período con la decadencia del cilindro.  24 2.4. Dióxido de Carbono 2.4.1. Características físicas y químicas 2.5. Dióxido de Carbono 2.5.1. Características físicas y químicas 25 2.6. Métodos de eliminación del dióxido de carbono El CO2 componente molesto en gas de síntesis, por ser una sustancia tóxica para catalizar el amoniaco. El dióxido de carbono comprende un gas de síntesis que debe disminuirse a un rango de 50% a 1000 ppmv dependiendo del tipo y el plan de la unidad de expulsión. El ciclo se realiza regularmente después del paso de cambio de monóxido de carbono. El gas del ciclo procedente del convertidor LTS contiene principalmente nitrógeno, hidrogeno, CO2 y vapor en exceso. El gas se enfría y la mayor parte del vapor es denso antes de entrar en la etapa de evacuación del CO2. Si el desarrollo del dióxido de carbono se basa en la extracción química del dióxido de carbono en el solvente. Hay varios tipos de fase para poder remover el dióxido de carbono desde el gas de síntesis. Todas estas fases funcionan de la misma manera. Estos lavan el gas de alimentación en unas torres para poder ir coleccionando el dióxido de carbono y poder después renovar un solvente en un deservidor y se libere el Co2. En el desarrollo químico , el dióxido de carbono va a reaccionar junto con el solvente químico asi va formando un compuesto intermedio , los solventes más usados son las aminas o carbonatos. En los procesos de alcano láminas dicho resultado la solución contiene un componente amino. La monoetanolamina , dietanolamina son los solventes más usados . En estos tiempos los solventes principales en las fases es la alcanolamina activa (a-MDEA). 26 Estas fases suelen ser usados bajo una presión parcial del dióxido de carbono ,el gas de manutención debería ser independiente SO2, O2, hidrocarburos y partículas, estos dos últimos producen dificultades de proceso en el absorbedor. Figura 2.3 Proceso de Absorción con Alcanol amina. Antes de que pase por un proceso de absorción ocurre una reacción química en la cual los solventes orgánicos se manejan de forma física para aspirar gas acido. En la absorción física sucede la captura de CO2 fundamentada en su solubilidad, lo cual se relaciona con su presión y temperatura de gas de entrada. La temperatura mínima beneficia la solubilidad de CO2 al igual que la mayor presión. Para regenerar el solvente se puede obtener mediante el flashing a una presión mínima por stripping con gas inerte o vapor. 27 Un solvente empleado a presión alta seria el Selexo (dimetil éter polietilenglicol) y el otro Rectisol (metanol frio). Manipulando MEA como solvente se eligió un diseño por absorción químicamente para la planta. Hablando de circunstancias de optimo carácter para maniobrar el CO2 se selecciona el MEA a una presión baja. Se puede regenerar de manera fácil gracias a su alcalinidad alta y su destreza al descargar. 2.7. Estequiometria de las emisiones de CO2en la combustión 2.7.1. Combustión teórica. El carbono del diesel es comprendido 12,7 veces mayor por mol de combustible al del gas natural, esta es la razón por la cual se emite más CO2 con diesel en combustión estequiométrica o teórica. Cuadro 2.1 Propiedades Funcionales de los Combustibles Las reacciones proporcionadas por la combustión del gasóleo de manera teórica y del gas natural con el aire, son: 28 - Combustión del gasóleo: - Combustión del Gas Natural. - La inflamación teórica del gasóleo se manifiesta en 14,3 moles de dióxido de carbono por mol de combustible a los 1,13 que exponemos por mol de gas natural. Los mol de combustible son 12,7 veces más que el diésel, enseguida tenemos las emisiones por mol de gas natural de cada uno de los hidrocarburos que lo forman. 29 Similarmente para el caso del gasóleo, en este caso con fórmula empírica: Emisiones de CO2 para el gas natural: 2.221,02 gCO2 /Nm3_GN. Emisiones de CO2 para el gasóleo: 2.639,11 gCO2/litro_gasóleo. Conociendo el PCI y la densidad de entrambos combustible, se calculan las emisiones por unidad de energía del combustible: 30 Podemos observar que la reducción de emisiones al usar el gas natural representa al 24% a las emisiones con gasóleo de energía del combustible. 2.7.2. Composición de las emisiones del CO2. Hallando la continuidad de emisión anual de dos flotas de autobuses y taxis a GNC o gasóleo, en la cual se compara el ahorro de emisiones respecto de usar gas natural del gasóleo. Haciendo énfasis al mecanismo de emisiones de potencia mecánica la cual el motor tiene una media útil, refiriendo el factor de uso al cual refiere. 31 Cuadro 2.2 Por tanto: - Para una flota de taxis el ahorro en emisiones al año de CO2 es de 10%, respecto de si se usa gasóleo. - En el caso de la flota de autobuses es un 22% de ahorro. 2.8. Temperatura máxima y adiabática de los productos de combustión Se utiliza un modelo de combustión basado en metano, componente importante del gas natural, compuesto de oxígeno y nitrógeno empleando el aire de oxidante, en el cual se desecharán argón y trazas. Se tendrá en cuenta que el precalentamiento del aire es 298,15 K y 1 atm. La temperatura mayor que consiguen los productos de combustión es la adiabática de llama. Se lograra la temperatura cuando se calienten los productos integralmente con la totalidad de calor del proceso. La disociación de fenómenos es considerada para el cálculo de temperatura de la llama adiabática, la cual se da por iteración Scientia et Technica Año 32 XI, No 29, Diciembre de 2005. UTP 140 haciendo cumplir en los productos dicha expresión con la temperatura. 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 (1) La entalpia del combustible y del aire son descritas en dicha ecuación (1) ΔH reactantes su participación en el proceso de combustión. Se dice que para lograr la entalpia ΔH productos se debe emplear toda la energía en la cual los humos de combustión elevaran la temperatura y no se perderá calor en el medio, obteniendo así una temperatura mayor. . 33 De acuerdo a lo que señala la figura 2.4 los productos de combustión alcanzan su temperatura máxima cuando ocurre un incremento excesivo del aire en el proceso de combustión. Se puede denotar que la temperatura alcanza su máximo grado cuando se lleva cabo una mezcla rica o el aire se encuentra defectuoso hasta un 3%. En una mezcla ligeramente rica se da la máxima temperatura adiabática de llama, que se asocia mayormente a una condición estequiométrica para la disociación de mayores y menores especies respectivamente (CO2, H2O, O2, N2) y (CO, HO, NO, NO2, entre otras) con la condición real, se incrementa la temperatura por la reducción del calor especifico de los productos. Obsérvese el impacto del precalentamiento del aire de combustión. En el momento en que este aire no entra a 25 °C sino a 50 °C, las temperaturas del fuego aumentan, lo que conlleva un mayor aporte de calor a la carga y una disminución del aprovechamiento energético del ciclo. No menos importante es el control de la abundancia de aire, ya que un incremento excesivo de aire provoca un descenso poco común de las temperaturas del fuego. 2.9. Entalpia y eficiencia del proceso de combustión Por la temperatura se indica una energía nuclear que los elementos en combustión tienen. Energía accesible Qdisp, entendida como medida de energía que sabe transformarse en útil, más prominente cuanto más fríos 34 sean los gases de la tubería que salen de la interacción de calentamiento de una pila, lo que demuestra una enorme utilización de la energía nuclear. El calor accesible se caracteriza como: 35 La eficacia de la interacción de la combustión está relacionada con la energía sintética que es posible cambiar en el calentamiento de los elementos de ignición, y es del 100% si toda la energía compuesta que se guarda en el combustible se convierte en calor accesible del ciclo. Sabiendo la temperatura de los reactivos; la entalpía de respuesta, y la T de elementos de ignición rapidamente después en el tubo de escape del motor y su energía contenida ΔHprod, la productividad puede caracterizarse como: La figura 2.6 nos muestra la conducta de la eficacia de combustión según la Tº de dichos gases que salen del proceso de la combustión Obsérvese cómo para un aire descrito por su riqueza, la competencia aumenta a medida que la temperatura del gas aumenta. Esto infiere una elevada temperatura de los componentes de ignición, concisamente en la fuente del motor por ejemplo en el tubo de escape, es normal para el menor impacto de las desgracias de calor debido al avance del agua como humo H2O(v), a través de la división de especies de respuestas que seann endotérmicas y las disminuciones en el fuego radiante de calor. 36 Cuando se analizan las combustiones para diversas abundancias de aire a una temperatura similar de los productos, se entiende lo siguiente. Combustión sin sobreabundancias en el cual los productos están a una temperatura similar a la de un exceso de combustión y una expansión calórica similar para cada módulo de combustible PCS, demuestra que el ciclo de combustión es más productivo. Además, es notable ya que el excedente de aire es una carga térmica que indistintamente debe ser calentada incluso al nivel de temperatura investigado, por lo tanto, acontece un uso superior de la energía del portador energético. Es normal en ese punto, que para el encendido en motores de productividad comparable y que trabajan con un combustible similar, la temperatura de los elementos será más alta en el quemador que utiliza la mayor cantidad de aire sin sobreabundancia, ver Figura 2.7. Obsérvese igualmente cómo los encendidos por abundancia no crean niveles de temperatura tan mayores como las combustiones estequiometrias. Por lo general, se trabaja con un 15% de aire en abundancia para limitar el peligro de posibles gases no quemados. Utilizar sobreabundancias más altas sería desfavorable energéticamente y utilizar abundancias excepcionalmente bajas provocaría combinaciones alternas de combustible y aire con la consiguiente generación de no quemados y los riesgos relacionados con inquemados inflamables. 37 2.10. Emisión y Concentración de los productos de combustión En la práctica de las pruebas para la evaluación de artículos en combustión, las evaluaciones de CO2 u O2, CO y NOx suelen ser significativas. Tanto el dióxido de carbono CO2 y O2 están relacionados con la eficacia para la combustión junto con la temperatura del gas. La presencia de monóxido de carbono CO implica que la competencia disminuyó (la respuesta para la edad de monóxido es endotérmica), sin embargo, su importancia como se indica por la nocividad y el peligro de combustibilidad es gustado. El monóxido de carbono es sorprendentemente arriesgado ya que es difícil de reconocer sin un instrumento de prueba, y las consecuencias de su fijación y tiempo abierto pueden ir desde suaves dolores de cabeza hasta la muerte. Los NOx son responsables de la disposición de los ácidos en el clima añadiendo a producción de aguaceros corrosivos, y han sido muy posiblemente los últimos partidarios del avance mecánico de la quema de hardware. Continuadamente, se muestran los aspectos de fijación de los elementos de ignición referenciados en función de la temperatura de los gases y de las diversas sobreabundancias de aire. La información contenida en dichas imágenes constituye una muestra para la investigación de los elementos de ignición. La forma de obtener estos focos se llevo a cabo con el programa STANJAN pensando en la separación de especies. 38 Es significativo que los resultados lanzados por el programa son sobre una premisa húmeda, es decir, consideran el agua como humo esencial para los gases. De esta manera, la revisión se realiza en una premisa seca, normalmente utilizada por el hardware de examen de gases, a través de la articulación: 𝑋𝑖𝑠𝑒𝑐𝑎 = 𝑋𝑖ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 𝑁𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎−ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 𝑁𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎−𝑠𝑒𝑐𝑎 En la figura 2.7 muestra una concentración de especies en nulo o 0% de exceso de aire. Aplicable para especificar la mantención de CO2 en un nivel de 12%, reduciendo ligeramente después de 1200 °C , comenzando la obtención de CO, como resultado de los impactos del fenómeno de separación. Este focalizado con la combustión de gases en altas temperaturas comprendería un verdadero problema medioambiental y los niveles de CO convendrían mantenerse en un límite de 400 ppm según las directrices instauradas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y las normas técnicas peruanas (NTP). Los niveles de NOx también aumentan con la separación creada por el aumento de la temperatura del gas y deben mantenerse en 40 ppm. 39 Los impactos de aire empiezan a notarse como se puede observar en la figura 2.8. Cuando observamos detenidamente podemos notar que el CO disminuye perfeccionando las condiciones ambientales en general. Debido a la abundancia vemos que se agrupa alrededor del 2% reduciéndose ligeramente a medida que sube la temperatura produciendo los óxidos de nitrógeno. 40 En la figura que veremos a continuación (2.9) tenemos de referencia para la búsqueda de la combustión en los motores de gas. Todo esto se da porque los maestros de obras prefieren trabajar con sobreabundancias de aire en un porcentaje del 15%. Cuando el motor empieza a trabajar las concentraciones de dióxido de carbono deberían estar en un 1%, las concentraciones de O2 en un 3% y los gases reactivos no varían su temperatura. Las consecuencias cuando se descarga los gases de combustión suelen ser venenosos cuando están a altas temperaturas. 41 La figura 2.10 nos muestra excesos de altos aires, instituyen una disminución significativa de la eficacia cálida del ciclo debido a la energía consumida por el aire de excedencia. Además, como demuestra el patrón de fijaciones frente al aire de exceso de abundancia, los aumentos de NOx se tornan más observables Los dibujos son elementos que nos ayudan a sacar una conclusión del gas, ya que hace llegar más fácil a la temperatura de los gases y el nivel del oxígeno , dióxido de carbono y oxido de carbono para resolver la abundancia de aire con la que trabaja el quemador y de esta manera reducir la productividad de interacción . 42 2.11. Tecnologías de automoción para reducir emisiones. En los avances la disminución de flujos de salida de los vehículos ha sido presentación de los catalizadores, que pasaron a ser obligatorios para la gasolina en el año 1992. Los catalizadores se introducen en el motor y el tubo de salida. Estos son unos dibujos de cerámica que tiene una forma de colmena con una capa de metales nobles , como el platino , paladio o rodio . Con este grafica se lograra una alta proporción entre la región de la superficie y el volumen . Figura 2.11 Tubo de escape con catalizador Los motores de gasolina (que encienden por bujias) tienen "catalizadores de tres vías", y se alegan por el hecho de que disminuyen los flujos de salida de tres contaminaciones: CO, hidrocarburos y NOX. El catalizador de tres vías se compone realmente de 2 partes inconfundibles; un 43 catalizador en disminución que reduce el NO nocivo en N2 y O2 [2NO > N2 + O2 ] y un catalizador de oxidación se encarga de oxidar el CO y los hidrocarburos destructivos, convirtiéndolos en CO21 y H2O. Para que el catalizador de disminución funcione, las medidas (proporción entre las masas inflamables y de comburentes (aire) introducidos en los cilindros) deben ser extremadamente cercanas a la estequiometría, que es el punto en el que esta proporción es perfecta para lograr la combustión total sin sobreabundancia de aire o combustible. Para poder asegurar que se cumplen las condiciones de funcionamiento, se hace la colocación de un sensor de oxígeno antes de catalizar, seguida a una unidad de comprobación eléctrico que se encarga de medir el combustible que se introduce en los cilindros. Las máquinas de Diesel están fabricadas para trabajar con abundante aire, Como por ejemplo con unas medidas inferiores a las estequiométricas, lo que hace imposible que funcionen los motores de reducción y de esta forma los motores solo tendrán catalizadores de oxidación. Con esto los motores tienen emanaciones de NOX mucho más que los motores de gasolina. Los gases de escape son recirculados (EGR) es un procedimiento para disminuir las emanaciones de NOx del vehículo. Para ver cómo funciona, 44 hay que tener en cuenta que los NOx se forman cuando las altas temperaturas de fuego en el interior de cámara logran que el O2 y el N2 del entorno sean consolidados, y además se enmarca mayor NOx. En los gases de combustión tenemos una parte que se dirige a la entrada de los motores con EGR, teniendo un bajo oxigeno a diferencia del aire, también tiene dióxido de carbono, nitrógeno y agua. Los gases de combustión tienen una alta temperatura en las cámaras del motor disminuyen debido a la accesibilidad de menos oxígeno. Esta disminución de la temperatura más extrema disminuye así la disposición de los NOx. En los EE. UU. los vehículos de gasolina empezaron a utilizar la recirculación de gases de escape. En los años de 1970 antes de que se inicie la catalizacion de las tres vías, en el continente europeo se a colocado en todos los vehículos EGR. La EGR aumenta en cierta medida la utilización del combustible, por lo que los fabricantes dudan en introducir estos mecanismos en los vehículos comerciales. En cualquier caso, una parte de estos vehículos se equipará con sistemas EGR que cumplan la normativa.  La reducción catalítica selectiva (SCR) La SCR elimina el NOx mediante un catalizador, de lo contrario quien reduce una composición de NOx es la EGR. En este sistema, la urea se 45 infunde en el gas de escape antes del sistema SCR, dando forma a un álcali (NH3), que responde a los NO y el NO2 : Los canales de partículas diésel (DPF) usan el sistema de filtración para eliminar las partículas de gases. Dejando un 10 % de partículas de ceniza que se van a reducir cuando este caliente para prevenir que dicho canal no se malogre. Los procedimientos más usados para ampliar la temperatura en un marco calentado eléctricamente. Los DPF se utilizan a partir de ahora de forma exclusiva en algunos vehículos nuevos, pero cada vez son más variados, aunque algunos fabricantes se inclinan por otros marcos de contaminación enemigos, ya que los DPF no solucionan los problemas que generan las pequeñas partículas, siendo las más para la prosperidad. Al ingresar los DPF en los transportes que existe es especialmente confusa y algo inusual.  Incremento de la eficiencia del motor Los autos de combustible habitual (diésel) se han ganado últimamente la mayor eficiencia de los motores. Esta eficacia se 46 tiene esencialmente en los motores dieses, seguido con el menor coste del diesel, se ha sumado a la mejora de la visibilidad de los vehículos diésel en Europa a lo largo de los últimos diez años. En los años 1990, se ha fortalecido los motores Diesel para un mejor rendimiento de fuerza.  La inyección directa (DI): Se hacen notables en los transportes de viaje diésel desde el último par de periodos largos de últimos años. De la misma manera la infusión directa de rieles hay una línea de suministro de combustible de alto factor de P° normal a todas las cámaras y en la infusión directa con inyector unitario, el alto factor de presión se produce en el momento de la infusión de combustible. En los dos lados , la elevada P° de infusión se da en la cámara la cual funciona de una manera atomatizado el combustible, logrando una ignición más competente y disminuyendo las descargas de gránulos. En las cámaras se manejan electroimanes inequívocamente la suma del instante de la infusión, el cual aumenta cierta productividad en el motor. 2.12. Reducción del CO2 por Absorción con Aminas El material más utilizado para la evacuación de gases corrosivos es una reacción de monoetanolamina (MEA - adquirida a partir de sales 47 aromáticas). Otros intensificadores de ingeniería utilizados para eliminar los gases destructivos son la dietanolamina (DEA) y el sulfinol (mezcla de sulfolano, disopropanolamina y agua). Los dos productos iniciales eliminan los gases destructivos a través de una reacción de la sustancia, mientras que el Sulfinol maneja la razón de una reacción del compuesto sin el mantenimiento real. Las aminas específicas adivinadas (por ejemplo, MDEA) absorben particularmente SH2 sobre CO2. Las aminas definidas son ofrecidas por diferentes firmas de avance de ciclo, organizadas en base a MDEA, que mejoran la apertura de las plantas de tratamiento Figura 2.12 Diagrama de endulzamiento del gas Natural http://3.bp.blogspot.com/__nRwW6ejU8U/TCooBgWI2mI/AAAAAAAADHM/ozSzilo6P50/s1600/Esquema_de_Planta_de_Aminas.jpg 48  Plantas con Tamices Moleculares o Membranas. Los coladores subatómicos funcionan según pautas comparativas con las referidas hasta ahora en otras estimaciones de tipo de adsorción, y el calor se recupera como se hace allí. Asimismo, se usanvarios niveles de debilidad, considerando la sección de la parte inequívoca.  Planta de Recuperación de Sulfuro. El azufre esencial se obtiene del sulfuro de hidrógeno en el gas destructor a través del ciclo Claus, durante el cual se produce una respuesta en el sulfuro de hidrógeno con el oxígeno que no continúa alrededor del gas destructor y el aire responden de forma no artificial por la ignición en un calentador de tubo de fuego o hervidor. Una parte crítica del gas se enfría para solidificar el azufre que se separa. http://3.bp.blogspot.com/__nRwW6ejU8U/TCooWbpJ5pI/AAAAAAAADHU/RE9x6JlsyVM/s1600/Sistema_de_tratamiento_de_Gas_Natural.jpg 49 Una parte del gas más sulfuroso se mezcla con el condensador fundamental que irradia para obtener la temperatura delta ideal de la fuente de combustible esencial. La reacción del H₂S y del SO₂, combinada con una expansión de la temperatura, ocurre sintéticamente en el reactor, después de lo cual el radiado se enfría y el azufre se densifica y se separa. El gas del reactor posterior se calienta por intercambio con el profluente de la fuente de fuerza focal. Un poco del gas más ardiente se junta con el profluente del condensador esencial para procurar la temperatura ideal del sonido de la fuente de fuerza primaria. La reacción de sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre combinada con una expansión de la temperatura ocurre sintéticamente en el reactor después de lo cual la tubería se enfría y el azufre se espesa y se saca. El gas en el reactor posterior se calienta mediante el comercio con la fuente de energía central profluente. La reacción resultante en el reactor auxiliar provoca más azufre, que se densifica y se saca en el último condensador. El gas en ese punto pasa a un incinerador donde el azufre en abundancia se transforma en dióxido de azufre y se libera al aire. El cambio de sulfuro de hidrógeno a azufre puede superar el 96% en una planta de este tipo, a pesar de que depende de la sustancia de sulfuro de hidrógeno en el gas destructor. Un tercer reactor puede lograr una recuperación del 97%. 50  Lechos no Regenerativos: Algunos gases contienen lo que se suma a las evaluaciones de sulfuro de hidrógeno, sin embargo, la fijación puede superar lo que está predefinido en el contrato de gas disponible para ser comprado para eventos específicos. La esponja de hierro se produce utilizando óxido de hierro apartado en astillas o virutas de madera. El óxido de hierro se transforma en sulfuro de hierro cuando el gas se rediseña y tiene una vida extremadamente corta. 2.12.1. Etapas del proceso de endulzamiento. Son 5: a) Endulzamiento. Donde el acido sulfurico y el dióxido de carbono se extraen del gas mediante algún marco de contacto. Esto se hace en una unidad de mejora y el gas sale de la unidad liberado de estos contaminantes, o tal vez con una sustancia de estos mismos o por debajo de la sustancia adecuada. b) Regeneración.En este proceso el liquido que eliminó los gases destructivos pasa por una correspondencia de partición donde los gases destructivos son sacados para ser reutilizados para otra etapa de actualización. Los gases irradiados son inequívocamente el H2S y el CO2, aunque también son concebibles otras mezclas de azufre, como RSR, SCO y CS2. 51 c) Recuperación del Azufre. Dado que el ácido sulfúrico es excesivamente venenoso y difícil de tratar, es conveniente transformarlo en azufre fundamental. En los ciclos de actualización no se utiliza constantemente dicha unidad, cuando el indicador de H2S es alto, va ser crítico. El azufre, entre el 90 y el 97% se transforma en sólido o líquido. La idea primaria para recuperación de dicho elemento tiene distinción de H2S, dando una calidad sensible, mostrado mayormente. d) Limpieza del gas de cola. Se expulsa gas de la recuperación de azufre, tiene realmente entre 10% y 3% del H2S reducido del gas combustible y debe ser separado, en caso del medidor de H2S y de las normas de asistencia biológica y gubernamental. Se sigue eliminando el H2S, ya sea cambiándolo por azufre o llevándolo a recuperación. La unidad de limpieza de gases de cola que hay posiblementesi hubiera unidad de recuperación. e) Incineración. Se expulsa gas de la anterior etapa de gases de cola tiene 1 y 0,3% de H2S eliminado, todavía no es razonable que se descargue en el aire y, siendo necesario esta etapa en la que el H2S se transforma por ignición en SO2, un gas mejor que el H2S. 2.13. Método de la Conversión del CO2 en gas metano. El cambio de monóxido de carbono es uno de los pasos regulares de desinfección utilizados en numerosas plantas de sales aromáticas. El CO debe 52 eliminarse porque es una sustancia nociva para el impulso utilizado para la combinación de sales aromáticas. Esta progresión elimina una gran parte del monóxido de carbono (CO) del gas de mezcla y, como se ha demostrado en la respuesta (2.4.8), también produce más hidrógeno. El cambio de monóxido de carbono a dióxido de carbono se produce en su mayor parte en dos fases: primero un cambio a alta temperatura y después un cambio a baja temperatura. La respuesta (2.4.8) es exotérmica, por lo que las altas temperaturas son adversas al cambio total. La sustancia de CO de los gases disminuye aproximadamente un 3% (en una premisa de gas seco), lo que se limita por equilibrio a la temperatura de funcionamiento. Lo ideal es que el impulso lleve la respuesta al equilibrio a la temperatura más reducida posible, ya que esto favorece el rendimiento del hidrógeno. El gas HTS se enfría para construir la transformación, y después pasa por el convertidor LTS. El convertidor LTS tiene un impulso que contiene óxido de cobre, óxido de zinc y óxido de aluminio, que se trabaja a unos 200 a 220 °C. La sustancia de CO sobrante del gas del convertidor LTS es tan baja como podría preverse. El exceso de sustancia de CO del gas cambiado es del 0,2 al 0,4% (en una premisa de gas seco). Una vez más, el impulso lleva la respuesta al equilibrio a la menor temperatura concebible, ya que favorece la fabricación de hidrógeno. 53 2.14. Consumo de CO2 en la ciudad de Ica Para estimar la contaminación ambiental la medida de combustible consumido en cada zona, por lo que es importante prever la medida de energía consumida por los ejercicios realizados. Las exportaciones en esta ciudad en los años 2005 eran de 96.016 tj. En cuanto a las exportaciones de gasolina, estas provenían de los campos de Camisea , en cambio las importaciones de hidrocarburos secundario provenían de diferentes zonas del Perú para poder coordinar clientes 2.14.1. Consumo de Energía Por Sectores En los distintos lados de economía, la demanda mayor de hidrocarburos se da en sector de transporte que abarca un 43,4% - Sector Residencial y Comercial: 54 En Ica en los años 2005 , se consumía 1220 TJ de energía, principalmente GLP usado en el ámbito Residencial , teniendo varios datos como a continuación: - Sector Transporte En 2005, se usó 5472 TJ, siendo este combustible más famoso era el Diesel con un 73,1%, la dispersión de la demanda de combustible aparece a continuación: 55 Fuente: Estudio “Investigación de la demanda Energética 2005 regiones del Cusco, Apurímac, Ayacucho, Huancavelica Junín e Ica” - Sector Agroindustrial y Agropecuario El uso de energía en el 2005 para Ica en su área agroindustrial y área agraria fue de 328 TJ. El combustible más utilizado en el territorio agroindustrial era de 328 TJ, siendo el diésel con el 73,5%, la tabla adjunta muestra la dispersión, teniendo en cuenta todo. - Sector Pesquería Esta área de pesca, la única utilización de combustible anunciada para el año 2005 es Diesel, dando 295 TJ. - Sector Minero Metalúrgico Durante el 2005 en Ica se dio uso a 3314 TJ, haciendo que el petróleo moderno sea el combustible más mencionado con el 56 80,1%, sea como sea, existe igualmente el uso de gas inflamable para este espacio por parte de la Empresa Corporación Aceros Arequipa , Shougang Hierro Perúy Minsur S.A. Fuente: “Investigación de la demanda Energética 2005 regiones del Cusco, Apurímac, Ayacucho, Huancavelica Junín e Ica” - Sector Industrial Ica ordeno la utilización de energía en la Mediana Industria, Pequeña Industria y Gran Industria. En los años 2005, la utilización final de rellenos fue de 1967 TJ, siendo el aceite mecánico el combustible más solicitado con un 88,31%: Cuadro 2.8 57 Fuente: Estudio “Investigación de la demanda Energética 2005 regiones del Cusco, Apurímac, Ayacucho, Huancavelica Junín e Ica” 2.14.2. Consumo Final de Energía - Por Fuentes Se tuvo en cuenta el final completo de 20815TJ que se dio en los años 2005, siendo mas elevada a la de los años anteriores. El diseño concluyente se compone de la siguiente forma:24,4% de energía eléctrica;60,5% de hidrocarburos, 11,6% de carbón mineral y derivados; 3,1% de leña, 0,3% de residuos y un nivel bajo de utilización de energía solar, la utilización de esta última fuente es baja, tenemos que su uso se está creando continuamente. Cuadro 2.9 58 Gráfico 2.13 2.14.3. Consumo Final Total de Energía por Sectores En 2005, el primordial adquiriente de energía fue el área de Minería y Metalurgia, que solicitó 11434 TJ (abordando el 54,9% del global), seguida por el área de Transporte con 5472 TJ (26,3%), Residencial, negocios y público con 2550 TJ (12,0%) y por último el área de Agropecuaria, Agroindustria y Pesca con 1404 TJ (6,7%) en toda la Región ICA. Cuadro 2.10 59 Gráfico 2.14 Actualmente, en los Balances Energéticos Regionales, se piensa en los ciclos de experimentación y en diferentes instancias de utilización de ciertas fuentes que por lo general pasan desapercibidas a nivel público por su irrelevante interés en el marco público, sin embargo en la red provincial son determinantes para la zona, por ejemplo, la energía eólica, el biogás, entre otros. 2.15. Emisiones al Ambiente Generadas por el Consumo Final de Energía Comercial. 60 En esta parte se presentan los datos de las emanaciones producidas por la utilización de la energía empresarial, por ejemplo, no se consideran las emisiones producidas por fuentes no comerciales, como la leña, la madera, el abono, la yareta y el carbón vegetal. Para hallar las emanaciones se usa una técnica innovadora del grupo Intergubernamental expertos en los cambios climáticos (IPCC) , este es un herramienta creado por la organización latinoamerica de Energia (OLADE) , teniendo como infomante los coeficientes de emanaciones que obtenemos de los exámenes hechos por la Comision Nacional del Medio Ambiente (CONAM) en el año 2005, donde fueron difundidos en la Primera Comunicación sobre el cambio climático y el inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero. La técnica del IPCC depende de la estimación de las emisiones por contaminante, según los factores de la conferencia: fuente de energía y actividad energetica realizada todo el tiempo. La técnica para los avances utiliza las cualidades respondidas por actividades energéticas, creados por la energía, estos son trabajados con los componentes de la contaminación de esta innovación y de acuerdo a ellos son aplicados. A lo largo de estas líneas, los flujos de salida por contaminante se consiguen SOx, CH4,CO,CO2 y gránulos. 2.15.1. Emisiones de Dióxido de Carbono (CO2) 61 En los años 2005, se dieron emanaciones CO2 derivadas de la utilización de diversas fuentes de combustible empresarial fueron de 11466170005,47 kilogramos. Las actividades realizadas en las áreas de Minería y Metalurgia y Transporte generan emanaciones de CO2, con 475946633,74 y 396181360,16 kilogramos (41% y 35%), individualmente. Gráfico 2.15 Fuente: DREM 2.16.Tipos de Diseño de Reactores para el Craqueo Térmico - Hornos tubulares: Los reactores para craqueo térmico son reactores tubulares o hornos realmente tubulares debido a las grandes temperaturas a las que están sometidos. Un horno de pirólisis se compone de una cámara de ignición fijada con material refractario y tubos montados entre los divisores del horno y el techo. Tiene una zona radiante y un segmento de convección en la 62 cámara principal pero aislado por un divisor o por la entrada fundamental de la chimenea. Los tubos de convección se utilizan para precalentar la carga, para mantener la temperatura alcanzada en el segmento radiante o para recuperar el calor. Hay muchos diseños de tubos y ejemplares de corrientes, y todos tienen cierta legitimidad en sus aplicaciones, como se demuestra en la figura. Las necesidades fundamentales son una capacidad de calentamiento suficiente y una pendiente de temperatura correcta. Para controlar mejor el ángulo de temperatura, la pendiente de temperatura puede cortarse en dos mediante un divisor. La progresión del material primario a craquear pasa normalmente por un tubo solitario o por varios tubos iguales. Figura. 2.13 Tipos básicos de hornos tubulares Nelson 167 (Por cortesía de Mc Graw -Hill Book , Company 63 Los diámetros de los tubos son de 3 a 6 in (pulgadas), DI, y estos pueden llegar a ser extensos como de 20 a 40 ft (pies), para una serie de tubos. La velocidad de transferencia de calor en la sección radiante, puede fluctuar entre los valore de 5000 a 25000 Btu/(h.ft2 ) y, para la sección convectiva entre 2000 a 5000 Btu/(h.ft2 ). - Reactor esférico de lecho empacado: Las reacciones de deshidrogenación de parafinas pueden llevarse a cabo en reactores esféricos empacados, cuando se requieren bolitas de catalizador pequeños y la caída de presión puede ser critica. Una de utilidades que tiene este tipo de reactores es que son el enfoque más económico para ocuparse del acuciante problema de la caída de presión. En este reactor, llamado ultraformer, se realizan reacciones de hidrogenación, por ejemplo: CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 64 La reacción es de primera orden relativa a la parafina. En la figura 2.14., teniendo en cuenta que el espacio de la sección transversal del reactor está poco cerca del vano y de la salida, la presencia de catalizador allí provocaría una enorme caída del factor de presión, lo que disminuiría la eficacia del reactor esférico. Para solucionar este problema, se colocan mallas cerca de la entrda del reactor y de la salida para retener el catalizador. Figura 2.14. Reactor esférico Donde L es la posición de la malla respecto al centro del reactor, y los valores de integración inicial y final se dan como Zo y Zf. - Reactores de membrana: 65 Los reactores cataliticos de membrana pueden elevar el rendimiento de las reacciones que son profundamente reversibles dentro del ámbito de la temperatura de interés. El término reactor de membrana describe algunos tipos distintos de disposiciones de reactores que contienen una membrana. La membrana puede forzar un límite a determinados segmentos mientras permite que otros pasen, impedir que determinados segmentos, como el material particulado, entren en contacto con el catalizador, o contener destinos reactivos y ser un catalizador ella misma. El reactor de membrana es otro método para empujar las reacciones reversibles a un lado para lograr transformaciones excepcionalmente altas. Estas altas transformaciones pueden lograrse haciendo que uno de los elementos de reacción se difunda hacia el lado opuesto de una película semipermeable que abarque la mezcla de reacción. 66 CAPÍTULO III: METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION 3.1. Estudio Termodinámico 3.1.2. Reacción de metanación de dióxido de carbono CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O - Calculemos el de cambio de entropía, entropía y energía libre de Gibbs a distintas temperaturas. a) A la temperatura de25 °C CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 1. Calculamos el cambio de entalpía(H°) a 25 °C (298 °K) 67 Para eso utilizamos la formula termodinámica sobre cálculo de entalpia en reacciones químicas ∆𝑯°𝑹 = 𝚺𝒏𝑷∆𝑯𝒇𝑷 − 𝚺𝒏𝑹∆𝑯𝒇𝑹 𝐻°298 °𝐾 = [𝐻(𝐶𝐻4) + 2𝐻(𝐻2𝑂)] − [𝐻(𝐶𝑂2) + 4𝐻(𝐻2)] 𝐻°298 °𝐾 = [−74.85 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 + 2 (−241.8 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 )] − [−393.95 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 + 0] 𝐻°298 °𝐾 = −164.95 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 2. Calculamos el cambio de entropía(S°) a 25 °C (298 °K) Para eso utilizamos la formula termodinámica sobre cálculo de entropía en reacciones químicas: 3. Calculamos la energía libre de Gibbs(G): Para eso utilizamos la formula termodinámica sobre cálculo en reacciones químicas: 𝐺°298 °𝐾 = ∆𝐻° − 𝑇∆𝑆° 𝐺°298 °𝐾 = −164.95 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝑥 1000 𝐽 1𝐾𝐽 − [(298°𝐾) (−173.41 𝐽 𝑚𝑜𝑙°𝐾 )] 𝐺°298 °𝐾 = −113273.82 𝐽 𝑚𝑜𝑙 68 𝐺°298 °𝐾 = −113.27 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 4. Calculamos el 𝑲𝒑𝟐𝟓℃: De acuerdo a la siguiente formula se determina la constante de velocidad de reaacion a una temperatura de 25 0C 𝐾𝑝 25 ℃ = 𝑒 −∆𝐺° 𝑅𝑇 𝐾𝑝 25 ℃ = 𝑒 −(−113273.82 𝐽 𝑚𝑜𝑙 ) (8.314 𝐽 𝑚𝑜𝑙°𝐾 )(298 °𝐾) 𝐾𝑝 25 ℃ = 7.17𝑥1019 b) A la temperatura de 300 °C (573 °K) CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 2. Calculamos el cambio de entalpía(H) a 300 ᵒC (573 ᵒK): Usamos la siguiente fórmula para cálculo de propiedades termodinámicas: ∆𝐻573 = ∆𝐻298 + [∫ ∆𝐶𝑝𝑑𝑇 573 298 ] Procedemos a determinar la capacidad calorífica en función de la temperatura para poder determinar los modelos termodinámicos, que están en al cuadro No. 3.1 Cuadro N° 3.1: Valores de la capacidad calorífica en función de la T° 69 Obtenemos las ecuaciones de los calores específicos: 𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵𝑇 + 𝐶𝑇2 𝐶𝑝𝐶𝐻4 = 34.942 − 3.9967𝑥10−2𝑇 + 1.9184𝑥10−4𝑇2 𝐶𝑝𝐶𝑂2 = 27.437 + 4.2315𝑥10−2𝑇 − 1.9555𝑥10−5𝑇2 𝐶𝑝𝐻2𝑂 = 33.933 − 8.4186𝑥10−3𝑇 + 2.9906𝑥10−5𝑇2 𝐶𝑝𝐻2 = 25.399 − 2.0178𝑥10−2𝑇 − 3.8549𝑥10−3𝑇2 Calculamos la Δ Cp. CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Cp A B C CH4 34.942 −3.9967𝑥10−2 1.9184𝑥10−4 CO2 27.437 4.2315𝑥10−2 −1.9555𝑥10−5 H2O 33.933 −8.4186𝑥10−3 2.9906𝑥10−5 H2 25.399 −2.0178𝑥10−2 −3.8549𝑥10−3 70 ∆Cp = CpCH4 + 2CpH2O − (CpCO2 + 4CpH2 ) ∆Cp = −26.255 − 1.84x10−2T + 1.57x10−2T2 Reemplazamos en la fórmula para obtener el modelo matemático en función de la T° para la entalpia: ∆H573°K = ∆H298°K + ∫ (A + BT + CT2) dt 573 298 ∆H573°K = ∆H298°K + [∫ −26.255 − 1.84x10−2T + 1.57x10−2T2 dT 573 298 ] ∆H = ∆H298°K − 26.255T − 1.84x10−2T2 2 + 1.57x10−2T3 3 573 298 ∆H573°K = −164950 − 26.225(573 − 298) − 1.84x10−2(5732 − 2982) 2 + 1.57x10−2(5733 − 2983) 3 ∆H573°K = 671205.60 J mol ∆H573°K = 671.21 KJ mol En este punto empezamos a darle valores a la temperatura y lo reemplazamos en el modelo matemático determinado para la entalpia, cuyos resultados se encuentran en el cuadro No. 3.2 Cuadro 3.2: Datos obtenidos del cambio de entalpia (ΔH) a diferentes Temperaturas T(°K) ΔH573(KJ/mol) 71 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Δ H 298 -164.95 323 -127.91 348 -84.54 373 -34.37 398 23.12 423 88.39 448 161.96 473 244.29 498 335.90 523 437.26 548 548.86 550 558.25 573 671.21 Empezamos a graficar con los datos obtenidos en el cuadro 3.2 y obtenemos el grafico 3.1. Gráfico3.1 Datos obtenidos del cambio de entalpia (ΔH) a diferentes Temperaturas 72 3. Calculamos el cambio de entropía(S) a 300 ᵒC (578 ᵒK) CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Reemplazamos en la fórmula para obtener el modelo matemático en función de la temperatura para la entropía: ∆𝑺𝟓𝟕𝟑 = ∆𝑺𝟐𝟗𝟖 + [∫ ∆𝑪𝒑 𝑻 𝒅𝑻 𝟓𝟕𝟑 𝟐𝟗𝟖 ] Cuadro 3.3: Valores de la capacidad calorífica en función de laTemperatura Cp A B C CH4 34.942 −3.9967𝑥10−2 1.9184𝑥10−4 CO2 27.437 4.2315𝑥10−2 −1.9555𝑥10−5 H2O 33.933 −8.4186𝑥10−3 2.9906𝑥10−5 H2 25.399 −2.0178𝑥10−2 −3.8549𝑥10−3 Obtenemos las ecuaciones de los calores específicos: 73 𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵𝑇 + 𝐶𝑇2 𝐶𝑝𝐶𝐻4 = 34.942 − 3.9967𝑥10−2𝑇 + 1.9184𝑥10−4𝑇2 𝐶𝑝𝐶𝑂2 = 27.437 + 4.2315𝑥10−2𝑇 − 1.9555𝑥10−5𝑇2 𝐶𝑝𝐻2𝑂 = 33.933 − 8.4186𝑥10−3𝑇 + 2.9906𝑥10−5𝑇2 𝐶𝑝𝐻2 = 25.399 − 2.0178𝑥10−2𝑇 − 3.8549𝑥10−3𝑇2 Calculamos la Δ Cp. CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O ∆𝐶𝑝 = 𝐶𝑝𝐶𝐻4 + 2𝐶𝑝𝐻2𝑂 − (𝐶𝑝𝐶𝑂2 + 4𝐶𝑝𝐻2 ) ∆𝐶𝑝 = −26.255 − 1.84𝑥10−2𝑇 + 1.57𝑥10−2𝑇2 Reemplazamos en la fórmula para obtener el modelo matemático en función de la T° para la entropía: ∆S573°K = ∆S298°K + [∫ −26.255 − 1.84x10−2T + 1.57x10−2T2 T dT 573 298 ] ∆S573°K = ∆S298°K − 26.255lnT − 1.84x10−2T + 1.57x10−2T2 2 573 298 ∆S573°K = −173.41 − 26.255 ln(573 − 298) + [−1.84x10−2(573 − 298)] + 1.57x10−2(5732 − 2982) 2 S573 °K = 1553.40 J mol °K Luego procedemos a darle valores a la temperatura y lo reemplazamos en el modelo matemático determinado para la entalpia, cuyos resultados se encuentran en el cuadro No. 3.4 Cuadro 3.4 74 -200.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00 1600.00 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Δ S Temperatura (°K) Datos obtenidos del cambio de Entropía (ΔS) a diferentes Temperaturas T(°K) ΔS573(J/mol-K) 298 -173.41 323 -136.49 348 -23.52 373 106.80 398 250.02 423 404.73 448 570.33 473 746.46 498 932.95 523 1129.65 548 1336.49 550 1353.47 573 1553.40 Procedemos a graficar con los datos adquiridos en el cuadro 3.4 y obtenemos el grafico 3.2 Grafico3.2 Datos obtenidos del cambio de Entropía (ΔS)a diferentes Temperaturas 75 4. Calculando el valor de Kp2: Se reemplaza en la fórmula para determinar un valor de la constante de velocidad de reacción a elevadas temperaturas: ln 𝐾𝑝2 𝐾𝑝1 = ∆𝐻 𝑅 ( 1 𝑇1 − 1 𝑇2 ) KP2 = KP1 e ∆H R ( 1 T1 − 1 T2 ) KP2 = 7.17x1019e 671.21 KJ mol 0.008314 KJ mol °K ( 1 298 − 1 573 )°K KP2 = 2.10 × 1076 Luego procedemos a darle valores a la temperatura y lo reemplazamos en el modelo matemático determinado para la entalpia, cuyos resultados se encuentran en el cuadro No. 3.5 Cuadro 3.5 Valores de Kp en función de la Temperatura T(°K) ΔH573(KJ/mol) Kp 298 -164.95 7.170E+19 323 -127.91 1.319E+18 348 -84.54 5.324E+17 373 -34.37 4.408E+18 76 7.17E+19 5E+75 1E+76 1.5E+76 2E+76 2.5E+76 250 300 350 400 450 500 550 600 C o n st an te d e V e lo ci d ad K p Temperatura (°K) 398 23.12 7.475E+20 423 88.39 2.718E+24 448 161.96 2.296E+29 473 244.29 4.999E+35 498 335.90 3.177E+43 523 437.26 6.758E+52 548 548.86 5.586E+63 550 558.25 4.911E+64 573 671.21 2.100E+76 Procedemos a graficar con los datos obtenidos en el cuadro 3.5 y obtenemos el grafico 3.3 Grafico 3.3 Valores de la constante de velocidadKp en función de la Temperatura 77 5. 𝐂𝐚𝐥𝐜𝐮𝐥𝐚𝐧𝐝𝐨𝐞𝐥∆𝐆: Se reemplaza en la fórmula para determinar un valor de la energía libre de Gibbs a elevadas temperaturas: ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆 ∆𝐺 = 671.21 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 ∗ 1000 𝐽 𝐾𝐽 − (573°𝐾 ∗ 1553.40 𝐽 𝑚𝑜𝑙°𝐾 ) ∆𝐺 = −21889 𝐽 𝑚𝑜𝑙 ∆𝐺 = −218.89 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 Luego procedemos a darle valores a la temperatura y lo reemplazamos en el modelo matemático determinado para la energía libre de gibbs, cuyos resultados se encuentran en el cuadro No. 3.6 Cuadro 3.6 Datos obtenidos de la Energía Libre de Gibbs (ΔG) a diferentes Temperaturas T(°K) ΔH573(KJ/mol) ΔS573(J/mol-K) ΔG573(J/mol-K) 298 -164.95 -173.41 -113.27 323 -127.91 -136.49 -83.82 348 -84.54 -23.52 -76.36 373 -34.37 106.80 -74.20 398 23.12 250.02 -76.39 423 88.39 404.73 -82.81 78 -200.00 -150.00 -100.00 -50.00 0.00 250 300 350 400 450 500 550 600 Δ G Procedemos a graficar con los datos obtenidos en el cuadro 3.6 y obtenemos el grafico 3.4 Gráfico 3.4 Variación de la Energía Libre de Gibbs (ΔG)con la Temperatura 448 161.96 570.33 -93.55 473 244.29 746.46 -108.78 498 335.90 932.95 -128.71 523 437.26 1129.65 -153.55 548 548.86 1336.49 -183.53 550 558.25 1353.47 -186.162 573 671.21 1553.40 -218.89 79 3.2. Estudio Cinético - Para la reacción de metanación del dióxido de carbono: Teniendo en cuenta que se va a trabajar con un volumen de 100 Lt. Y que la reacción es de segundo orden (n = 2), con un grado de conversión del 20%. Tiene una constante de velocidad de 4.911𝑥1064 𝐿𝑡 𝑚𝑜𝑙𝑚𝑖𝑛 a una temperatura de 550 °K obtenido en el estudio termodinámico. CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 1 𝑚𝑜𝑙 6 𝑚𝑜𝑙 1 − 𝛼 6 − 4𝛼 Para un volumen de 100 Lt calculamos las concentraciones molares. CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 𝐶𝐶𝑂20 = 0.01𝑀 𝐶𝐻20 = 0.06𝑀 𝐶𝐶𝑂2 = 0.01𝑀 − 𝑋𝐶𝐻2 = 0.06𝑀 − 𝑋  Consumo del 20% de Dióxido de carbono  𝐶𝐶𝑂2 = 0.01𝑀 − 𝑋 𝐶𝐶𝑂2 = 𝐶𝐶𝑂20 − [𝛼𝐶𝐶𝑂20 ] 80 𝐶𝐶𝑂2 = 0.01𝑀 − (0.2𝑥0.01𝑀) 𝐶𝐶𝑂2 = 0.008𝑀  𝐶𝐻2 = 0.06𝑀 − 𝑋 𝐶𝐻2 = 𝐶𝐻20 − [4𝛼𝐶𝐻20 ] 𝐶𝐻2 = 0.06𝑀 − [4(0.2𝑥0.06𝑀)] 𝐶𝐻2 = 0.012𝑀 Como𝐶𝐻2 está en exceso entonces:𝐶𝐻2 = 𝐶𝐻20 = 𝑐𝑡𝑒 𝑽𝑹𝒙 = − 𝒅𝑪𝑪𝑶𝟐 𝒅𝒕 = 𝒌𝑪𝑪𝑶𝟐 𝑪𝑯𝟐 − 𝑑𝐶𝐶𝑂2 𝐶𝐶𝑂2 = 𝑘𝐶𝐻20 𝑑𝑡 = 𝑘 ′𝑑𝑡 Se obtiene: ln[𝐶𝐶𝑂2 ] − ln [𝐶𝐶𝑂20 ] = −𝑘 ′𝑡 Donde: 𝑘 ′ = 𝑘 [𝐶𝐻20 ] Calculamos𝑘 ′: 𝑘 ′ = 4.911𝑥1064 𝐿𝑡 𝑚𝑜𝑙𝑚𝑖𝑛 𝑥[0.06𝑀] 𝑘 ′ = 2.95𝑥1063 1 𝑚𝑖𝑛 Reemplazamos en: ln[𝐶𝐶𝑂2 ] − ln [𝐶𝐶𝑂20 ] = −𝑘 ′𝑡 ln[0.008𝑀] − ln[0.01𝑀] = − (2.95𝑥1063 1 𝑚𝑖𝑛 ) 𝑡 ln [ 0.008𝑀 0.01𝑀 ] − (2.95𝑥1063 1 𝑚𝑖𝑛 ) = 𝑡 81 𝑡 = 7.56𝑥10−65𝑚𝑖𝑛 𝑡 = 1.26𝑥10−66ℎ 𝑡 = 5.25𝑥10−68𝑑𝑖𝑎 Cuadro N°3.7: Variación de ln [𝐶𝐶𝑂2𝑜 ] vs tiempo(min) CO2o 𝐥𝐧 [𝑪𝑪𝑶𝟐𝒐 ] t(min) 0.010 -4.60517019 0 0.0098 -4.62537289 6.84838E-66 0.0096 -4.64599218 1.3838E-65 0.0094 -4.66704559 2.09747E-65 0.0092 -4.68855179 2.8265E-65 0.0090 -4.7105307 3.57154E-65 0.0088 -4.73300356 4.33333E-65 0.0086 -4.75599308 5.11264E-65 0.0084 -4.77952357 5.91028E-65 0.0082 -4.80362112 6.72715E-65 0.0080 -4.82831374 7.56419E-65 Grafico 3.5 Variación del Ln[CCO2o] con el tiempo 82 También analizaremos la variación de la CCO2 con el tiempo con el siguiente modelo: ln[𝐶𝐶𝑂2 ] − ln [𝐶𝐶𝑂20 ] = −𝑘 ′𝑡 𝐶𝐶𝑂2 = 𝑒 𝐿𝑛[𝐶𝐶𝑂2𝑜 ]−𝑘′𝑡 Cuadro 3.8 Variación de 𝐶𝐶𝑂2 con el tiempo(min) 83 𝐥𝐧 [𝑪𝑪𝑶𝟐𝒐 ] t (min) CO2 -4.60517019 0 0.010 -4.62537289 6.84838E-66 0.010 -4.64599218 1.3838E-65 0.009 -4.66704559 2.09747E-65 0.009 -4.68855179 2.8265E-65 0.008 -4.7105307 3.57154E-65 0.008 -4.73300356 4.33333E-65 0.008 -4.75599308 5.11264E-65 0.007 -4.77952357 5.91028E-65 0.007 -4.80362112 6.72715E-65 0.007 -4.82831374 7.56419E-65 0.0064 3.3. Balance de Materia y Energía a) Balance de materia Considerando que el grado de disociación en el reactor químico es de 20 % hallado en la ecuación: CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O 1 𝑚𝑜𝑙 6 𝑚𝑜𝑙 0 𝑚𝑜𝑙 0 𝑚𝑜𝑙 1 − 𝛼 6 − 4𝛼 𝛼 2𝛼 Considerando que la alimentación en el reactor químico es de 𝑛𝐶𝑂2 = 50000𝑚𝑜𝑙 y 𝑛𝐶𝐻2 = 300000𝑚𝑜𝑙 y 𝛼 = 20% se tiene el siguiente cuadro: Componentes Entrada Salida 84 mol Kg TM mol Kg TM CO2 H2 CH4 H2O 50000 300000 0 0 2.2𝑥106 6.0𝑥105 0 0 2200 600 0 0 40000 60000 10000 20000 1.76𝑥106 1.2𝑥105 1.6𝑥105 3.6𝑥105 1760 120 160 360 Hay una producción de metano de 1.6x105Kg y agua de 3.6x105 Kg y1.76x106 Kg de CO2 e 1.6x105 Kg de H2, pueden recircular para así seguir minimizando la cantidad de CO2 emitida, ver figura N° 3.1: Figura 3.6: Reactor de conversión de CO2 a CH4 b) Balance de energía - En la reacción de metanación del dióxido de carbono 85 CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O El cambio de entalpia (ΔH) es 558.25 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙 Como se determinó una temperatura de proceso de 550 °K entonces el ΔH es la cantidad de calor que necesita la reacción química, Q = ΔH 𝑄 = 558.25 𝐾𝐽 Este calor proviene del uso de un combustible fósil, si usamos el gas natural, entonces 𝑄 = 𝑚𝐶𝑒(𝑇𝐹 − 𝑇𝐼) 𝑄 = 𝑚𝐺.𝑁𝐶𝑒𝐺.𝑁(𝑇𝐹 − 𝑇𝐼) 𝑚𝐺.𝑁 = 𝑄 𝐶𝑒𝐺.𝑁(𝑇𝐹 − 𝑇𝐼) Calor específico: 𝐶𝑒𝐺.𝑁 = 8.57 𝐶𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙℃ 𝑥 4.184 𝐽 1 𝐶𝑎𝑙 𝑥 1𝑚𝑜𝑙 16 𝑔 𝐶𝑒𝐺.𝑁 = 2.24 𝐽 𝑚𝑜𝑙℃ Variación de la temperatura: ∆𝑇 = 𝑇𝐹 − 𝑇𝐼 ∆𝑇 = (550 − 298)°𝐾 = (550 − 298)°𝐶 ∆𝑇 = 252℃ 𝑚𝐺.𝑁 = 558.25 𝐾𝐽 2.24 𝐽 𝑔℃ 𝑥 1 𝐾𝐽 1000 𝐽 (252 ℃) 𝑚𝐺.𝑁 = 988.96 𝑔 86 Teniendo en cuenta q la densidad del Gas Natural es de 0.753 𝐾𝑔 𝑚3 calculamos el volumen 𝜌𝐺.𝑁. = 𝑚𝐺.𝑁 𝑉 𝑉 = 𝑚𝐺.𝑁 𝜌𝐺.𝑁. 𝑉 = 988.96 𝑔𝑥 1 𝐾𝑔 1000 𝑔 0.753 𝐾𝑔 𝑚3 𝑉 = 1.31 𝑚3 3.5. Cálculo de diseño del Reactor La longitud total hallada por el método de diferencias finitas es L =20ft, luego el volumen del reactor tubular (PFR) se puede calcular de la siguiente forma: Entonces el tiempo de residencia de gases reacción ante en el reactor es: 3.5.1. Sobredimensionamiento del Reactor Al horno no se le hizo sobredimensionamiento debido a que se utilizará una válvula de seguridad, lo que permitirá tener un control de la presión dentro 87 del reactor, sin embargo, al no tener en cuenta el volumen de los retornos, se asume que estos aportaran un volumen adicional al reactor, aunque este será muy pequeño en comparación con el volumen total. 3.5.2. Material de Construcción del Reactor Debido a las condiciones extremas que se manejaran en el horno se necesitaran materiales altamente resistentes a las temperaturas y a la corrosión. A continuación se relacionaran los materiales más empleados para las principales secciones del horno. Materiales metálicos: 1. Los materiales más empleados para los tubos son los siguientes: Acero carbón*, 11/4, 21/4, 5 y 9 cromo-molibdeno 18-8 y 25-20 cromo- níquel. En general los materiales son seleccionados de acuerdo con las especificaciones de la ASTM. 2. Los soportes para los tubos, cuando están expuestos a una alta densidad de calor radiante, son fabricados con 25-12 cromo-níquel. Si se presenta un alto contenido de vanadio en el combustible, se recomienda soportes con 60-40 cromo-níquels. Refractarios: 88 1. Los refractarios están divididos en tres grupos principales: ácidos, neutros y básicos. Cada uno de estos tipos puede utilizarse para que esté en contacto sólo con materiales que le sean químicamente compatibles. 2. En caso que se produzca reacción entre dos refractarios, deberá separarse por medio de una hilada de ladrillo especial que sea neutro a los dos. 3. Por lo general, en hornos de proceso se utilizan ladrillos refractarios de calidad intermedia, ya que la temperatura de estos hornos es relativamente baja. 4. Los gases del horno tienen más efecto sobre las propiedades de los refractarios que los considerados normalmente. Por ejemplo, el monóxido de carbono puede descomponerse en dióxido de carbono y carbón entre 700ºF y 1000ºF en presencia de ciertos catalizadores, cuando esto ocurre, la continua deposición de carbón dentro del cuerpo de ladrillo puede ocasionar la desintegración de éste. 89 7.17E+19 2E+59 4E+59 6E+59 8E+59 1E+60 1.2E+60 1.4E+60 1.6E+60 1.8E+60 2E+60 250 350 450 550 650 C o n st an te d e V e lo ci d ad K p Temperatura (°K) CAPÍTULO IV: PRESENTACION, ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS 4.4. Análisis de resultados: De acuerdo a los gráficos obtenidos producto de la evaluación termodinámica y cinética, en la conversión de los óxidos de carbono, en el grafico 4.1 se observa que la constante de velocidad aumenta repentinamente a 550 oK, es decir que a esta temperatura la transformación de los reactantes en productos se desarrollan en forma óptima, sin considerar que a esta reacción se le podría variar utilizando catalizadores para acelerar la reacción química. Grafico 4.1 Diagrama de endulzamiento del gas Natural 90 -200 -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Δ H Temperatura (°K) La reaccion quimica es endotermica, en ambas conversiones, es decir necesita energia para que se desarrolle este proceso, de acuerdo al grafico 4.2, se puede determinar que la evolucion de la curva es mas pronunciada a 550 oK, eso significa que la temperatura del proceso es a 550 oK, se podria seguir aumentando la temperatura, pero esto significaria seguir gastando en combustible, lo que ocasionaria mas gastos para el desarrollo del presente proyecto. Gráfico 4.2 Variación de la entalpia(ΔH) con la Temperatura 91 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0 1E-65 2E-65 3E-65 4E-65 5E-65 6E-65 7E-65 8E-65 C C O 2 tiempo (min) Observando el grafico 4.1, donde el Kp es bastante alto a 550 oK, en los procesos de conversión del CO y CO2, significa que la velocidad de reacción es rápida, por lo tanto el tiempo es bastante rápido, es lo que se observa en el grafico 4.3, donde se aprecia que la variación de la concentración es en centésimas de minutos, lo que también se demuestra en el gráfico de espontaneidad en la determinación de la energía libre de gibbs y la entropía. Grafico 4.3 Variación de la CCO2 con el tiempo 92 4.2 Parámetros de Diseño obtenidos Los parámetros de diseño obtenidos de acuerdo a la evaluación termodinámica y cinética, para la conversión del CO2 son los siguientes: Temperatura: 550 oK Presión: 1 atm. Grado de Conversión: 20 % Tiempo de reacción: 7.56𝑥10−65𝑚𝑖𝑛 Constante de Velocidad: 2.95𝑥1063 De igual forma en el capítulo 3, se obtienen los resultados para el diseño de conversión del monóxido de carbono. 93 CONCLUSIONES Se Evaluaron los parámetros de diseño del reactor para la obtención del metano a partir de la síntesis del dióxido de carbono producidos en la combustión, estimando una temperatura entre 500 y 600 0C. Se Determinaron los parámetros de diseño del reactor en el proceso de la metanizacion, una temperatura de 550oC, un tiempo de reacción de 7.56𝑥10−65 𝑥𝑥𝑥 y una Constante de Velocidad: 2.95𝑥1063, y un gasto de combustible (gas natural), de 0.988 m3 para una conversión del 20 %. Se Evaluaron estudios termodinámicos desarrollando modelos termodinámicos para predecir propiedades termodinámicas, además se desarrolló un estudio cinético en el proceso de la conversión. El grado de conversión en la metanizacion es del 22 % 94 RECOMENDACIONES 1. Se recomienda crear pruebas a nivel de planta piloto para observar los resultados y establecer límites de avance durante el tiempo de cambio de CO2 a metano. 2. Desarrollar estudios utilizando diferentes estrategias o avances para disminuir la agrupación de CO2, en esta línea disminuir la salida de esta sustancia que agota la capa de ozono, que es un problema para la humanidad. 3. Apreciar la centralización de CO2 en la zona de Ica y buscar arreglos electivos. Nuestro trabajo es una propuesta, sin embargo, puede haber otras que ayuden a cuidar este extraordinario tema en el que la humanidad está empapada. 95 REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS 1. Daviet, G.R. et al.,"Simulationvalúen pro ve out in DEA to MDEA Switch", Oil & Gas Journal, August 6, 1934, pp.47-50 2. Dingman, J.C., and Moorc, T.F., "Estudio comparativo de la eficiencia del gas natural y la gasolina como combustibles automotores", Hydrocarbon Processing, Vol.47, No.7.pp.138-140, July,1968 3. 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