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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE FACULTAD DE TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA EN PETRÓLEO, GAS Y ENERGÍAS

PERFIL DE PROYECTO DE FACTIBILIDAD TÉCNICA PARA LA OBTENCIÓN DE OLEFINAS LIGERAS A PARTIR DE METANOL UTILIZANDO LA TECNOLOGIA HONEYWELL UOP EN EL COMPLEJO PETROQUIMICO DE BULO BULO DEL DEPARTAMENTO DE COCHABAMBA

PERFIL DE PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE LICENCIATURA EN INGENIERÍA EN PETRÓLEO, GAS Y ENERGÍAS

ESTUDIANTE: Josué Alejandro Oporto Flores DOCENTE: Mgr. Raul Milko Cuadros Saavedra

Cochabamba – Bolivia 2019

INDICE 1.

INTRODUCCION.................................................................................................................3

2.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA............................................................................4 2.1.

3.

4.

FORMULACION DEL PROBLEMA............................................................................6

OBJETIVOS..........................................................................................................................6 3.1.

OBJETIVO GENERAL...................................................................................................6

3.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS..........................................................................................6

JUSTIFICACION..................................................................................................................7

4.1. JUSTIFICACION TEORICA..............................................................................................7

5.

4.2.

JUSTIFICACION TECNICA..........................................................................................7

4.3.

JUSTIFICACION ECONOMICA...................................................................................7

4.4.

JUSTIFICACION SOCIAL.............................................................................................8

MARCO TEORICO..............................................................................................................8 5.1.

OLEFINAS LIGERAS....................................................................................................8

5.1.1. PRINCIPALES OLEFINAS LIGERAS......................................................................8 5.1.1.1.

ETILENO..............................................................................................................10

5.1.1.3.

OLEFINAS LIGERAS C4....................................................................................13

5.2.

PROCESOS DE OBTENCIÓN DE OLEFINAS LIGERAS........................................14

5.2.1. PRODUCCIÓN DE OLEFINAS POR CRAQUEO CON VAPOR DE HIDROCARBUROS (STEAM CRACKING)......................................................................15 5.2.2. PROCESOS DE REFINO.........................................................................................17 5.2.2.1.

CRAQUEO CATALÍTICO EN LECHO FLUIDO (FCC)...................................19

5.2.2.2.

HIDROCRAQUEO (HYDROCRACKING).........................................................20

5.2.3. DESHIDROGENACIÓN DE PARAFINAS.............................................................21 5.2.4. ACOPLAMIENTO OXIDATIVO DE METANO....................................................22 5.3.

PROCESO MTHC (METANOL A HIDROCARBUROS)..........................................23

5.3.1. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL PROCESO MTHC.............................................23 5.4. 2

PROCESO MTO...........................................................................................................27

5.4.1. OBTENCIÓN DE METANOL.................................................................................27 5.4.2. REACCIONES MTG Y MTO...................................................................................29 5.4.3. MECANISMOS DE REACCIÓN.............................................................................30 5.4.3.1.

FORMACIÓN DE OLEFINAS PESADAS..........................................................34

5.4.4. EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS EN EL PROCESO MTO.35 5.4.4.1. 5.6.

MATERIALES ZEOLÍTICOS MICROPOROSOS..............................................35

EVALUACIÓN ECONÓMICA....................................................................................41

5.6.1. FACTIBILIDAD ECONÓMICA..............................................................................41 5.6.2. DETERMINACIÓN DE LAS INVERSIONES NECESARIAS (CAPEX).............42 5.6.3. DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS OPERATIVOS (OPEX)...........................42 5.6.4. CRITERIOS DE RENTABILIDAD DEL PROYECTO...........................................42 6.

MARCO METODOLOGICO............................................................................................44 6.1.

ENFOQUE DE LA INVESTIGACION........................................................................44

6.2.

TIPO DE INVESTIGACION........................................................................................44

6.3.

SUJETO Y FUENTES DE INFORMACION...............................................................45

6.4.

INSTRUMENTOS Y METODOS DE INVESTIGACION..........................................45

7.

INDICE TENTATIVO........................................................................................................51

8.

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.............................................................................53

BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................................54

3

INTRODUCCION Los plásticos están presentes en todos los ámbitos de la sociedad. Los avances conseguidos por ésta insumo en los últimos 30 años no habrían sido posibles sin este material, que es fundamental en sectores como la agricultura, la industria, la alimentación, la medicina, las telecomunicaciones o el transporte, son versátiles, duraderos, entre las exigencias actuales se incluye también la necesidad de encontrar un equilibrio entre esas ventajas y la protección del medio ambiente. El impacto en la actualidad es difícil prescindir de los plásticos, no solo por su utilidad sino también por la importancia económica que tienen. Esto se refleja en los índices de crecimiento de esta industria que, desde principios del siglo pasado, supera a casi todas las actividades industriales. Los plásticos se utilizan para embalajes, para envasar, conservar y distribuir alimentos, medicamentos, bebidas, agua, artículos de limpieza, de tocador, cosmetología y un gran número de otros productos, que pueden llegar a la población en forma segura, higiénica y práctica. Su uso cada vez más creciente se debe a las características de los plásticos, debido a que son livianos, lo que implica facilidad en la manipulación y optimización de costos. Los envases plásticos son capaces de adoptar diferentes formas como bolsas, botellas, frascos, películas finas y tuberías, entre otros. Los plásticos tienen afinidad entre sí y con otros materiales, admitiendo diversas combinaciones.  Bolivia reiteradas veces intento ingresar a la industrialización de plásticos, mediante la obtención de propileno y posteriormente polipropileno, usando propano, extraído de las plantas de separación de líquidos, el proyecto se encuentra para algunos “abandonado”, para otro sector “en estudio”. Las mayores dificultades son políticas y técnicas, debido a la baja producción de propano (materia prima) y a un alto costo estimado de inversión para el desarrollo del proyecto.

4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La producción de plásticos actualmente es un referente económico muy importante. La demanda de materia prima para la producción de plásticos en el mundo está en constante crecimiento debido a su amplio espectro de aplicación. Mundialmente existe varios procesos diferentes para la obtención de esta materia prima olefinica, por consiguiente, es necesario analizar un proceso que se adapte mejor a las características de producción de nuestro país y dar un paso grande en la industrialización de olefinas para la industria de polímeros. Figura 1. Árbol de problemas

PROBLEMAS EFECTO

PROBLEMA CENTRAL

PROBLEMAS CAUSA

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Fuente: Elaboración propia Las causas de la ausencia de industrialización para la producción de olefinas ligeras en Bolivia son las malas políticas de inversión que son desventajosas para los inversionistas ya que no es económicamente favorable debido al control total de YPFB en un mercado monopolizado, los efectos que esta causa son la ausencia de inversionistas y sin estos no se tiene los recursos necesarios para el desarrollo en el campo hidrocarburifero. La exportación de gas natural y otros recursos naturales desde hace mucho tiempo debido a la poca demanda interna, causan la dependencia económica a la venta de estos recursos y los contratos muy desfavorables tiene un efecto en los pilares de la economía nacional de manera que cierran la posibilidad de producir productos de mayor valor agregado. El poco conocimiento e información sobre los contratos de exportación de gas natural, tienen como efecto el desconocimiento total por parte de la población por lo que las generaciones actuales y futuras no tienen ni tendrán el interés para solucionar los mayores problemas de este rubro, porque no los conocerían. Por consiguiente, no existirá profesionales especializados para la solución de problemas específicos en el ámbito petrolero y la deficiencia se verá reflejada cada vez en la situación económica del país. La falta de volúmenes o cantidades disponibles de hidrocarburos, la baja producción de etileno, propileno (materia prima para producción de plásticos) todos estos causados por la falta de exploración – explotación, tienen como efecto importar productos petroquímicos de primera o segunda generación a costos relativamente elevados.

2.1. FORMULACION DEL PROBLEMA ¿Sera factible realizar un estudio técnico para la obtención de olefinas ligeras a partir de metanol en Bolivia, mediante el uso de la tecnología honeywell UOP, de esta manera impulsar la industrial de polímeros y obtener productos de mayor valor agregado? 6

OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL Realizar el estudio de factibilidad técnica para la obtención de olefinas ligeras a partir de metanol en el complejo petroquímico bulo bulo, mediante el uso el uso de la tecnología honeywell UOP.

3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Realizar el diagnostico situacional de la planta petroquímica de Bulo Bulo, para evaluar las condiciones de producción en las que se encuentra la industria.



Estructurar un marco metodológico para identificar los métodos, las variables, las técnicas y los instrumentos de medición que permitan desarrollar y estructurar el estudio.



Realizar el análisis de la tecnología Honeywell UOP mediante una simulación en aspen hysys para comparar los procesos con la información teórica.



Presentar los resultados técnicos del proceso para evaluar la relación etileno/propileo, el rendimiento de la planta y el caudal de producción.



Determinar la factibilidad económica del proceso para estimar la inversión requerida.

JUSTIFICACION 1.1. JUSTIFICACION TEORICA El consumo actual de plásticos es extremadamente amplio, el total de las materias plásticas consumidas en el mundo se distribuyen aproximadamente entre los siguientes sectores: en envases el 39,9%, el de la construcción y edificación el 19,7%, otros (electrodomésticos, muebles, aplicaciones médicas, ingeniería mecánica) 16,7%, la industria del automóvil el 10%, el sector eléctrico el 6,2%, el textil y el calzado el 4,2% y la agricultura el 3,3%.

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1.2. JUSTIFICACION TECNICA La necesidad de contar con un proceso técnico adecuado a las características de nuestra producción para su aprovechamiento eficiente, iniciaría el proceso de obtención de olefinas ligeras e impulsaría la industrialización de Bolivia, lo que abriría las puertas a una variedad amplia de aplicaciones. 1.3. JUSTIFICACION ECONOMICA La producción de plásticos tiene una alta demanda a nivel mundial y la capacidad productiva de este elemento en un país, constituye un fuerte referente económico debido a la demanda actual, ya sea en el mercado interno o externo. La industrialización para la producción de estos, aumentaría los ingresos económicos de un país gracias a la generación de productos de mayor valor agregado. Esto eliminaría la dependencia de importaciones de materia prima. 1.4. JUSTIFICACION SOCIAL Elevaría el valor del PIB/ per cápita (producto interno bruto/per cápita) de tal manera que aumentaría la calidad de vida de la población y de los servicios en general, adicionalmente se generan múltiples fuentes laborales. MARCO TEORICO 5.1. OLEFINAS LIGERAS Las olefinas son hidrocarburos alifáticos no saturados, que contienen un doble enlace y cuya fórmula general es CnH2n.(CHOW.1987)

5.1.1. PRINCIPALES OLEFINAS LIGERAS Las olefinas ligeras con mayor importancia a nivel industrial, son el etileno, el propileno, y los butenos, ya que se consideran puntos de partida e intermedios fundamentales para la industria petroquímica. (CHOW.1087) 8

Las materias primas petroquímicas más usadas en la fabricación de polímeros: 

Etileno = cloruro de vinilo, etilenglicol, acetato de vinilo, estireno, óxido de etileno, alcohol polivinílico.



Propileno = cloruro de alilo, epiclorhidrina , 2-etilhexil acrilato, butil acrilato, etil acrilato, metil acrilato, óxido de propileno, polioles, propilenglicol, acrilonitrilo.



Butilenos = butadieno, anhídrido maleico.

El consumo de polímeros o plásticos ha aumentado considerablemente en los últimos años. Estos petroquímicos han sustituido parcial y a veces totalmente a muchos materiales naturales como la madera, el algodón, el papel, la lana, la piel, el acero y el concreto. Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son los precios de muchos materiales plásticos que son competitivos y a veces inferiores a los de los productos naturales, y el hecho de que el petróleo ofrece una mayor disponibilidad de materiales sintéticos que otras fuentes naturales. (CHOW.1987) Este aumento en el consumo de los plásticos lo comprobamos al observar que en 1974 se consumían 11 kilogramos por individuo, pero se calcula que para 1990 el consumo mundial será de 34.5 kilogramos per capita. La crisis petrolera de 1974 también influyó en el aumento del consumo de los plásticos, sobre todo en la industria automotriz. Al aumentar los precios del petróleo, los países desarrollados se vieron obligados a buscar nuevas alternativas para ahorrar energéticos. Los plásticos ofrecieron una buena opción para lograr la meta, pues permitían disminuir el peso de los vehículos, lo cual repercutía en un ahorro en el consumo de combustible por kilómetro recorrido. (CHOW.1987) En 1979 los automóviles se construían usando un promedio de 4.5% de materiales plásticos, o sea alrededor de 80 kilogramos / automóvil. En 1980, este porcentaje subió hasta 10% del peso total, o sea 125-150 kilogramos/automóvil. Entre los polímeros usados para reducir el peso de los automóviles se encuentran los poliésteres, polipropileno, cloruro de polivinilo, poliuretanos, polietileno, nylon y ABS (acrilonitrilo-butadienoestireno). (CHOW.1987)

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Sin embargo, el mercado más grande de los plásticos es el de los empaques y embalajes, siendo el polietileno el que ocupa el 43% en este campo. Lo anterior provoca un problema que no podemos ignorar: la contaminación por desperdicios no biodegradables. En Estados Unidos el 4% de los desperdicios sólidos en los basureros municipales son los plásticos. (CHOW.1987) Este porcentaje parece muy pequeño aparentemente, pero si tomamos en cuenta que la cantidad de basura asciende a varios cientos de miles de toneladas, entonces comprobamos la dimensión del problema. Existen varias tecnologías que se están aplicando y otras que se están desarrollando en esta dirección. A continuación, mencionaremos algunas de ellas. En Estados Unidos la compañía Western Electric emplea un proceso que consiste en reciclar el plástico de los basureros por remoldeo, ya que el 80% de estos polímeros son termoplásticos. (CHOW.1987) Otra alternativa para resolver el problema de los plásticos de desperdicio es procesarlos y convertirlos en productos químicos valiosos por medio de un proceso de desintegración. El producto recuperado depende de la naturaleza del plástico usado y de la temperatura aplicada. En un experimento en el cual se usó el polietileno y se rompieron las cadenas poliméricas a 740°C, los principales productos fueron metano 16.2%, etileno 25%, benceno, tolueno, xilenos 29% y ceras polietilénicas 7%. Cuando se desintegra el poliestireno a la misma temperatura se recupera el 71.6% del estireno. (CHOW.1987) Una tercera alternativa es la de producir plásticos que sean fotodegradables, o sea que se degraden con la luz, para evitar tener que recuperarlos. Sin embargo, el problema ecológico provocado por la industria de los plásticos es demasiado grande como para considerar que ya esté resuelto. (CHOW.1987) 5.1.1.1.

ETILENO El etileno es un alqueno de fórmula química C2H4. Es un gas incoloro, de sabor dulce y

muy inflamable que se almacena y transporta en condiciones criogénicas. Es un producto altamente reactivo, que participa en reacciones de halogenación, oxidación, polimerización, alquilación, etc. (LEWIS.1912)

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Se produce junto con otras olefinas de 3 y 4 átomos de carbono, mediante procesos petroquímicos de craqueo con vapor, en procesos de refino, etc. y es el producto de base más importante de la industria Petroquímica. (LEWIS.1912) Algunas de sus propiedades son: 

Temperatura normal de ebullición: ‐103,7 °C



Temperatura crítica: 9,5 °C



Presión crítica: 50,6 atm



Límites de explosividad en aire: 3‐34 %v

En el siguiente gráfico se recogen las múltiples aplicaciones a las que se destina el etileno y los productos derivados de este. Figura 2. Productos del etileno

Fuente. Chow, S. (1987) La demanda de los productos derivados del etileno crece cada año y es por ello, que se está potenciando el estudio de nuevos métodos alternativos para su obtención. 

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Figura 3. Demanda mundial de polimeros (polietileno)

Fuente. Vaquerizo.(2013) 5.1.1.2.

PROPILENO

El propileno es un gas muy volátil, incoloro, muy inflamable y de fórmula química C3H6. Se suele almacenar como un líquido a presión, resultando su transporte y almacenamiento en condiciones criogénicas más sencillo que con el etileno. Las principales reacciones en que interviene el propileno son reacciones de polimerización, de adición electrófila y de sustitución. (LEWIS.1912) Algunas de sus propiedades más características son las siguientes: 

Temperatura normal de ebullición: ‐47,7 °C



Temperatura crítica: 91,8 °C



Presión crítica: 44,12 atm



Límites de explosividad en el aire: 2,2 – 10,0 %v

La obtención del propileno se lleva a cabo principalmente como subproducto junto con el etileno y otras olefinas, bien mediante procesos de craqueo con vapor de hidrocarburos, bien en procesos 12

de refinería y otros en desarrollo, por lo que la producción de propileno queda determinada en gran medida no sólo por su demanda, sino también por la del etileno y la de los productos de refinería. El propileno se destina a multitud de aplicaciones y sirve de intermedio para la obtención de numerosos productos químicos. La siguiente Figura recoge los más importantes: La producción anual del propileno en el año 2009 fue de aproximadamente de 80 millones de toneladas. De esa cantidad el 60 % se destina a la industria del polipropileno, y según estudios recientes, se estima que su demanda crecerá aún más deprisa que la del etileno, debido al aumento en el consumo de polipropileno. (LEWIS.1912) Figura 4. Productos del propileno

Fuente. Chow, S. (1987) 5.1.1.3. OLEFINAS LIGERAS C4 Las olefinas que se consideran dentro de este conjunto son cuatro: 1‐buteno, isobuteno, trans‐ 2buteno y cis‐2buteno. Se encuentran en el gas natural y en los gases procedentes del craqueo térmico o catalítico de diversas fracciones del petróleo de los que se separan por destilación fraccionada. (LEWIS.1912) Se muestran algunas de sus aplicaciones más importantes:

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Figura 5. Productos de c4+

Fuente. Chow, S. (1987)

5.2. PROCESOS DE OBTENCIÓN DE OLEFINAS LIGERAS Como hemos podido observar en el apartado anterior, las olefinas ligeras presentan un elevado interés industrial como intermedios fundamentales en la industria petroquímica. Existen diversos métodos de obtención de este tipo de olefinas, entre los que destacan el craqueo con vapor de hidrocarburos, procesos de refino como el FCC (craqueo catalítico en lecho fluido) e hidrocraqueo, entre otros. (LEWIS.1912) Debido a la creciente demanda, y a la necesidad de encontrar métodos alternativos para su obtención, existen otros procesos en distintas fases de desarrollo, como el acoplamiento oxidativo de metano, la deshidrogenación oxidativa de parafinas y el proceso MTO (obtención 14

de olefinas a partir de metanol), que es el que se va a estudiar con detalle en este proyecto. (LEWIS.1912) 5.2.1. PRODUCCIÓN

DE

OLEFINAS

POR

CRAQUEO

CON

VAPOR

DE

HIDROCARBUROS (STEAM CRACKING) Mediante el método de craqueo con vapor de hidrocarburos, es posible obtener las principales olefinas ligeras, utilizando como materias primas, diversas fracciones derivadas del petróleo como, naftas, gasoil, etano, etc. El craqueo con vapor se produce en reactores tubulares con temperaturas por encima de los 750 °C en ausencia de catalizador, a través de reacciones de fisión beta y deshidrogenación. En el proceso de craqueo con vapor, se distinguen cinco unidades fundamentales características de las plantas de craqueo con vapor con una de las alimentaciones más empleadas, la nafta. (LEWIS.1912) Figura 6. Esquema del proceso steam cracking

Fuente. Lewis. (1912) En primer lugar, tiene lugar la etapa de pirolisis, en la que se inyecta vapor para vaporizar la mezcla y en la que tiene lugar las reacciones antes citadas. El gas saliente del horno de pirolisis se enfría en una caldera de recuperación de calor. Seguidamente tiene lugar la etapa de 15

fraccionamiento primario, que consiste en una columna de fraccionamiento a presión, en el que se introduce el gas de pirolisis. Por fondo se obtiene un fueloil o gasoil de pirolisis negro. Por cabeza se separa una nafta del agua, que consiste en una gasolina de pirolisis con alto número de octano y los gases salen como incondensables. (BRAUN.1961) La siguiente etapa, es la de compresión, en la que el gas craqueado se comprime en un compresor de 4‐5 etapas con refrigeración intermedia hasta 40 kg/cm2. Al final de la última etapa el gas se seca mediante alúmina activa o por tamices moleculares para eliminar el CO2 residual. La cuarta etapa consiste en un fraccionamiento a baja temperatura, en el que el gas se introduce en la desmetanizadora y en esta tiene lugar la separación del CO, metano y el hidrógeno. La corriente de fondo de la desmetanizadora entra en la desetanizadora, en la que se separa la corriente de C2 por cabeza, que, tras pasar por el convertidor de acetileno, se deshidrogena selectivamente a etileno. La fracción que no condensa, pasa al separador de C2, obteniéndose por fondo etano que se recicla a la etapa de pirolisis. Por cabeza se obtiene etileno de bajo grado (restos de metano) y el etileno de alta pureza, es extraído del lateral superior. Por último, tiene lugar la etapa de fraccionamiento a alta temperatura, en el que la corriente de fondo de la desetanizadora pasa a la despropanizadora. Por cabeza se separan los C3 y los más pesados se separan seguidamente como fracción C4 y en una gasolina de pirolisis (C5 y superiores). La fracción C3, pasa a otro reactor de hidrogenación selectiva donde se elimina el metilacetileno y a su salida la fracción C3 pasa a un separador C3. Donde se obtiene por cabeza el propileno y por fondo el propano, que se recicla al horno de pirolisis. Se separan además el butadieno y los butenos de la fracción C4, y de las gasolinas de pirolisis se separan los BTX (benceno, tolueno y xileno). Además, pueden existir otras unidades complementarias, como la de hidrosulfuración del gasoil (si se empleasen como alimentación), separación de los BTX, etc. La distribución de los productos depende en gran medida de la materia prima que se emplee. Cuanto menor sea el peso molecular de la materia prima, mayor será el porcentaje de etileno.

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Los rendimientos de propileno son mayores cuanto más elevado sea el peso molecular de la materia prima: Figura 7. Rendimientos (%) en el proceso de craqueo con vapor de varias alimentaciones.

Fuente. Vaquerizo. (2013) Como se observa en la tabla, el rendimiento a propileno en este proceso es bajo, por lo que en las últimas décadas se ha tratado de desarrollar nuevas tecnologías que aumenten su producción. Algunas de estas tecnologías son: 

Tecnología de Conversión a Olefinas (Olefin Conversion Technology: OCT) de ABB Lummus,



Superflex Technology de Kellogg Brown & Root,



Propylur Technology de Lurgi.

OCT se basa en la reacción de metátesis que convierte un mol de etileno y un mol de butileno para formar dos moles de propileno. OCT se usa para aumentar la relación propileno/etileno de 0,65 a 1,0. Por otro lado, las tecnologías Superflex y Propylur pueden ser

diseñados para

producir relaciones de propileno/etileno de aproximadamente 0,8. (MEYERS.1997)

5.2.2. PROCESOS DE REFINO El petróleo crudo es la principal fuente de combustibles líquidos y de una gran parte de productos derivados de hidrocarburos, además de lubricantes, polímeros, químicos, fibras y productos farmacéuticos. Debido a la gran variedad que presentan en cuanto a su estructura 17

molecular y peso, así como sus potenciales aplicaciones, es necesario separar los hidrocarburos del petróleo de acuerdo a sus diferentes puntos de ebullición. Las fracciones destiladas proporcionan una calidad baja, por lo que normalmente se requiere el uso de catalizadores para conseguir una mayor eficiencia. (CRAUS.1930) Figura 8. Esquema típico simplificado de una refinería de tipo medio.

Fuente. Lewis. (1912) Previamente a la destilación, el crudo tiene que ser desalado, que consiste en un lavado con agua para eliminar los minerales solubles y los sólidos. Después, el crudo se destila en una serie de columnas de destilación. Los compuestos más ligeros (hidrocarburos C1-C4) incluyendo los LPG (gases licuados del petróleo), gasolinas de C4‐C5, naftas ligeras (C5‐C7), naftas pesadas (C7C10), y gasóleos ligeros (C10‐C20), se separan a presión atmosférica y a temperaturas por encima de los 350 °C, mientras que los componentes más pesados como gasoil pesados, y 18

residuos atmosféricos (C20‐C40), residuos de vacío (C>40), y asfaltos se separan en una columna de destilación a vacío. (LEWIS.1912) Esta designación para las distintas fracciones puede variar de una refinería a otra, dependiendo de a qué estén destinadas o del lugar geográfico, etc. Las unidades que pueden estar presentes en una refinería de grado medio, son las unidades de ligeros, la de aminas (absorción con aminas para eliminar compuestos ligeros de azufre, H2S, CO2) unidad Merox (elimina los compuestos de azufre más pesados) reformado catalítico, blending, etc. Además, algunas incorporan unidades de destilación a vacío, de coquización, de ésteres, isomerización, alquilatos, plantas de lubricantes, planta de olefinas, etc. (LEWIS.1912)

5.2.2.1.

CRAQUEO CATALÍTICO EN LECHO FLUIDO (FCC)

El craqueo catalítico en lecho fluido se considera la unidad estrella en las refinerías de grado medio, consiguiéndose naftas de alto índice de octano. En la actualidad el 28 % de la producción de propileno se obtienen gracias a esta unidad. El proceso de conversión (craqueo) se ve favorecido a bajas presiones, altas temperaturas y en presencia de un catalizador específico, mediante reacciones de ruptura y ciclación de cadenas. Los productos pesados (sobre todo el gasóleo de vacío, gasóleo pesado atmosférico) se transforman en productos ligeros (gases, naftas de alto índice de octano, gasóleos…). (HERNANDEZ.2004) Figura 9. Esquema de una unidad de FCC

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Fuente. Hernández. (2004) La alimentación (normalmente gasoil de vacío) se mezcla con el catalizador (previamente calentado en el regenerador) a la entrada del reactor. Ambos ascienden a gran velocidad a través del reactor a la vez que se van produciendo las reacciones de craqueo catalítico. Cuando llegan al separador, se separa por un lado parte del catalizador, que se quema con aire en el regenerador para devolverlo al proceso de nuevo, y por otro lado se separan los productos que seguidamente se separan en una columna de destilación. (HERNANDEZ.2004) Los productos que se obtienen mediante FCC son gases, fundamentalmente olefinas (propileno, butileno), LCO (Light cycle oil), que es una corriente aromática del rango del diésel pesado, gasolina con alto número de octano, con alto número de olefinas y aromáticos, fracciones pesadas no convertidas (HCO, CSO) que pueden ser realimentadas al FCC o destinadas a algún otro proceso de craqueo térmico y por último, coque, que se quema para asegura el balance energético de la reacción. (HERNANDEZ.2004) 5.2.2.2.

 HIDROCRAQUEO (HYDROCRACKING) 

Las refinerías actuales de alto grado de conversión, incorporan una nueva unidad estrella, el hidrocraqueo. El proceso de hidrocraqueo consiste en un craqueo donde se producen productos ligeros de buena calidad, a partir de otros más pesados y de peor calidad. Tiene lugar en presencia de hidrógeno y de un catalizador específico, verificándose a altas presiones y 20

temperaturas. Es una unidad cara debido a la presencia del hidrógeno, pero se considera más versátil que el FCC, ya que produce una mayor gama de productos pudiendo tratar alimentaciones muy diferentes, obteniéndose naftas de peor calidad que con el FCC y gasóleos de mejor calidad. (HERNANDEZ.2004) Una refinería con FCC y una unidad de hidrocraqueo, podría producir una amplia gama de productos. En la actualidad, las refinerías, optan por instalar directamente esta última sin FCC, mientras que las más antiguas que presentaban FCC, instalan una unidad de hidrocraqueo menos potente. Existen tres configuraciones posibles para el proceso de hidrocraqueo: de una etapa, en dos etapas, y en serie. En el proceso en una etapa, el catalizador suele ser un lecho con varias capas. (HERNANDEZ.2004) Se coloca primero una capa de catalizador de desulfuración y/o denitrogenación como, NiMo/Al2O3 y después un catalizador zeolítico que aguante bien el azufre y el nitrógeno que le llegan de la primera parte del lecho. (HERNANDEZ.2004) En el proceso en dos etapas con reciclo para conversión total, se separan los productos ligeros después de una etapa de hidrotratamiento y el catalizador de hidrocraqueo puede trabajar en condiciones menos severas. Las alimentaciones más empleadas en este proceso son los destilados a vacío como el gasoil de vacío y las corrientes pesadas del FCC (LCO, HCO). Existe además una variante del hidrocraqueo denominada hidrocraqueo suave (Mild Hydrocracking (MHC)), que se realiza en condiciones mucho menos severas que en este, y se emplea para convertir en una sola etapa el gasoil de vacío en destilados medios y fuel con bajo contenido de azufre. (HERNANDEZ.2004) Figura 10. Esquema con diferentes configuración de una unidad de hidrocrackeo

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Fuente. Wauquier. (1930)

5.2.3. DESHIDROGENACIÓN DE PARAFINAS La tecnología de deshidrogenación de propano ha ido adquiriendo importancia en los últimos años debido al aumento del consumo de propileno como intermedio para la obtención de polipropileno. El principal inconveniente de esta tecnología es que la conversión está limitada por el equilibrio, por lo que requieren altas temperaturas. La baja conversión implica un paso adicional de separación para recuperar los productos y reciclar las grandes cantidades de parafinas que han quedado sin reaccionar. (WAUQUIER.1930) Para resolver estos problemas, las líneas de investigación actuales, se centran en dos objetivos: el primero, es el uso de sistemas de membrana para obtener altas conversiones a bajas temperaturas, separando el hidrógeno y desplazando el equilibrio del proceso, y el segundo, es conseguir la deshidrogenación oxidativa para superar las limitaciones de equilibrio y operar a bajas temperaturas. (WAUQUIER.1930)

5.2.4. ACOPLAMIENTO OXIDATIVO DE METANO

22

Dos moléculas de metano pueden acoplarse oxidativamente dando lugar a etano y etileno: 2 CH4 + 0,5 O2 → C2H6 + H2O 2CH4 + O2 → C2H4 + 2H2O Los trabajos iniciales mostraban que la reacción se llevaba a cabo en un modo cíclico en el cual el catalizador primero se oxida y a continuación este material oxidado se expone al metano, produciendo etano y etileno. A pesar de la enorme cantidad de investigaciones realizadas sobre el acoplamiento oxidativo de metano, el proceso todavía tiene algunos inconvenientes que deben ser resueltos antes de que pueda ser comercializado, como son la limitada selectividad de etileno y la alta exotermicidad de la reacción que requiere el diseño de reactores especiales. (WAUQUIER.1930) Además, es complicado por el hecho de que los metales que normalmente se utilizan para la construcción de los reactores catalizan la combustión total de metano. Una vez hecho el recorrido por los principales procesos de obtención de olefinas, nos centraremos en el proceso objeto de estudio de este trabajo: el proceso MTO. (VAQUERIZO.2013) PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE METANOL Como hemos ido viendo en el apartado anterior, existen varios procesos de obtención de olefinas ligeras, entre los cuales, el FCC y el reformado con vapor, son los que encuentran mayor peso en la industria. Debido a que la situación energética actual sufre un periodo de crisis, y las reservas de petróleo son cada vez más limitadas, se necesitan encontrar nuevas alternativas para poder satisfacer las necesidades crecientes del mercado. (VAQUERIZO.2013) Una de estas alternativas, es el proceso MTO, en el que es posible la obtención de olefinas ligeras a partir de metanol. Este proceso, es una fase intermedia en el proceso de obtención de hidrocarburos, MTHC (metanol a hidrocarburos), en el cual se obtienen olefinas de bajo peso molecular

(reacción

(VAQUERIZO.2013) 23

MTO)

y

gasolina

(reacción

MTG),

a

partir

de

metanol.

5.3. PROCESO MTHC (METANOL A HIDROCARBUROS) En las últimas décadas, la tecnología MTHC ha sido el centro de numerosos estudios que tenían como fin la mejora de los recursos naturales, beneficiando así, a la industria petroquímica y la de los combustibles. La tecnología MTHC fue vista en un principio como un método potencial para convertir el carbón o el gas natural a gasolina de alto número de octano. Este concepto se ha expandido, no sólo respecto a la formación de otros combustibles, sino también a otros productos químicos en general. (VAQUERIZO.2013) No hay que olvidar que las olefinas ligeras son componentes importantes en la industria petroquímica y por supuesto, la gasolina de alta calidad, cuya demanda está incrementando también. De hecho, con esta nueva tecnología, se podía conseguir del carbón y del gas natural casi cualquier producto que pudiera obtenerse a partir del petróleo. (VAQUERIZO.2013)

5.3.1. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL PROCESO MTHC El comienzo de la crisis energética en 1973, debida a la subida del precio del petróleo, el interés en combustibles sintéticos y otros productos químicos, favoreció la continuación del estudio de ésta reacción. El descubrimiento de la reacción MTHC tuvo lugar de forma accidental, cuando un grupo de Mobil trataba de convertir metanol en compuestos oxigenados y en su lugar, se obtuvieron hidrocarburos. (VAQUERIZO.2013) Inicialmente, se descubrió la reacción de metanol a gasolina (MTG), utilizando ZSM‐5 como catalizador en unas condiciones de presión y temperatura determinadas. Además, se comprobó que ajustando las condiciones de operación y trabajando con otro catalizador, se lograba obtener olefinas de bajo peso molecular con altas conversiones, descubriendo así la reacción MTO (metanol a olefinas). (VAQUERIZO.2013) El proceso descubierto por Mobil, conocido como MOGD (obtención de gasolina y destilados a partir de olefinas), se desarrolló originalmente como un proceso de refino, el cual funcionaba 24

bien, acoplado al proceso MTO. En la reacción MOGD, la ZSM‐5 oligomeriza las olefinas ligeras, bien procedentes de corrientes de refino o bien procedentes del MTO, convirtiéndolas en gasolina, destilados o lubricantes. (VAQUERIZO.2013) Este proceso desarrollado por Mobil atrajo la atención mundial, ya que fue la primera ruta descrita para la obtención de destilados medios en más de 40 años desde la descripción del proceso Fischer‐Tropsch (F‐T) Figura 11. Esquema de obtención de hidrocarburos a partir de metanol

Fuente. Vaquerizo. (2013) Para el proceso de transformación de metanol a partir de gas de síntesis, Mobil propuso dos posibles diseños del reactor: de lecho fijo o de lecho fluidizado. En ambas configuraciones, el principal problema de diseño que existía era el control y la disipación del calor generado debido a la elevada exotermicidad de la reacción. (VAQUERIZO.2013) En 1979, el gobierno de Nueva Zelanda, decidió construir una planta MTG, apostando por este proceso frente al proceso Fischer –Tropsch (proceso SASOL), para obtener gasolina a partir de gas natural. Desde abril de 1986, la planta de Nueva Zelanda producía 600.000 toneladas al año de gasolina, cubriendo una tercera parte de la demanda de gasolina nacional. Años más tarde, la parte de la fábrica dedicada a la producción de gasolina tuvo que cerrar, ya que, en ese momento, el precio de la gasolina convencional era menor en comparación a lo que costaba producir el metanol destinado a la planta MTG y no resultaba rentable. (VAQUERIZO.2013) 25

En 1982, se probó el proceso MTG desarrollado por Mobil en una planta de Wesseling (Alemania) que producía 4.000 toneladas al año. La planta trabajaba en lecho fluidizado, utilizando ZSM‐5 modificada como catalizador. Esta planta demostraba las ventajas de trabajar con un reactor de lecho fluidizado, consiguiéndose una mejor selectividad a hidrocarburos en los productos obtenidos. Además de conseguir gasolina de alta calidad, permitía obtener olefinas cambiando las condiciones de operación (MTO). (VAQUERIZO.2013) En estado estacionario, la producción de olefinas era de un 60 %. Dependiendo de la situación del mercado mundial (precio, demanda, etc.) la tecnología de lecho fluidizado parece ser la mejor opción disponible para producir combustibles líquidos a partir de metanol. A pesar de los buenos resultados obtenidos, el cambio en la demanda y el precio mundial de los productos intermedios o finales, hizo que, en el año 1985, la planta tuviera que cerrar. (VAQUERIZO.2013) En 1996, UOP, en cooperación con Norsk Hydro, construyó una planta de 250.000 toneladas al año de producción para convertir gas natural en olefinas (proceso GTO). El primer paso en este proceso, era la conversión de gas natural a metanol seguido del proceso UOP‐Hydro MTO, usando SAPO‐34 como catalizador (descubierto por Union Carbide en los 80). Con el proceso UOP‐Hydro MTO, se conseguía obtener una producción de olefinas superior al 60 %, y ofrecía además una gran flexibilidad, pudiendo conseguir relaciones etileno/propileno entre 0,75 y 1,5. (VAQUERIZO.2013) En el proceso MTO de UOP‐Hydro, el metanol previamente evaporado, se alimenta directamente al reactor de lecho fluidizado, obteniéndose prácticamente el 100 % de conversión. Se puede utilizar tanto el metanol crudo (17 % de agua) como el purificado como materia prima. La opción de usar metanol crudo abre las puertas a una posible integración con una unidad de metanol localizada en el mismo sitio, lo cual supondría un ahorro importante evitando la etapa de purificación del metanol. (VAQUERIZO.2013) Figura 12. Esquema de una unidad de metanol a olefinas 26

Fuente. Vaquerizo. (2013) El catalizador utilizado se manda al regenerador, donde se quema todo el coque, y después se manda al reactor para su reutilización. EL 80 % del carbono alimentado con el metanol, se convierte en etileno y propileno, y el 10 % en butileno, obteniéndose, así como el 90 % de conversión a olefinas ligeras, gracias al papel del catalizador empleado, el SAPO‐34. (VAQUERIZO.2013) Si se realiza un balance de materia para una producción anual de 500.000 toneladas de etileno, se necesitaría una alimentación de 2.330.000 toneladas de metanol. Hoy en día, con los precios del petróleo en los niveles más altos de la historia, y la crisis energética que no ha hecho más que empezar, este proceso está volviendo a resultar económicamente factible, por lo que se introducirá en muchas refinerías como la alternativa para producir gasolina sintética, y se abrirán nuevas vías de mejora del proceso, según la demanda de producto. (VAQUERIZO.2013) Figura 13. Balance de materia de una unidad MTO

27

Fuente. Vaquerizo. (2013) 5.4.

PROCESO MTO

5.4.1. OBTENCIÓN DE METANOL El metanol se obtiene a partir del gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno), el cual se obtiene a partir del reformado con vapor de gas natural o gasificación del carbón. Como alternativa sostenible existe la posibilidad de obtener metanol vía gas de síntesis, por gasificación de la biomasa o vía captura química de CO2, por reducción con hidrógeno. El procedimiento más empleado a escala industrial hoy en día es el reformado con vapor (steam reforming) del gas natural y del gas de refinería, seguido de la reducción del vapor de agua con CO (shift‐conversion) conforme a las reacciones (SPEIGHT.2002): CH4 + H 2 O → 3 H2 + CO CO + H 2 O → H2 + CO 2 Estas reacciones se llevan a cabo simultánea y consecutivamente en uno o varios reactores. El gas producido, que consiste en una mezcla de H2, CO y CO2, además de vapor de agua, algo de CH4 sin reaccionar y los gases inertes presentes en el gas de alimentación, es lo que se conoce como gas de síntesis. El metanol se obtiene así, a partir del gas de síntesis por reacción catalítica del hidrógeno con el CO y el CO2 (SPEIGHT.2002): 2 H2+ CO → CH3OH 3 H2 + CO2 → CH3OH + H 2O

28

El proceso consta de cuatro unidades básicas, la de reformado de gas natural, la de compresión del gas de síntesis, lo que se conoce como bucle de síntesis y la destilación, En la primera etapa, la de reformado con vapor, se alimenta el gas natural. El gas saliente se enfría y el agua que condensa, se separa. El compresor posteriormente aporta el gas de síntesis al bucle de síntesis, en el que se encuentra el reactor con varios lechos de catalizador. (SPEIGHT.2002) En el bucle de síntesis, el gas comprimido se calienta en un intercambiador de calor con el gas saliente del reactor antes de entrar en éste. A su salida se enfría primero con el gas entrante y finalmente con agua de refrigeración, separándose la solución acuosa de metanol que se lamina en una válvula reductora de presión. Los condensados de esta destilación constituyen el metanol bruto a concentrar y, en su caso, a depurar. Los vapores de la destilación “flash” ceden su energía en un expansor y se incorporan a la alimentación del horno de reformado. (SPEIGHT.2002) El principal derivado del metanol es el formaldehído (H2CO), que se emplea para la preparación de resinas acetálicas (polioximetileno: POM) y como reactivo de las reacciones de aldolización para preparar los alcoholes multifuncionales (pentaeritritol, neopentilglicol, etc). El metanol también se emplea para la fabricación de ésteres mejoradores del número de octano, como el metil‐terbutil‐éter MTBE y para la síntesis del ácido acético.

Se consume también en la

preparación de numerosos ésteres de distintos ácidos (acrílico, tereftálico, etc.) y de las metilaminas. (SPEIGHT.2002) En la actualidad, la demanda del MTBE está disminuyendo, debido en parte, a la retirada del uso de éste en la gasolina (por decisión de los EEUU). Este hecho, ha provocado que muchas plantas de metanol destinadas a la obtención del MTBE, hayan quedado en desuso. Aquí es donde el proceso MTO, entre otras alternativas, puede hacerse un hueco más grande en la industria y recobrar la vida de estas plantas, aparte de las ya existentes destinadas exclusivamente a este proceso. (SPEIGHT.2002) Figura 14. Esquema de una unidad de producción de metanol

29

Fuente. Hydrocarbon procesing. (2010) 5.4.2. REACCIONES MTG Y MTO    En el proceso MTHC, una vez obtenido el metanol vía gas de síntesis, el siguiente paso es la conversión de éste, en una mezcla de metanol, dimetil éter y agua, la cual puede transformarse catalíticamente en gasolina (proceso MTG) o en olefinas (proceso MTO), dependiendo del catalizador y/o de las condiciones de operación. Estos pasos se resumen en el siguiente esquema(VAQUERIZO.2013): Figura 15. Esquema de reacciones para producción de olefinas

Fuente. Vaquerizo. (2013) Primeramente, el metanol se deshidrata a dimetil éter. La mezcla en equilibrio así formada consistente de metanol, dimetil éter y agua, se convierte en olefinas ligeras. Y finalmente, estas olefinas ligeras reaccionan para formar parafinas, olefinas pesadas, aromáticos y naftenos por transferencia de hidrógeno, alquilación y policondensación. La selectividad de la reacción se 30

puede modificar de tal manera que se sigan distintos subprocesos, MTO/MTG, permitiendo, o bien obtener olefinas ligeras o bien gasolina respectivamente. (VAQUERIZO.2013): El proceso MTG se lleva a cabo normalmente a temperaturas en torno a los 400 °C, a una presión parcial de metanol de varios bares y empleando la zeolita ZSM‐5 como catalizador. Existen condiciones óptimas para convertir las olefinas que se forman en parafinas y aromáticos. Sin embargo, hay un momento en este proceso en el que se obtiene el 40 % de conversión a olefinas ligeras. Debido a esto, muchas investigaciones se centraron en la formación selectiva de olefinas ligeras, no sólo por medio de catalizadores zeolíticos de por medio, sino también en zeolitas de tamaño de poro pequeño, tamices moleculares tipo SAPO y zeolitas de poro mayor (en menor medida). (VAQUERIZO.2013): Si se ajustaran las condiciones de operación (incrementando la temperatura), así como el tipo de catalizador, se podría incrementar de forma acusada la conversión a olefinas. Este descubrimiento es lo que condujo al desarrollo del proceso MTO, con el cual se genera etileno, propileno y butileno en su mayoría, y gasolina de alto número de octano como subproducto. (VAQUERIZO.2013)

5.4.3. MECANISMOS DE REACCIÓN Existe un consenso general de que el dimetil éter formado, como intermedio de reacción, por deshidratación de metanol sobre catalizadores sólidos ácidos es una superficie protonada metoxilo, que se debe al ataque nucleofílico por el metanol. La reacción de conversión de olefinas ligeras a parafinas, aromáticos, naftenos, y olefinas pesadas, la cual tiene lugar vía mecanismo clásico del ion carbeno con transferencia de hidrógeno simultánea, es bien conocida desde la química de hidrocarburos en medio ácido. (VAQUERIZO.2013) Sin embargo, el segundo paso en el equilibrio, el cual representa la formación del enlace inicial C‐C, desde los reactivos C1, ha sido el tema central de una extensa discusión a lo largo de los años. Existen numerosos estudios sobre los posibles mecanismos de formación del enlace C‐C, que podemos resumirlos en los siguientes (VAQUERIZO.2013): 31



Mecanismo de iluro de oxonio

Este mecanismo es el que ha recibido la mayor atención. Van den Berg y col. Bronsted postularon que el dimetil éter interacciona con un centro ácido de Bronsted de la zeolita para formar un ion dimetiloxonio, el cual reacciona además con otro dimetil éter para formar un ion trimetiloxonio. Este trimetiloxonio se desprotona posteriormente por un centro básico para formar una superficie asociada a las especies iluro metildimetiloxonio. (SPEIGHT.2002) El siguiente paso es, o bien un reagrupamiento intermolecular mediante una transposición de Stevens que conduciría a la formación de metiletil éter, o bien una metilación intermolecular que conduciría a la formación del ion etildimetiléteroxonio. En ambos casos, el etileno se formaría vía β‐ eliminación. (SPEIGHT.2002) Figura 16. Mecanismo de reacción iluro de oxino

Fuente. Speight. (2002) Olah, sin embargo, concluyó que el iluro se somete a una metilación bimolecular para formar el ion etildimetiloxonio, más que una transposición de Stevens intermolecular.

32

Muchos estudios se han centrado en la cuestión de la existencia de los iluros de oxonio, de su capacidad para reagruparse de acuerdo a Stevens y la capacidad de la zeolita para abstraer un protón de los iones oxonio y así formar los iluros deseados. (SPEIGHT.2002) 

Mecanismo carbeno

El mecanismo carbeno establece la eliminación α del agua en el metanol, en la que intervienen a la vez centros ácidos y básicos de la zeolita dando lugar a la formación de un carbeno. El siguiente paso sería o la polimerización del carbeno resultante a olefinas, o bien la inserción simultánea sp3 del carbeno en metanol, o dimetil éter. Sin embargo, los carbenos a diferencia de los carbocationes no son selectivos a la hora de insertarse en una determinada posición del reactivo. De esta manera, si tenemos propano y carbeno en el medio de reacción, se obtendría una distribución estadística de los isómeros de butano, lo que no está de acuerdo con las bajas relaciones i/n‐butano que se observan experimentalmente. Estos resultados experimentales podrían justificarse por la transferencia de hidruro entre propano y cationes butilo. (SPEIGHT.2002) 

Mecanismo carbocatiónico

De acuerdo a Ono y Mori, la superficie de metoxilos puede funcionar como cationes metilo libres, el cual se añade al enlace C‐H de dimetil éter para formar un estado de transición de carbonio pentavalente. La reacción se completa con la abstracción de un protón. Sin embargo, este mecanismo sembraba ciertas dudas pues, no estaba claro que el enlace C‐H del metanol o el dimetil éter fuera lo suficientemente nucleofílico como para ser sustituido. (SPEIGHT.2002) 

Mecanismo de radicales libres

Este mecanismo surge como una alternativa para la explicación de la formación de intermedios metiloxonio. Clarke y col. postularon que los radicales se formaban inicialmente por interacción del dimetil éter con centros paramagnéticos de la zeolita (defectos de sólido) y que la formación del enlace C‐C resultaba del acoplamiento directo de los radicales. Este mecanismo eliminaba el requisito de la existencia de centros básicos fuertes en la zeolita para que se produjera la eliminación del protón del enlace C‐H. Sin embargo, este hecho es difícil de justificar, ya que la 33

probabilidad de que los radicales libres interaccionen con la superficie de la zeolita es elevada. Por esto mismo, se sugirió la siguiente vía de reacción(SPEIGHT.2002): Figura 17. mecanismo de reacción radicales libres

Fuente. Speight. (2002) Los mecanismos propuestos hasta el momento para la reacción MTHC, se pueden clasificar de otra manera en dos grandes grupos: mecanismo de tipo consecutivo y el mecanismo de tipo paralelo. 

mecanismo de tipo consecutivo

Se basa en la adicción de un carbono procedente del metanol en cada etapa de reacción, produciéndose las siguientes reacciones de adición y craqueo de alquenos (SPEIGHT.2002): 

mecanismo de tipo paralelo o “hydrocarbon‐pool

“Fue sugerido por Dahl y Kolboe, quienes estudiaron la conversión de metanol a hidrocarburos usando SAPO‐34 como catalizador. Se ha comprobado mediante marcaje isotópico que sólo una pequeña parte del propeno formado en la reacción proviene de la adición de metanol sobre eteno, de tal forma que la mayoría del propeno presente en el medio de reacción se forma directamente desde el metanol, lo que ha llevado a proponer un mecanismo de tipo paralelo, en el que los diferentes productos se formarían a partir de una especie hidrocarburo intermedia (representada como (CH2) n) (SPEIGHT.2002):

34

5.4.3.1.

FORMACIÓN DE OLEFINAS PESADAS En el proceso MTO, como en cualquier otra transformación de un hidrocarburo sobre un

catalizador heterogéneo ácido, la conversión de los productos primarios en hidrocarburos más pesados, tiene lugar a través de mecanismos en los cuales se forman iones carbenio por protonación de las olefinas. Las reacciones características que tienen lugar para aumentar o disminuir el número de carbonos en las olefinas son: metilación, oligomerización y craqueo (a partir de eliminaciones β de los iones carbenio). Los iones carbenio pueden ser modificados, manteniendo el mismo número de átomos de carbono, a través de varios tipos de reordenamientos, como la transposición de metilos y la formación de anillos ciclopropano protonados (PCP). (SPEIGHT.2002) Como resultado, casi todos los isómeros de las olefinas pueden formarse a través de reacciones de eliminación de los iones carbenio resultantes de la protonación de olefinas. Cuando nos encontramos a largos tiempos de reacción y altas conversiones de metanol, las olefinas se convierten en parafinas y compuestos aromáticos. La formación de estos productos es debido a las reacciones de transferencia de hidrógeno seguido de ciclaciones de los iones carbenio derivados de las olefinas. (SPEIGHT.2002) Figura 18. Formación de olefinas pesada

35

Fuente. Speight. (2002) 5.4.4. EVOLUCIÓN DE LOS MATERIALES EMPLEADOS EN EL PROCESO MTO Para aumentar la selectividad a olefinas ligeras en la reacción MTO, se han llevado a cabo distintas modificaciones sobre la zeolita ZSM-5, sintetizada por Mobil. Rodewald observó un incremento en la selectividad a etileno al utilizar ZSM-5 intercambiada con cationes alcalinos y alcalinotérreos de elevado radio iónico (Cs+, Ba2+). A bajas conversiones, la selectividad a etileno con CsZSM‐5 es un 10 % superior a la de ZSM ‐5. A altas conversiones esta diferencia es en torno al 40 %. Sin embargo, esto contradice el estudio realizado por Dehertog y Froment, en el cual no se observó ninguna mejoría al utilizar ese mismo catalizador. (VAQUERIZO.2013) Kaeding y Butter modificaron la zeolita ZSM‐5 con compuestos de fósforo. La selectividad a parafinas C2‐C4 disminuyó del 39 al 5 % y la de compuestos aromáticos también disminuyó, del 40 al 20 %. Por el contrario, la selectividad a olefinas ligeras aumentó del 1,6 al 39 %. Sin embargo, la conversión de metanol sobre este catalizador modificado fue sólo del 11,4 %. Dehertog y Froment, también obtuvieron con P‐ZSM‐5 un aumento de olefinas ligeras en comparación con la ZSM‐5. A temperaturas superiores a 480 °C esta mejoría no se observó. (VAQUERIZO.2013) Al‐Jarallah y colaboradores estudiaron la conversión de metanol a olefinas ligeras utilizando una zeolita con estructura MFI de alto contenido de silicio. La reacción se llevó a cabo en un reactor de lecho fijo a 400 °C, velocidad espacial (WHSV) de 4 h‐1, presión de 1 bar y una relación metanol/nitrógeno de 2,78. La zeolita fue modificada por impregnación con nitratos de Ag, Ca, Cd, Cu, Ga, In, La y Sr para estudiar sus efectos en la actividad y selectividad. La incorporación de La y Ag mejoró la selectividad de olefinas ligeras en un 18 y 14 %, respectivamente, en comparación con el catalizador sin impregnar. Esta mayor selectividad hacia estos compuestos se atribuyó a una reducción del tamaño de poro de los canales de la zeolita. (VAQUERIZO.2013)

5.4.4.1.

36

MATERIALES ZEOLÍTICOS MICROPOROSOS

Desde principios de los años 90, las investigaciones sobre los materiales zeolíticos aplicados en la reacción MTO, se han centrado en los materiales tipo silicoaluminofosfatos, conocidos como SAPO, ya que mostraban un comportamiento excelente en este proceso. A conversiones del 100 % utilizando el SAPO‐34, Kaiser obtuvo selectividades del 96 % de olefinas ligeras, mostrando muy bajas cantidades de metano y otros hidrocarburos saturados. (VAQUERIZO.2013) Marchi y Froment también probaron el SAPO‐34 a 480°C y una velocidad espacial de 0,96 h‐1 y los productos obtenidos fueron los siguientes: 41,4 % de etileno, 36,9 % de propileno, 12,6 % de butenos y pequeñas cantidades de metano y parafinas. La conversión de metanol era cercana al 100 %. No se detectaron compuestos aromáticos. La alta selectividad a olefinas C2 =C4 = y la ausencia de compuestos aromáticos se explica por el tamaño de poro, que es más pequeño que los diámetros de los compuestos aromáticos, la acidez moderada y la baja relación entre la concentración de centros ácidos en la superficie externa en relación con la superficie interna. Algunas de las características de diferentes tipos de materiales zeolíticos empleados para la producción de olefinas ligeras se muestran en la figura. (VAQUERIZO.2013) Figura 19. Selectividad de los materiales zeoliticos microporosos

37

Fuente. Vaquierizo. (2013) El SAPO‐34 con contenido de Ni, produce etileno con una selectividad de 90 al 100 % de conversión de metanol sin una desactivación significante. Esto implicaría, que, con un control adecuado de la acidez, disminuiría la formación de compuestos aromáticos y permitiría conseguir una conversión más selectiva en la reacción MTO. (VAQUERIZO.2013) En estudios anteriores sobre el proceso catalítico MTO, se seleccionaron para este propósito, zeolitas de poro pequeño como la chabacita, erionita, ZSM‐34, con las aberturas de los poros formados por 8 átomos T, porque se consideraba que éstos, se ajustaban adecuadamente al tamaño de las moléculas de olefinas. Efectivamente, estas zeolitas de tamaño de poro pequeño, proporcionaban selectividades más altas a etileno y propileno. Sin embargo, como contraprestación, estos catalizadores se desactivaban rápidamente por la formación de coque, colapsando los canales del poro. Para evitar la deposición de coque, los centros ácidos de estos materiales se modificaron con cationes básicos, aunque este tipo de modificaciones no presentó el resultado esperado. (VAQUERIZO.2013)

38

El Ni‐SAPO‐34, es un material microporoso de tamaño de poro pequeño, como la chabacita, y su acidez es más débil que ésta, e incluso, que la del SAPO‐34. El hecho de presentar esta propiedad, le permitía conseguir exclusivamente etileno por metanol, vía dimetil éter, sin llegar a producirse el resto de reacciones. Como la oligomerización del etileno y la aromatización no se producían con este catalizador, no se observaba formación de coque. Esto no solo fomentaba la creación de un nuevo proceso de síntesis de etileno, sino también un principio guía para la síntesis de otros catalizadores altamente selectivos. (VAQUERIZO.2013) Los estudios más recientes, se centran en conseguir catalizadores cuya actividad catalítica permanezca el mayor tiempo posible, evitando así, la rápida formación de coque y por consiguiente, una rápida desactivación de los mismos. Todo ello unido a la búsqueda constante de catalizadores que proporcionen altas selectividades a las olefinas ligeras de mayor importancia en la industria y cuya demanda crece cada día, el etileno y propileno principalmente. (VAQUERIZO.2013)

5.5.

GAS NATURAL

El gas natural es un compuesto no tóxico, incoloro e inodoro, constituido por una mezcla de hidrocarburos en la que su principal componente es el metano (CH4), una molécula sencilla formada por 1 átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno. Su composición química, no obstante, varía sensiblemente según su procedencia, ya que acostumbra a ir asociada a otras moléculas o elementos como el ácido sulfhídrico (H2S), el anhídrido carbónico (CO2), el nitrógeno (N2) o el helio (He) que se extrae cuando el gas natural se destina a usos industriales y domésticos. El origen del gas natural, como el del petróleo, lo debemos buscar en los procesos de descomposición de la materia orgánica, que tuvieron lugar entre 240 y 70 millones de años atrás, durante la época en la que los grandes reptiles y los dinosaurios habitaban el planeta (Era del Mesozoico). (KRAUS.1930) Esta materia orgánica provenía de organismos planctónicos que se fueron acumulando en el fondo marino de plataformas costeras o en las cuencas poco profundas de estanques, y que 39

fueron enterradas bajo sucesivas capas de tierra por la acción de los fenómenos naturales. El metano (CH4) es el principal componente del gas natural, aunque contiene también otros hidrocarburos ligeros como el etano (C2H6), el propano (C3H8), el butano (C4H10) o el pentano (C5H12) en mucha menor proporción. Habitualmente, se encuentra en una proporción del 85%, mezclado con un 10% de etano, un 3% de propano, un 0,1% de butano y un 0,7% de nitrógeno. Todos tienen un punto de ebullición muy bajo, de hasta - 158,9°C en el caso del metano. (KRAUS.1930) Mientras que a temperaturas ordinarias los hidrocarburos con 5-10 átomos de carbono son líquidos, estos hidrocarburos de menor peso molecular (menos de 5 carbonos) se presentan en forma de gas o vapor. Para extraer la energía contenida en los enlaces químicos C-H se debe producir el proceso de combustión. La combustión es una reacción de oxidación (exotérmica) de un cuerpo combustible (gas) con otro cuerpo oxidante (aire), denominado comburente. Esta transformación va acompañada de desprendimiento de calor, y el fenómeno acostumbra a ser perceptible por la presencia de una llama que constituye una fuente de luz y calor. (KRAUS.1930) Para que la combustión tenga lugar, es necesario que el combustible y el comburente estén en contacto y en las proporciones adecuadas, y que la temperatura de la mezcla sea superior a su temperatura de ignición. La densidad relativa del gas natural, tomando el aire como referencia, es de 0,6 a 0,66, es decir, es menos denso o pesado que el aire. Su poder calorífico, o cantidad de calor desprendida en la combustión completa por unidad de volumen, es de 6,6 a 12 te/m3. Así, sus compuestos fundamentales –grasas y proteínas– se descompusieron muy lentamente en ausencia de oxígeno por la actuación bacteriana. (KRAUS.1930) Los gases generados, por diferencia de presiones, ascendieron por las rocas porosas de la corteza terrestre hasta llegar a capas de terreno impermeable, bajo las que quedaron atrapados originando las grandes bolsas o yacimientos de los que hoy en día sacamos provecho los humanos. Este proceso es, salvando las distancias, parecido al que tiene lugar en los vertederos donde tiramos las basuras. (KRAUS.1930)

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La materia orgánica que proviene de los restos de fruta, verdura o carne, por ejemplo, cuando se descompone, produce un gas de características similares al gas natural, que debe ser evacuado del vertedero a la atmósfera, mediante una red de tubos de drenaje para evitar que las emanaciones puedan provocar alguna explosión, o bien almacenarse y aprovecharse como combustible: es el denominado biogás. (DIRECCION GENERAL DE INDUSTRIA Y MINERIA,2002) 5.5.1. GAS NATURAL EN LATINOAMERICA América Latina tiene una producción anual de gas del orden de 110 E9 m3 /año Los países con mayor producción de gas natural en Latinoamérica son: -

México que ocupa el primer lugar y cuya producción de gas se inició antes de 1938.

-

Venezuela que ocupa el segundo lugar, muy próximo a México, inició su desarrollo gasífero en 1986.

-

El tercer lugar le corresponde a Argentina.

-

Colombia, que ocupa el cuarto puesto, inició su desarrollo gasífero en la zona de la Guajira en el año 1974.

5.5.1

GAS NATURAL EN BOLIVIA Bolivia poseía oficialmente para fines de 1998, reservas probadas de 5,3 e12 ft3 (5,3 Tt3)

(World Oíl, agosto 1999). Durante 1999 se efectuaron los descubrimientos de los campos Itau, Margarita, San Alberto y San Antonio (Sábalo), con reservas estimadas para estos 4 campos en 19,1 e12 ft3 (19,1 Tft3); un alto porcentaje de este volumen es considerado probable debido a que sólo se ha perforado un pozo en cada uno de los campos y se requiere de la confirmación del volumen. (ANH.1999) En la actualidad las reservas de gas natural son de 51 trillones de pies cúbicos, lo que ubica a ese país en tercer lugar en Latinoamérica. La historia gasífera de Bolivia tiene 60 años, pero el primer hecho concreto fue la construcción de un gasoducto de 530 km a la Argentina que

41

comenzó a operar en 1972 con un contrato a 20 años, pero se dio por concluido en 1992 porque las reservas de gas de Argentina se incrementaron. (CACERES,2002) Mientras tanto Bolivia firmó un contrato con Petrobras de Brasil para construir un gasoducto de 3 150 km desde Santa Cruz a Sao Paulo a un costo de dos mil millones de dólares. Este gasoducto ha entrado en operación el 01 de julio de 1999 con una exportación inicial de 78 mega pies cúbicos por día, debiendo llegar en el 2005 a los 1 000 mega pies cúbicos diarios. (CACERES,2002) Bolivia ha solicitado el tendido de una tubería a Ilo para transportar su excedente de líquidos de gas natural para colocarlo en el mercado de exportación, no descartándose la posibilidad del mercado peruano. El esfuerzo demostrado por Bolivia para convertir en realidad la exportación de gran parte de su producción de gas natural hacia Brasil, más aún, Bolivia podría abastecer con gas al norte de Chile. (CACERES,2002) 5.5.2. RESERVAS DE GAS NATURAL EN BOLIVIA Al 31 de diciembre de 2013 las reservas probadas de gas natural alcanzan a 10.45 TCF, las probables a 3.50 TCF y las posibles a 4.15 TCF”, anunció Morales en una conferencia de prensa realizada en Palacio de Gobierno. Las reservas probadas de gas natural de Bolivia certificadas por la empresa canadiense GLJ Petroleum Consultants al 31 de diciembre de 2013 alcanzan a 10.45 trillones de pies cúbicos (TCF), informó este martes el presidente del Estado Plurinacional, Evo Morales Ayma. (YPFB,2018). Por otra parte, existe una información reciente pero no presente en la empresa YPFB de una certificación realizada los años 2017-2018 aunque la fuente de la información solo se ha difundido públicamente por medios informales. Sproule estableció la existencia probada de 10,7 TCF de gas, además de 12,5 TCF de reservas probadas más probables y 14,7 TCF de la suma de probadas, probables y posibles. (AGENCIA BOLIVIANA DE INFORMACION ,2018)

42

5.6. EVALUACIÓN ECONÓMICA. La evaluación económica, es valorar la inversión a partir de criterios cuantitativos y cualitativos de evaluación de proyectos, empleando las pautas más representativas usadas para tomar decisiones de inversión. El modelo económico financiero de evaluación de inversiones permite al analista experimentar con diferentes hipótesis y escenarios. (POLIMENI S, RALPH. FALOZZI J, FRANK. ADELBERG H ARTHUR. CONTABILIDAD DE COSTOS. (2005). Las inversiones del proyecto pueden clasificarse, según corresponda, en terrenos, obras físicas, equipamiento de fábrica y oficinas, capital de trabajo, puesta en marcha y otros. Puesto que durante la vida de operación del proyecto puede ser necesario incurrir en inversiones para ampliaciones de las edificaciones, reposición del equipamiento o adiciones de capital de trabajo, será preciso presentar un calendario de inversiones y reinversiones correspondientes a la etapa previa a la puesta en marcha y durante la operación. (SAPAG ET AL. 2008, P. 29-30).

5.6.1. FACTIBILIDAD ECONÓMICA La factibilidad de la producción de olefinas ligeras a partir de gas natural previa obtención del metanol depende de su competitividad con las olefinas provenientes de otros derivados de los hidrocarburos, de manera tal que los costos de producción resultan decisivos. La estimación de la viabilidad de esta tecnología es posible mediante una evaluación análoga en la cual se determina el máximo costo de producción de olefinas y previo metanol con un contenido de calidad específico centrado a las olefinas, que posibilitaría su competencia con los precios actuales de las olefinas ligeras existentes en el mercado. (ALEJANDRO BASTIAS, 2013).

5.6.2. DETERMINACIÓN DE LAS INVERSIONES NECESARIAS (CAPEX). Hace referencia a la inversión necesaria para la adquisición de equipos, infraestructura, licencias, instalaciones y todo aquello que forma parte de los activos del proyecto. Un CAPEX se realiza cuando un negocio invierte tanto en la compra de un activo fijo, como ara añadir valor a un activo existente con una vida útil que se extiende más allá del año imponible. Los capex son

43

utilizados por las compañías para adquirir o mejorar los activos fijos tales como equipamientos, propiedades o edificios industriales (ALEJANDRO BASTIAS, 2013).

5.6.3. DETERMINACIÓN DE LOS GASTOS OPERATIVOS (OPEX). La determinación de los gastos operacionales (OPEX) está relacionada directamente con la inversión proyectada. Se refiere al gasto operativo que es necesario realizar para la ejecución del proyecto, incluyendo también los “overheads” o costos administrativos. Una vez que se tiene clasificado el total del presupuesto por centro de costo y responsabilidad se procede a reagruparlo sin considerar los montos del año en que se va a reportar las reservas y en función al proceso operativo que realiza o al que contribuye (ALEJANDRO BASTIAS, 2013).

5.6.4. CRITERIOS DE RENTABILIDAD DEL PROYECTO Los principales criterios de rentabilidad son: 

Método del VAN (valor actual neto)

Permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros, originados por una inversión. La metodología consiste en descontar al momento actual (es decir, actualizar mediante una tasa) todos los flujos de caja futuros del proyecto. A este valor se le resta la inversión inicial, de tal modo que el valor obtenido es el valor actual neto del proyecto. (ALEJANDRO BASTIAS, 2013). El método de valor presente es uno de los criterios económicos más ampliamente utilizados en la evaluación de proyectos de inversión. Consiste en determinar la equivalencia en el tiempo 0 de los flujos de efectivo futuros que genera un proyecto y comparar esta equivalencia con el desembolso inicial. Para aplicar este método se necesita la inversión total del proyecto, los costos anuales de operación y mantenimiento, los ingresos anuales; para luego proyectarlos a 20 años al 12% de interés. (ALEJANDRO BASTIAS, 2013). Figura 20.

44

Ecuación VAN

Fuente. Bastias. (2013) 

Método de la TIR

Se denomina Tasa Interna de Rentabilidad (T.I.R.) la tasa de descuento que hace que el Valor Actual Neto (V.A.N.) de una inversión sea igual a cero. (V.A.N.=0). Este método considera que una inversión es aconsejable si la T.I.R. resultante es igual o superior a la tasa exigida por el inversor, y entre varias alternativas, la más conveniente será aquella que ofrezca una T.I.R. mayor. (ALEJANDRO BASTIAS, 2013). La T.I.R. es un indicador de rentabilidad relativa del proyecto, por lo cual cuando se hace una comparación de tasas de rentabilidad interna de dos proyectos no tiene en cuenta la posible diferencia en las dimensiones de los mismos. Una gran inversión con una T.I.R. baja puede tener un V.A.N. Superior a un proyecto con una inversión pequeña con una T.I.R. elevada. Esta tasa es un criterio de rentabilidad y no de ingreso monetario neto como lo es el VAN. (ALEJANDRO BASTIAS, 2013) Figura.21 Ecuación TIR

Fuente. 6. MARCO METODOLOGICO

45

6.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACION El desarrollo de este proyecto tendrá un enfoque de investigación cuantitativo debido a que emplearemos un modelo cerrado de razonamiento lógico –deductivo y evaluaciones de aspectos técnicos y económicos con valores cuantificables, orientados a la comprobación y verificación de la teoría que proporcionen un mejor entendimiento del proyecto. En esta investigación se emplearán teorías establecidas ya existentes en las que se recogen y analizan datos sobre las diversas variables de la investigación. (BARRANTES.2002)

6.2. TIPO DE INVESTIGACION Los tipos de investigación son: No Experimental. - Debido a que la tecnología usada en este proyecto es existente y no se desarrollará nueva tecnología, de forma que no habrá control sobre las variables independientes ya que estas son inherentes y no manipulables así que estas se limitarán a la observación de situaciones ya existentes. Exploratoria. - La investigación será de tipo exploratoria debido a la complejidad de la información teoría para el estudio aplicado, por lo que se debe indagar acerca de las variables que influyan en el proceso. (BARRANTES.2002) Descriptivo. - Debido a que en la investigación se busca describir el fenómeno y especificar las propiedades más importantes de este, las cuales serán sometidas a análisis y así conocer las variables que afecten en el problema. (BARRANTES.2002) Aplicada. - Ya que se enfocará en desarrollar una solución a un problema existente en la sociedad, sin aportar conocimiento teórico. Deductiva. -Ya que se generalizan las descripciones y explicaciones inducidas para tratar de aplicarlas a situaciones y hechos aún no observado (BARRANTES.2002) 46

Transversal. – para poder describir variables y analizar su incidencia e interrelación en un momento dado. 6.3. SUJETO Y FUENTES DE INFORMACION Este proceso no contará con sujeto de investigación, solo se recurrirá a fuentes de información sobre estudios de olefinas ligeras, generación de gas natural y metanol, procesos de tratamiento para olefinas ligeras, procesos de separación por destilación para cada componente de las olefinas. Como fuentes de información para la investigación se usarán: Fuentes de investigación primarias. – Ya que la parte fundamental de la información para la aplicación del proceso será obtenida directamente de libros, tesis, trabajos de investigación donde la información es obtenido directamente del objeto de estudio. Fuentes de investigación secundarias. – Revisión bibliográfica por medio de revistas y estudios replanteados para apoyar a la investigación. 6.4. INSTRUMENTOS Y METODOS DE INVESTIGACION Los instrumentos y métodos para utilizar en el proyecto son mencionados a continuación en formato de tablas para una comprensión más detallada de cada una de ellas. OBJETIVO

VARIABLE

ESPECIFICO Materia prima

47

DEFINICION

DEFINICION

DEFINICION

CONCEPTUAL Sustancia natural o artificial que se transforma industrialmente para crear un producto.

OPERACIONAL Variación de la

INSTRUMENTAL Gravedad especifica

materia prima según

Grado API

tecnología

Presión

Es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie.

Temperatura

Realizar

En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica

el

diagnostico situacional

de

la

planta petroquímica de bulo bulo, para evaluar

las

condiciones

de

Productos

Variable respecto a

Método

presión

cada tecnología

diferencial por tubo

Presión menor

Venturi.

Instrumento

Manómetro Variable respecto a

Método gradiente de

cada tecnología

temperatura. Instrumento Termómetro

Un producto es una cosa o un objeto producido o fabricado, que se elabora de manera natural o industrial mediante un proceso, para el consumo o utilidad de los individuos.

Variable respecto a

Fracción molar

la tecnología

Fracción volumétrica,

Comúnmente

método de

etileno, Propileno

cromatografía

Composición

Son

aquellas

Variable respecto al

Método de análisis por

química

sustancias

que

tipo

cromatografía

producción en las que se encuentra la industria.

se

Butadienos, Aromáticos Pesados, fuel gas

de

materia

encuentran presentes

prima.

Instrumento

en una determinada

Variable

cromatógrafo

muestra

dependiente de la

y en las

cantidades

en

las

cuales se encuentran

purificación

del

metanol.

dispuestas.

Fuente. Elaboración Propia OBJETIVO

VARIABLE

ESPECIFICO Tecnología

Materia prima

48

DEFINICION

DEFINICION

DEFINICION

CONCEPTUAL La tecnología es la ciencia aplicada a la resolución de problemas concretos. Sustancia natural o artificial que se transforma

OPERACIONAL Tecnologías para la producción de olefinas.

INSTRUMENTAL Método

Metanol crudo

Gravedad especifica

Metanol purificado

Grado API

comparativo

industrialmente para crear un producto. Temperatura

Estructurar

En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica

Rango de temperatura

Es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie

Rango

Composición

Son aquellas sustancias

Variable respecto al

química

que

encuentran

tipo de materia prima.

en

un

marco metodológico para identificar

los

métodos,

las

variables,

las

técnicas

y

los

instrumentos

que

permitan

presión

se

de

reacción

desde

350-400 C

de

presión

manómetro

desde 1-3 Mpa

desarrollar

y

presentes

una

Variable dependiente

estructurar

el

determinada muestra y

de la purificación del

en las cantidades en las

metanol.

estudio.

Termómetro

cromatografía

cuales se encuentran Densidad

dispuestas. En el ámbito de la

Densidad

química y de la física,

alimentación

la

dependiente

densidad

es

la

magnitud que refleja el

de

la

a

la

densímetro

materia prima.

vínculo que existe entre la masa de un cuerpo y su volumen

Fuente. Elaboración Propia OBJETIVO

VARIABLE

ESPECIFICO Presión

49

DEFINICION

DEFINICION

DEFINICION

CONCEPTUAL Es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza.

OPERACIONAL Rango de presión de

INSTRUMENTAL Instrumento simulador

reacción desde 1-3

Hysys

Mpa.

Temperatura

Realizar

el Conversión análisis de la tecnología Honeywell UOP mediante una simulación Caudal en aspen hysys

producción

de

En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico

Rango aceptable 350

Instrumento simulador

- 400C

hysys

Resultado de un proceso que involucra reacciones químicas donde el reactivo se consume para formar el producto.

Conversión

se identifica con el

Variable

flujo volumétrico o

dependiente

volumen que pasa

caudal de metanol

por

en la alimentación

para

comparar

los

procesos

determinada en una

con

la

unidad de tiempo

información teórica.

un

área

de

optima

metanol

hacia

instrumento simulador hysys

olefinas 95 – 98 %

Instrumento Simulador al

hysys

Composición

específica. Son aquellas

Variable

Instrumento Simulador

química

sustancias que se

dependiente respecto

hysys

alimentación

encuentran

al

presentes

en

una

nivel

de

purificación de la

determinada

materia prima y a su

muestra y en las

método

cantidades en las

producción.

cuales

de

se

encuentran dispuestas.

Fuente. Elaboración Propia OBJETIVO

VARIABLE

ESPECIFICO Presión

50

DEFINICION

DEFINICION

DEFINICION

CONCEPTUAL Es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una

OPERACIONAL Rango de presión

INSTRUMENTAL Método presión

de

manométrica

reacción

desde 1-3 Mpa

Venturi. Instrumento Manómetro

tubo

línea Temperatura

Presentar

los

resultados técnicos del proceso para evaluar la relación

Caudal

de

producción

etileno/propileno, el rendimiento de la

planta

y

caudal producción.

Rango

de

temperatura

de

Instrumento

desde

Termómetro

se identifica con el flujo

Variable

Método

volumétrico o volumen

dependiente a las

desplazamiento

que pasa por un área

condiciones

turbina.

determinada

proceso

unidad

el de

En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica

en

de

una

reacción 350-400 C

del

conteo

Instrumento

tiempo

específica. Son aquellas sustancias

Variable

Método

química

que

encuentran

dependiente

cromatografía

producto

presentes

en

una

respecto al grado

Instrumento

determinada muestra y

de conversión y

cromatógrafo

en las cantidades en las

selectividad

cuales

proceso

se

encuentran

Relación

dispuestas. La relación

etileno/propileno

componentes determina un

parámetro

de

Medidor

de

del

Relación optima

Método relación molar

1,5 - 1,7

de

modelo

componentes

químicos.

para que el proceso se considere eficiente en la obtención

de

algún

producto

Fuente. Elaboración Propia OBJETIVO ESPECIFICO

51

VARIABLE

de

de caudal

Composición

se

por

DEFINICION

DEFINICION

DEFINICION

CONCEPTUAL

OPERACIONAL

INSTRUMENTAL

Inversión Inversión es un término económico, con varias acepciones relacionadas con el ahorro, la ubicación de capital, y la postergación del consumo. Costo fijo

Determinar

la del

proceso

para

estimar

la

Determinación de CAPEX

Análisis de costos

Determinación de CAPEX

Análisis de costos

Determinación de OPEX

No rentable: si no recupera inversión. Razonable: si la inversión se recupera en 5 años Optimo: si la inversión se recupera en menos de 5 años.

Análisis de costobeneficio Flujo de Caja TIR y VAN

Son aquellos costos que no son sensibles a pequeños cambios en los niveles de actividad de una empresa, sino que permanecen invariables ante esos cambios

factibilidad económica

Dependiente del estudio

Costo Variable Es aquel que se modifica de acuerdo a variaciones del volumen de producción (o nivel de actividad), se trata tanto de bienes como de servicios

inversión requerida.

Rentabilidad En general, la capacidad de producir o generar un beneficio adicional sobre la inversión o esfuerzo realizado

Fuente. Elaboración Propia

52

7. INDICE TENTATIVO I. Introducción II. Planteamiento del problema a) Formulación del problema III. Objetivos a) Objetivo General b) Objetivos Específicos IV. Justificación V. Metodología de trabajo VI. Alcance CAPITULO I MARCO TEORICO 1.1. Olefinas ligeras 1.1.1 Principales olefinas ligeras 1.1.1.1 Etileno 1.1.1.2 Propileno 1.1.1.3 Olefinas ligeras c4 1.2 Procesos de obtención de olefinas ligeras 1.2.1 Producción de olefinas por craqueo con vapor de hidrocarburos (steam cracking) 1.2.2 Procesos de refino 1.2.2.1 Craqueo catalítico en lecho fluido (FCC) 1.2.2.2 Hidrocraqueo (hydrocracking) 1.2.3 Deshidrogenación de parafinas 1.2.4 Acoplamiento oxidativo de metano 1.3 Proceso MTHC (metanol a hidrocarburos) 1.3.1 Evolución histórica del proceso MTHC 1.4 Proceso MTO 1.4.1 Obtención de metanol 1.4.2 Reacciones MTG y MTO 1.4.3 Mecanismos de reacción 1.4.3.1 Formación de olefinas pesadas

53

1.4.4 Evolución de los materiales empleados en el proceso MTO 1.4.4.1 Materiales zeolíticos microporosos 1.5 Gas natural 1.5.1 Gas natural en américa latina 1.5.2 Gas natural en Bolivia 1.5.3 Reservas de gas natural en Bolivia 1.6. Evaluación económica 1.6.1. Factibilidad económica 1.6.2. Determinación de las inversiones necesarias (CAPEX). 1.6.3. Determinación de los gastos operativos (OPEX). 1.6.4. Criterios de rentabilidad del proyecto CAPITULO II MARCO METODOLOGICO 2.1. Enfoque de la investigación 2.2. Tipo de investigación 2.3. Sujeto y fuentes de información 2.4. Variables 2.4.1. Tecnología 2.4.2. Presión 2.4.3. Temperatura. 2.4.4. Composición química 2.4.5. Caudal de producción 2.4.6. inversión y costo fijo 2.4.6. costo variable, operación y mantenimiento 2.4.7. rentabilidad del proyecto 2.5 Métodos de investigación 2.5.1. Método de presión diferencial 2.5.2. Método de comparación por pesos 2.5.3. Método de cálculo de gradiente de temperatura 2.5.4. Método de cromatografía 2.5.5. Método conteo por desplazamiento de turbina 2.5.6. Método CAPEX y OPEX 54

2.5.7. Método de VAN y TIR CAPITULO III MARCO PROPOSITIVO 3.1. Simulación del Proceso MTO 3.1.1. Procesos Primarios 3.1.2. Procesos Secundarios 3.2. Viabilidad de los procesos 3.3. Optimización de Procesos CAP IV FACTIBILIDAD ECONOMICA 4.1. Factibilidad económica 4.2. Determinación del CAPEX 4.3. Determinación del OPEX 4.4. Análisis de los criterios de rentabilidad VAN y TIR Conclusiones y recomendaciones Bibliografía Anexos

55

8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES DETALLE DE LAS ACTIVIDADES REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. CAPITULOI: MARCO TEÓRICO. CAPITULO II: MARCO METODOLOGICO

CAPITULO III: MARCO PROPOSITIVO CAPITULO IV: FACTIBILIDAD ECONOMICA CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REVISIÓN DE LA UNIVERSIDAD CORRECCIONES Y MODIFICACIONES

DEFENSA PRIVADA

56

MESES 1

2

3

4

5

6

BIBLIOGRAFIA Chow Pangtay, S. (1987). Petroquimica y la Sociedad. Mexico: Fondo de Cultura Economica Benito Vaquerizo, S. (2013). Estudio de las condiciones óptimas de reaccion para la obtencion de olefinas a partir de metanol con catalizadores tipo SAPO (Tesis de fin de Grado). Universidad politecnica de madrid. España. Wauquier, J.P. (1993). El Refino del Petroleo. Oxford, UK: Blackwell Scientific Publications

Hernandez Prieto, A. (2004). Procesos de Refino. Francia: publicacion del instituto frances del petroleo. Meyers A.R. (1997). Handbook of petroleum refining processes. US: Mc. Graw-Hill. Speight G.J. (2002). Chemical and process design handbook. US: Mc. Graw-Hill. Lewis F. Hatch, S.M. (1994). Chemistry of Petrochemical Processes. Houston, Texas: Gulf Publishing Company. Kraus, R. (1930). Enciclopedia de Salud y Seguridad en el Trabajo. Tomo I Proceso de Refino del Petroleo, capitulo Petroleo y Gas Natural.US Braun D., Cherdron H., Rehahn M., Ritter H., Voit B. (1971). Polymer Synthesis: Theory and Practice. New York: Springer Polimeni S., Ralph. Falozzi J., Frank J., Adelberg H. Arthur. (2005). Contabilidad de costos. Mexico. Barrantes R. (2002). Investigacion: Un Camino al Conocimiento. Costa Rica. ANEXOS Anexo1. Cuadro de integración

59

60