tema 2. hidrógeno, gas de sít i d i díntesis y derivados · 19 tema 2. hidrógeno, gas de...

Tecnología Química Industrial

1Tema 2. Hidrógeno, gas de síntesis y derivados

Universidad Politécnica de MadridIndustrial y

T l í Q í i I d t i lTecnología Química Industrial

Tema 2. Hidrógeno, gas de í t i d i dsíntesis y derivados

Prof. José Ignacio Zubizarreta Enríquez

Email: [email protected]. José Ignacio Zubizarreta Enríquez Email: [email protected] Técnica Superior de

Ingenieros Industriales de Madrid


2Tema 2. Hidrógeno, gas de síntesis y derivadosIndustrial y

Hidrógeno

• Introducción• Propiedades generales• Estado natural• Usos y aplicaciones• Vector energético• Vector energético• Obtención

Email: [email protected]. José Ignacio Zubizarreta Enríquez



Un mundo basado en el hidrógenoJULES VERNE, “L’ÎLE MISTÉRIEUSE” (1874):“¿Qu’est-ce que l’on brûlera à la place du charbon si celui-ci venait à manquer? De l’eau réponditPencroft. L’eau décomposée en ses éléments par l’électricité…. L’eau est le charbon de l’avenir.”

¡QUÉ BONITO SERÍA SI….!

Equipo Caro Muy caro

Muy caro

η = 75%·50%·80% = 30%Caro

Equipo

H2 liq

η = 70%10%Equipo

Carísimo

η = 50%

ηglobal = 10%

y gracias porque

falta el transporte


η falta el transporte



Fabricación actual del hidrógeno

• Por reformado con vapor de gas natural

4H2 + CO2CH4(g)+2H2O(l) --> 4H2(g) + CO2(g)

CH4 = 1 [kmol/h]

ΔG = 129961 [kJ/h]H2O = 2 [kmol/h]

Energía = ΔG = -ΔH

0 162 [k l/h]CH4

Aire

xCH4 = 0,162 [kmol/h]CH4(g) + 2O2(g) --> CO2(g) + 2H2O(g)

ΔH = -129961 [kJ/h]


El proceso de reformado en la práctica consume 1,3 kmol/h CH4 para esta reacciónRendimiento global del proceso real: η= 89,38 %



Uso actual y características del Hidrógeno




Hidrógeno: introducción

• PARACELSUS (SIGLO XVI)( )

• ROBERT BOYLE (1671)• ROBERT BOYLE (1671)

HENRY CAVENDISH (1766)• HENRY CAVENDISH (1766)

• ANTOINE LAVOISIER (1783)




Hidrógeno: propiedades generales

• Es un no metal 1

H1

H• Forma moléculas diatómicas H2• El elemento es menos reactivo que

H1.00794H

1.00794qlos halógenos X2

• Un átomo H tiene un único electrón 1s11s1

• Puede perderlo, para formar H+

• Puede ganar otro para formar H- HHPuede ganar otro, para formar H H2H2




Hidrógeno: propiedades generalesDensidad (g/ml) en fase gas en c.n. 0.089

Punto de Fusión (K) 14 01Punto de Fusión (K) 14.01

Punto de Ebullición (K) 20.28

Radio covalente en H2 (Å) 0.37

Radio iónico en LiH (Å) 1.53

Potencial de Ionización (eV) 13.54

Afinidad Electrónica (eV) 0.715

Electronegatividad 2.1


(E. Pauling)Potencial normal (V) H+ + 1e- ½ H2 0.00




SPINES NUCLEARES

ORTO Y PARA HIDRÓGENO

ORTO PARA





Email: [email protected]. José Ignacio Zubizarreta EnríquezEquilibrio orto-para del H2, D2 y T2




QORTO QORTO

PARA

CATALIZADOR: C activo Fe OEmail: [email protected]. José Ignacio Zubizarreta Enríquez

CATALIZADOR: C activo, Fe2O3



Hidrógeno. Diagrama T-S y p-H




Licuefacción del Hidrógeno




Hidrógeno: estado naturalEN LA TIERRAEN LA TIERRA

Décimo elemento en peso más abundante de la corteza terrestre

Como H2O cubre el 80 % de la superficie terrestre

Constituye el 70% del cuerpo humanoConstituye el 70% del cuerpo humano

Compuestos orgánicos

Combustibles fósiles (petróleo, gas natural, etc.)

E t t f f tó iEmail: [email protected]. José Ignacio Zubizarreta Enríquez

Estratosfera en forma atómica



Hidrógeno: Principales aplicaciones

• Con el N2 para producir amoníacoC l CO CO d i CH OH• Con el CO y CO2 para producir CH3OH

• Con hidrocarburos no saturados para saturar l ( l fi áti )enlaces (olefinas y aromáticos)

• Con hidrocarburos sulfurados para d lf l d i d H Sdesulfurarlos produciendo H2S

• Para reducción de minerales y compuestos id d í t d t í ioxidados así como otros productos químicos

de síntesis.




Hidrógeno: usos y aplicacionesg y p

Lanzadera espacial:500000 l de O2 líquido500000 l de O2 líquidoy 1.5 millones de l de H2 líquido

Hindenburg, ardiendo en 1937

Bomba nuclear de HidrógenoAtolón de Bikini,

Email: [email protected]. José Ignacio Zubizarreta EnríquezBMW Mini, con hidrógeno

,1954



Hidrógeno: usos y aplicacionesg y p

PROD. METANOLY DERIVADOS

PRODUCCIÓN DE METALES

MTBEMTBEMARGARINAS

FERTILIZANTES PLÁSTICOS

NAVES ESPACIALES. PILAS DE COMBUSTIBLE


DE COMBUSTIBLE.Productos petrolíferos (Fisher-Tropsch



El hidrógeno como vector energético. Ventajas

• Principal atractivo: ofrece la posibilidad de un ciclo energético

limpio.

• Alta eficiencia en su uso en pilas de combustible. Estas pilas noAlta eficiencia en su uso en pilas de combustible. Estas pilas no

son máquinas térmicas, por lo que su rendimiento no se limita por

el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%el ciclo de Carnot y se puede alcanzar teóricamente el 100%.

• Menor dependencia. Distribución más homogénea en la Tierra.

• Reducción del peligro medioambiental inherente de los

combustibles fósiles.




El hidrógeno como vector energético. Desventajas• El hidrógeno no es un recurso natural. Es un portador de energía, como la

electricidad. • Es un combustible peligroso Hay que desarrollar e implantar la normativa necesaria• Es un combustible peligroso. Hay que desarrollar e implantar la normativa necesaria

para el uso seguro del hidrógeno en todo tipo de aplicaciones.

Hindenburg (1937)- 245 m de largo- Capacidad: 200.000 m3 de gas- Diseñado para He (los americanos

no suministraron He por temor al ibl ilit d l di i ibl )


posible uso militar del dirigible).



El hidrógeno como vector energético. Desventajas• Dificultad de producir grandes cantidades de hidrógeno de forma

eficiente y a precios razonables usando energías no fósiles. • Alto coste de almacenamiento y suministro. • Corta vida útil de las pilas de combustible.

S ibilid d h i l t líti (SO CO ) l• Sensibilidad hacia los venenos catalíticos (SOx, CO...) que provocan la inactivación irreversible de las pilas de combustible.

• Impacto ambiental negativo de los “vertidos de hidrógeno”: p g g– Se estima que entre el 10% y el 20% del total de hidrógeno generado,

almacenado y usado en las células de combustible, escaparía a la atmósfera. Se movería hacia la estratosfera, donde provocaría:, p

• Aumento de la presencia de agua sólida en la estratosfera, que interfiere en la química del ozono favoreciendo los procesos que destruyen el ozono.

• A la vez, al combinarse el hidrógeno con el oxígeno atómico, disminución de los


g gprocesos que forman ozono.



OBTENCIÓN DEL HIDRÓGENO = GAS SÍNTESIS• Tratamiento de metano con vapor de agua a elevada temperatura. [El 95% del

hidrógeno que se produce se hace a partir de combustibles fósiles]– CH4 + H2O (vapor) CO + 3H2

– CO + H2O (vapor) CO2 + H2

• Gasificación del carbón o fuel-oil con oxígeno por oxidación parcial g p p– a 1200-1400 ºC con un rendimiento del 98% sobre el carbono total entrante.– Procesos: Shell, Texaco, Lurgi y Koppers-Totzek

Electrólisis del agua [Proceso mucho más caro que el reformado con vapor pero• Electrólisis del agua. [Proceso mucho más caro que el reformado con vapor, pero produce hidrógeno de gran pureza]

– H2O + energía H2 +½ O2

• Gasificación con aire de la biomasa. [Combustión incompleta entre 700 y 1200 ºC].– Produce un gas combustible compuesto fundamentalmente por hidrógeno, metano y

monóxido de carbono.


– Procesos: Thermoselect, Ebara, Ingitec y Enerkem-Poligas



Producción de gas de síntesis

Biomass




Demanda mundial de los principales productos químicos

Estadísticas del año 2004

+ 0 57×121 = 211

A partir de Gas de

síntesis o + 0,57×121 = 211Hidrógeno


Entonces, ¿cuál es el producto químico más demandado en el mundo?



Steam reforming de nafta o gas natural

• Convierte hidrocarburos a gas de síntesisCH H O CO 3H– CH4 + H2O → CO + 3H2

– CnHm + nH2O → nCO + (n+m/2)H2

• Usa altas temperaturas, vapor y un catalizador de níquel soportado en alúmina cerámica

• Se utiliza un reformador 1º y un reformador 2º




Reformado Equilibrios

CH +H O ⇔ CO+3HCH4+H2O ⇔ CO+3H2ΔHº = +206 kJ/mol

CO+H2O ⇔ CO2+H2ΔHº = ¯ 41 kJ/mol

A 800 ºC y 40 atm




Proceso convencional de Reformado con vapor

• Se introduce la mezcla de los reactantes (metano + vapor de agua) por los tubos rellenos de catalizador en el horno de g ) preformado 1º

• Por el exterior de los tubos se quema combustible (gas natural)• Por el exterior de los tubos se quema combustible (gas natural) con aire para transferir el calor necesario de la reacción endotérmica de reformado y calentar los productos de la reacción.

• El calor de la combustión se utiliza en parte en la reacción. En la zona de convección del horno se aprovecha el calor de los humos todo lo posible para la optimi ación energética de la operacióntodo lo posible para la optimización energética de la operación

• La reacción tiene lugar a alta temperatura (800 ºC) y presión (40


atm)



Reformado con vapor. Diagrama del proceso




Reformado con vapor para hacer H2




Esquema del reformador primario




Catalizador de Ni sobre alúmina y carga en los tubos




Maqueta de una planta de amoníaco. Proceso Kellogg




Historia de la producción de hidrógeno a gran escala

• Primera producción comercial a principios del siglo XIX para la obtención de gas ciudad a partir del carbón p g p

Carbón + O2 + N2 + H2O H2 + CO + CH4 + N2

• A principios del siglo XX, el coque y el carbón fueron gasificados con aire u oxígeno para producir mezclas de H + CO para la síntesis químicaH2 + CO para la síntesis química

• Primer reformador con vapor de metano en 1931

CH4 + H2O 3H2 + CO




Materias primas y procesos de obtención de H2

¡Pero el carbón es una energía

La electricidad es la energía

Consumo relativo Proceso Reacción Aproximado de energía

gbarata!más cara

Electrolisis del agua 2H2O → 2H2 + O2 300% Gasificación del Carbón C + 2H2O → 2H2 + CO2 130% Gasificación de fuel oil CH + 2H O → 2½ H + CO 120%Gasificación de fuel-oil CH + 2H2O → 2½ H2 + CO2 120% Reformado de nafta –CH2– + 2H2O → 3H2 + CO2 104% Reformado gas natural CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 100% g 4 2 2 2

El petróleo y el gas


pet ó eo y e gasnatural se encarecen

cada vez más.



IGCC in Puertollano (300 MWe, net) coque/carbón

World‘s largest IGCC

Email: [email protected]



Carbón → Gas de síntesis → Metanol → Gasolina

Proceso EXXON MTG

Email: [email protected] Coal-to-Gasoline complex begins construction America’s largest Coal-to-Gasoline complex , (West Virginia)



Química del proceso: Reformado + Conversión de CO

Proceso Reacción química Condiciones favorablesProceso Reacción química Condiciones favorables

Reformado 1º CH4 + H2O + calor → 3H2 + CO Alta temperatura CO + H2O → CO2 + H2 + calor y Alto vapor/carbono

Reformador O2 + 2H2 → 2H2O + calor Alta temperaturaSecundario CH4 + H2O + calor → 3H2 + CO y Alto vapor/carbono

CO + H2O → CO2 + H2 + calor Conversión CO + H2O → CO2 + H2 + calor Baja temperaturaConversión CO H2O CO2 H2 calor Baja temperaturaAlta Temperatura y Alto Vapor/CO

C ió CO H O CO H l B j t t


Conversión CO + H2O → CO2 + H2 + calor Baja temperaturaBaja Temperatura y Alto Vapor/CO



Ingeniería del proceso de fabricación de gas de síntesis

Proceso Equipo Catalizador

Reformado 1º Tubos rellenos de catalizador Niquel sobre Al2O3en un horno

R f d 2º R i i t ió Ni l b Al OReformador 2º Recipiente a presión Niquel sobre Al2O3con ladrillo refractario

Conversión Recipiente a presión Cromo-HierroAlta temperaturap

Conversión Recipiente a presión Cobre-Zinc-Al2O3Baja temperat ra


Baja temperatura



Reformador 1º


850



Reformador 2º

850

1000


1000



Reformadores 1º y 2º




Conversión de CO o Shift

350350

230380




Química de la purificación del gas de síntesisProceso Descripción Condiciones Favorables

Eli i ió d CO Di l ió fí i B j t tEliminación de CO2 Disolución física Baja temperatura o Reacción química y Alta presión

Metanización CO + 3H2 → CH4 + H2O 280 -350°CCO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Secado Adsorción física para 2 - 4 °C eliminar agua y CO2

Purificación Separación de argón, -180 °CCriogénica CH residual y exceso


Criogénica CH4 residual y exceso de N2 del gas



Ingeniería de la purificación del gas de síntesis

Proceso Equipo Características

Eliminación Absorción/regeneración Contacto del gas yde CO2 en columnas con solución con relleno

bombas/turbinas de solución cerámicobombas/turbinas de solución cerámico

Metanización Recipiente a presión Catalizador Ni(Al2O3)

Secado Dos recipientes a presión Operación cíclicacon tamices moleculares

Purificación Intercambiador de placas, Al-Ex de Aluminiocriogénica expansor columna Forzar H/N = 3 0


criogénica expansor, columna Forzar H/N = 3.0



Purificación del gas de síntesis




Eliminación de CO2




Unidad de purificación criogénica

º º

ºº




Planta de purificación criogénica




SE BUSCA… para la futura Economía del H2

• Una sustancia rica en H2 que no sea H2• Que sea barata (Más que el H2)• Más segura de usar que la gasolina y el propano

y desde luego muchísimo más que el H2• Medioambientalmente aceptable:

No contenga Carbono (efecto invernadero)– No contenga Carbono (efecto invernadero)– No destruya la capa de ozono (la destruye el H2)– Evite producir NOx en su combustión con aire

• Con amplia infraestructura productiva, existente.

NH?p p

• Almacenable en tanques de acero al carbono o aluminio, como líquido a presión, a temperatura ambiente sin aislar y sin pérdidas, como el propano (a P ≈ 10 atm)

NH3?propano (a P 10 atm).

• Reactiva y eficiente para su uso en células de combustible, con aire, más o menos como el H2.

• También con la posibilidad de su uso en

3


motores de explosión y turbinas, pura o en mezcla con gas natural, propano, gasolina o gas-oil.



Sistema Carbono – Hidrógeno – Oxígeno• Por sus aplicaciones el sistema C-H-O es un sistema que merece la pena

estudiarse con detalle.• Se produce en operaciones de combustión, gasificación y pirólisis cada vez más p p , g y p

frecuentes en la industria.• Dejando aparte la combustión, que procede cuando el oxígeno es igual o superior

al estequiométrico para oxidar todo el C a CO2 y todo el H a H2O, nos interesa considerar la oxidación parcial o subestequiométricaconsiderar la oxidación parcial o subestequiométrica.

• La materia prima puede ser muy diversa desde los hidrocarburos simples como el gas natural o las fracciones del petróleo y carbón, hasta residuos complejos de plástico, celulosa (biomasa) o basura urbana.

• La temperatura de operación suele ser muy elevada y el sistema se encuentra, en general, en equilibrio termodinámico.

• El oxígeno puede o no acompañarse de nitrógeno cuando se utiliza el aire como materia prima en cuyo caso deberíamos de añadir un elemento más ymateria prima, en cuyo caso deberíamos de añadir un elemento más y hablaríamos del sistema C-H-O-N.

• Las especies químicas que deben considerarse generalmente presentes en cantidades significativas para esta situación de oxidación parcial son:


CO2, CO, CH4, H2, H2O, N2 y C(s).• Donde las dos últimas pueden, o no, estar presentes.



Componentes independientes del sistema CHO

• Los componentes del sistema C-H-O resultan de obtener el orden de la matriz de coeficientes de la fórmula elemental

C O HCO2 1 2 0C 1 0 0C 1 0 0CH4 1 0 4H2 0 0 2H2O 0 1 2CO 1 1 0• Las últimas tres filas producen un determinante distinto deLas últimas tres filas producen un determinante distinto de

cero. Luego el orden y el número de componentes linealmente independientes es 3.

• Las otras tres sustancias químicas CO C y CH se obtienen a


• Las otras tres sustancias químicas, CO2, C y CH4 se obtienen a través de tres reacciones independientes



Reacciones para los componentes dependientes

• Las reacciones que se utilizan habitualmente ib b ireciben nombre propio:

• La reacción de conversión de CO (shift reaction)– CO + H2O CO2 + H2 (1)

• La reacción de Boudouard para el C(s)p ( )– C(s) + CO2 2CO (2)

• La reacción de reformado de metano para el CH4La reacción de reformado de metano para el CH4– CH4 + H2O CO + 3H2 (3)




Independencia de las reacciones anteriores

• Las reacciones son linealmente independientes ya que al considerar la matriz de sus coeficientes:

(1) (2) (3)CO2 1 -1 0C 0 1 0C 0 -1 0CH4 0 0 -1H 1 0 3H2 1 0 3H2O -1 0 -1CO -1 2 1

• Las primeras tres filas producen un determinante distinto de cero Por lo tanto el orden de la matriz es 3 y las tres


de cero. Por lo tanto el orden de la matriz es 3 y las tres reacciones son linealmente independientes.



Diagrama triangular C-H-O ( en fracciones molares)




Regla de las fases• Si consideramos dos fases: gaseosa y sólida (C(s)).• F+L = C+2 → L = C = 3

B t l ilib i id t t P T l ió• Basta en el equilibrio considerar constantes P, T y una relación elemental como O/H para definir el sistema en sus fracciones molares.

• Tendremos 5 fracciones molares incógnitas y 5 ecuaciones: tres ecuaciones de equilibrio, la relación O/H entre fracciones molares y la suma de fracciones molares = 1.

• Si consideramos una sola fase F=1, no existe C(s), y las libertades serán L = 4. Necesitamos para definir el sistema, P, T O/H como antes, y la relación C/H que establece una ecuación adicional para resolver el sistema.

• Tendremos las mismas 5 fracciones molares incógnitas y 5 ecuaciones: 2 de equilibrio (la de Boudouard excluida), las


relaciones O/H y C/H y la suma de fracciones molares = 1.



Constantes de equilibrio

• Se obtienen a través de la ecuaciónΔG0 RT l K• –ΔG0 = RT ln K

• Donde ΔG0 se refiere a P=1 atm y la t t T d l i t ilib i Ptemperatura T del sistema en equilibrio. Por ello K sólo depende de la temperatura.N l t l d t t b l d d ΔG0• Normalmente los datos tabulados de ΔG0 se encuentran en la literatura a 25 ºC, por lo que hay que calcular ΔG0 = ΔH0 TΔS0 a laque hay que calcular ΔG0 = ΔH0-TΔS0 a la temperatura de la reacción.




Ejercicio 1

• Determinar las composiciones de equilibrio para el sistema CHON donde la fase de carbono sólido estásistema CHON donde la fase de carbono sólido está presente a 1000 K y 1 atm.

• La composición del sistema puede expresarse con las relaciones elementales:

H/O = 1 N/O=3,76 (relación del aire).

• Solución:• En este caso, respecto a lo señalado antes, tenemosEn este caso, respecto a lo señalado antes, tenemos

un elemento más: N y necesitamos una relación más, la N/O que nos da el ejercicio.




Ejercicio 1. Solución

• y[1] = ‘fracc. Molar de Metano'• y[2] = ‘fracc. Molar de Hidrógeno'• y[3] = 'fracc. Molar de Monóx Carbono'• y[4] = 'fracc. Molar de Dióx Carbono'• y[5] = 'fracc. Molar de Vapor de agua'

[6] 'f M l d Nit ó ‘• y[6] = 'fracc. Molar de Nitrógeno‘

• H/O = 1=(4*y[1] + 2*y[2] + 2*y[5])/(y[3] + 2*y[4] +y[5])N/O 3 76 2* [6]/( [3] 2* [4] [5])• N/O = 3,76=2*y[6]/(y[3] + 2*y[4] +y[5])

• y[1] + y[2] +y[3] + y[4] + y[5] +y[6] = 1• K1/P2 = y[3] *y[2]3/y[1]/y[5] CH4 + H2O = CO + 3H2 (1) • K2 = y[4]*y[2]/y[3]/y[5] CO + H2O = CO2 + H2 (2)• K3/P = y[3]2/y[4] CO2 + C(s) = 2CO (3)




Ejercicio 1. Solución. Continuación

• El problema se reduce a obtener las constantes de equilibrio y resolver el sistema algebraico de fracciones molares.

• Para la reacción: CH4 + H2O = CO +3H2• ΔHº(1000K) = 3ΔHºH2+ ΔHºCO–ΔHºCH4– ΔHºH2O=225667 kJ/kmol• ΔSº(1000K) = 3ΔSºH2+ ΔSºCO–ΔSºCH4– ΔSºH2O=252,5 kJ/kmol KH2 CO CH4 H2O• ΔGº(1000K) = ΔHº – TΔSº=225667 – 1000·252,5 = – 26882 kJ/kmol• Ln(K1) = – ΔGº/RT = 26882/(8,3143·1000)• K1 = 25,361 ,• De la misma manera se obtienen• K2 = 1,451• K3 = 35 95K3 35,95• Resolviendo ahora las ecuaciones se obtienen las fracciones molares en

equilibrio con el C(s) y se puede representar en el diagrama CHO.





• yCH4 = 0,02287• yH2 = 0,1054• yCO = 0,298yCO ,• yCO2 = 0,00247• y = 0 0006021• yH2O = 0,0006021• yN2 = 0,5706




Ejercicio 2

• Variando la relación H/O en el ejercicio 1, bt l ió d ilib i l C( )obtener la región de equilibrio con el C(s) a

900, 1000 y 1200 K




Solución del Ejercicio 2Equilibrio de dos fases




Ejercicio 3

• Determinar la composición de equilibrio para l i t C H O i t t ú iel sistema C-H-O consistente en una única

fase gaseosa a 1000 K y 1 atm.• El sistema se considera inicialmente

compuesto por 1 kmol de CH4 y 3 kmol de H2O.




Solución del ejercicio 3

• Vimos antes que este sistema tiene 4 grados de libertad: T=1000 K P=1 atm H/C O/Clibertad: T 1000 K, P 1 atm, H/C, O/C.

• H/C = 4·nCH4 + 2·nH2O = 4 + 6 = 10• O/C = n = 3• O/C = nH2O = 3

y[1] = ‘fracc. Molar de Metano'y[2] = ‘fracc. Molar de Hidrógeno'y[3] = 'fracc. Molar de Monóx Carbono'y[4] = 'fracc. Molar de Dióx Carbono'y[5] = 'fracc Molar de Vapor de agua'

Incógnitas

y[5] = fracc. Molar de Vapor de agua

H/C = 10 = (4*y[1] + 2*y[2] + 2*y[5])/(y[1] + y[3] +y[4])O/C = 3 = (y[3] + 2*y[4]+ y[5])/(y[1] + y[3] +y[4])


(y y y ) (y y y )y[1] + y[2] +y[3] + y[4] + y[5] = 1K1/P2 = y[3] *y[2]3/y[1]/y[5] CH4 + H2O = CO + 3H2 (1) K2 = y[4]*y[2]/y[3]/y[5] CO + H2O = CO2 + H2 (2)

Ecuaciones



Solución del Ejercicio 3. Continuación

• Las constantes de equilibrio se obtuvieron en el Ejercicio 1.• K1 = 25,361• K2 = 1,451• Resolviendo ahora las ecuaciones se obtienen las fracciones molares

en equilibrio y se puede representar el equilibrio como un punto en el diagrama CHO.

• yCH4 = 0,002532• y = 0 5626• yH2 = 0,5626• yCO = 0,09727• yCO2 = 0,06771yCO2 ,• yH2O = 0,2698




Gasificación de residuos plásticos. POLIGAS S.L.




Ventajas de la gasificación frente a la combustión

• Permite una mejor conversión de energía en motores y turbinas de gasmotores y turbinas de gas.

• Permite una mayor y mejor limpieza de los gases antes de su combustiónantes de su combustión.

• Evita la formación de dioxinas por dos razones:– Los precursores de dioxinas y furanos no se forman enLos precursores de dioxinas y furanos no se forman en

condiciones de ausencia de oxígeno libre.– No existe cloro libre para clorar.

(La reacción 2HCl + ½O2 → Cl2 + H2O, en condiciones reductoras, no se produce)




Desventajas de la gasificación con generación eléctrica.

• Parte de la materia prima no se gasifica y se producen alquitranes que deben gestionarsealquitranes que deben gestionarse.

• El tratamiento del agua de lavado resulta complicado y caro para cumplir las emisiones de la purga al exteriorcaro para cumplir las emisiones de la purga al exterior.

• El proceso es muy sensible a los cambios de calidad/composición de la materia prima y el control decalidad/composición de la materia prima y el control de regulación aire/combustible de los motores puede pararlos por un cambio excesivamente rápido en la composición del gas.




Composición del gas de síntesis en POLIGAS. Ejercicio

• Determinar la composición del gas de síntesis, considerando que se gasifica polietileno (–CH2–)considerando que se gasifica polietileno ( CH2 )ncon un PCI de 42 MJ/kg a 1,5 ata y a 590 ºC, con una producción de alquitranes (naftaleno) de un 15% b l t i i t t15% en peso sobre la materia prima entrante y determinar el flujo de aire a introducir en el reactor por balance entálpico.p p

• Nota: La entalpía de formación del polietileno a 25 ºC se calculará a partir del calor de combustión y la

t l í d f ió d l ft l lentalpía de formación del naftaleno y su calor específico a partir de los datos del CRC Handbook of Chemistry Physics.


y y



Solución al ejercicio

• Entalpía del naftaleno a 590 ºC =262620 [kJ/kmol]• Composición del gas:

Metano: 0,0368Hid ó 0 1741Hidrógeno: 0,1741Monóx Carbono 0,08275Dióx Carbono 0,1014Vapor de agua 0,07452Nitrógeno 0,5305

Ai i 2 584 k l 14 k d• Aire necesario = 2,584 kmol para 14 kg de polietileno (1 kmol de -CH2-)




Metanol




Equilibrio




Procesos. Rango de operación

tg α = –ΔH/Ĉp


g p



Desactivación del catalizador




Generación de gas de síntesis CO:H2 = 2




Proceso de alta presión




Proceso de baja presión

Dimetiléter +Dimetiléter +Formiato de metiloA Reformado




Desventajas de los procesos de alta presión




Productos derivados del metanol


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