OBTENCIÓN DE

HIDRÓGENO

OBTENCIÓN DE

HIDRÓGENO

Chirinos, Yorman

González, Elvis

Rodríguez, María

Soto, Luis

Hidrógeno (H2)

Aplicaciones

Refinado de combustibles fósiles

Producción de Amoniaco

Hidrogenación de petróleos o grasas

Reactivos de reacciones de compuestos orgánicos

Combustible en ámbitos espaciales

Formas de Obtención (80millones de toneladas al año para el año 2011)

80% por reformación de gas natural con vapor

16% por tratamientos con hidrocarburos líquidos

4% por Electrolisis del agua

Propiedades físico-químicas

Propiedades físicas

Estado ordinario Gas

Densidad 0,0899 kg/m3

Punto de fusión 14,025 K (-259 °C)

Punto de ebullición 20,268 K (-253 °C)

Punto de inflamabilidad 255 K (-18 °C)

Entalpía de vaporización 0,44936 kJ/mol

Entalpía de fusión 0,05868 kJ/mol

Presión de vapor 209 Pa a 23 K

Punto crítico 23,97 K (-249 °C)

1,293·106 Pa

Volumen molar 22,42×10-3 m3/mol

Clasificación de la empresa

Gas Natural OU y PU NH3, UREA,

NPK, H3PO4, OLEUM

Industria Química de Transformación

Operaciones Unitarias Procesos Unitarios

Adsorción Reacciones Catalíticas

Heterogéneas

Desorción Combustión

Condensación Hidrogenación

Evaporación Metanación

Radiación Quimiadsorción

Separación

Diagrama de bloque de la Planta de

Amoniaco

HIDRODESULFURACIÓN REFORMACIÓN

REMOCIÓN DE CO2

CONVERSIÓN DE

CO ALTA Y BAJA

TEMPERATURA

METANACIÓN SÍNTESIS

REFRIGERACIÓN ALMACENAMIIENTO

CO2

NH3

Gas

Natural

En Esencia:

Entrada Función Salida

•MATERIAS PRIMAS:

–Gas Natural

–Vapor 30 kg/cm2

–Aire Atmosférico

•INSUMOS:

–Aminas (TEA y MEA)

–Catalizadores Sólidos

–Materiales Adsorbentes

–Químicos para calderas

–Vapor de Agua

–Agua Desmineralizada

–Agua de Enfriamiento

–Agua Potable

–Electricidad

–Antiespumante

–Aceites Lubricantes

–Nitrógeno

• Producir y enviar Amoníaco

(NH3) y Dióxido de Carbono

(CO2) a la inst. 301-A para la

producción de Urea

• Producir y enviar Amoníaco

y a la Inst. 330 para producir

Sulfato de Amonio (SAM)

•Producir y enviar Amoníaco

a la Inst. 356-A para la

producción de N.P.K.

•Producir y enviar Dióxido de

Carbono (CO2) a la empresa

BOC GASES

•Producir Amoníaco y

solución amoniacal para la

venta a terceros

• PRODUCTO:

–Amoníaco (NH3)

• CO-PRODUCTO:

–Dióxido de carbono (CO2)

1) Pre-tratamientos del Gas Natural

Composición del Gas Natural

El Gas Natural utilizado

en el complejo es suplido por PDVSA Gas

desde Anaco, con

condiciones de: • Presión (P) = 18 - 20

kg/cm2

• Temperatura (T) = 32-

37 °C

• Flujo (n) = 17500 m3/h

Compuesto % Molar

Metano (CH4) 85,0

Dióxido de carbono (CO2 ) 7,05

Etano (C2H6) 6,67

Propano (C3H8) 1,19

Propano ( -iso) (C5H12) 0,01

Pentano (n) (C5H12) 0,01

Hexano (C6H14) 0,06

Butano (n) (C4H10) 0,04

Pentano (-iso) (C5H12) 0,01

Butano (-iso) (C4H10) 0,02

Sulfuro de Hidrógeno (H2S) (14- 35) ppm

Nitrógeno (N2) 0,12

1.1) HIDROGENACIÓN

1) Pre-tratamientos del Gas Natural

El Gas Natural reacciona con Hidrógeno gaseoso a través de un lecho catalítico

de CoO/Mo, que tiene como finalidad convertir los Sulfuros Orgánicos en Sulfuros de Hidrógeno (H2S) que luego serán adsorbidos en los Desulfuradores.

Las Reacciones que se producen son:

COS + H2 H2S + CO

R-SH + H2

R-S-R’ + H2

CH2=CH2 + H2

H2S + R-H

H2S + R-H + R’-H

CH3 - CH3

Condiciones de Operación:

Temperatura: 370 - 390 °C

Presión: 30 Kg/cm2

Flujo: 17500 - 18300 Nm3/h

Catalizador: Co/Mo (Elementos Activos)

La hidrogenación (reacción de catálisis heterogénea) se lleva a

cabo en un hidrogenador.

MO/CoO

MO/CoO

MO/CoO

MO/CoO

1.2) DESULFURACIÓN

El objetivo de la eliminación de los compuesto de azufre es la purificación del gas y evitar su reacción con el componente activo del catalizador en la etapa de Reformación y Conversión, originando un envenenamiento del mismo.

Las Reacciones que se producen en los son:

H2S + ZnO ZnS + H2O

COS + ZnO ZnS + CO2

La desulfuración se lleva a cabo en torres de adsorción (lechos de oxido de Zinc) intercambiando S-2

por O-2 .

Condiciones de Operación:

Temperatura: 370 - 380 °C

Presión: 29,5 Kg/cm2

Flujo: 17500 - 18300 Nm3/h

Material Adsorbente: ZnO (Oxido de Zinc)

1) Pre-tratamientos del Gas Natural Flujograma de la Sección de Hidrodesulfuración

P = 14-17kg/cm2

T = 30-37 °C

H2 Reciclo de Proceso

de Amoniaco

Gas Natural Desulfurado

( 0ppm H2S) hacia la

etapa de reformación

P = 29 kg/cm2

T = 79-91 °C

P = 30 kg/cm2

T = 379 °C

P= 29,5 Kg/cm2

T= 370 °C

Gas

Natural

Gas de Proceso

Gas de combustible para quemadores

Process Steam

2) Reformación CH4 + H2O + Q CO + 3H2

CO + H2O CO2 + H2 + Q’

Condiciones de Operación:

Temperatura: (536-700) °C

Presión: (29-35) Kg/cm2

Flujo (gas seco): 17930 m3/h

Catalizador: Óxido de Ni (elemento activo)

soportado en Alúmina

Reformación Primaria: El Gas Desulfurado es mezclado con Vapor de agua a 30 kg/cm2 y se precalienta. La mezcla gaseosa entra al interior de 224 tubos catalíticos y reacciona en presencia

de un catalizador a base de níquel (Ni) en el Reformador Primario:

Las reacciones que se llevan a cabo en el equipo son:

2) Reformación Flujograma de la Sección de Reformación de la Planta de Amoníaco

Gas Desulfurado

Vapor de proceso

P= 29,5 Kg/cm2

T= 370 °C

F= 17930 m3/h

P= 35 Kg/cm2

T= 700 °C

Túnel de

Convección Gas

Reformado para la etapa de Conversión

Gas de combustible

Vapor Vapor

Sobrecalentado

Feed

To feed

treatmen

t

BFW

Aire

caliente

para otro

proceso

Aire

Túnel de Convección

Aprovechamiento del

calor producido en el

reformador para otros

procesos y servicios

Auxiliares

Verifica la fuga de

metano por cromatografía

85% Metano

>15% Metano

3) Conversión

Conversión de Alta: El CO se transforma a CO2, para hacer posible su absorción en las torres de remoción; en la conversión de alta se favorecen las condiciones cinéticas de reacción.

CO + H2O CO2 + H2 + Q

Condiciones de Operación:

Temperatura: (370-430) °C

Presión: 26 Kg/cm2

Flujo (gas seco): 98037 Nm3/h

Catalizador: CrO y Fe3O4 (elementos activos)

3.1) Conversión a alta Temperatura. (HTS)

HTS

Conversión de Baja: El Gas Reformado es enfriado, donde se aprovecha su alta temperatura para producir vapor de 100 y 10 kg/cm2. Finalmente entra al LTS en el cual ocurre la misma reacción que en el convertidor de alta temperatura:

CO + H2O CO2 + H2 + Q

Condiciones de Operación:

Temperatura: (210-230) °C

Presión: 23,7 Kg/cm2

Catalizador: CuO y ZnO (elementos activos)

Esta reacción también se produce en dos lechos catalíticos que trabajan en paralelo, en este equipo se favorece las

condiciones termodinámicas de la reacción

3) Conversión 3.1) Conversión a Baja Temperatura. (LTS)

LTS

3) Conversión Flujograma de la Sección de Conversión de CO a CO2 de la Planta de Amoníaco

HTS LTS

Vapor

T= 420 °C

T= 160 °C

T= 207 °C T= 370 °C Gas Reformado

Estimulación de la reacción

de forma catalítica.

BFW

Enfriamiento

Vapor

BFW BFW

Gas Convertido

Estimulación de la reacción

de forma térmica.

Se alcanza la máxima

conversión CO a CO2.

13,7% CO

3,6% CO

3,6% CO

0,3% CO

4) Remoción del CO2

Metil-dietanol-amina

El objetivo es la remoción del Dióxido de Carbono (CO2) mediante la absorción en

soluciones de amina para la purificación del Hidrógeno, ya que la presencia de

óxidos de carbono son un veneno y desactivan el catalizador de reactor de síntesis de amoniaco.

El Proceso se realiza en dos etapas:

La primera etapa (ABSORBER) se realiza la mayoría de la absorción del CO2 en una solución de aMDEA.

2R3N + CO2 + H2O (R3NH)2CO3 + Q

La segunda etapa (STRIPPER - DESPOJADOR) En esta columna se realiza la desorción y separación de CO2 y aMDEA.

4) Remoción del CO2

4) Remoción del CO2 Flujograma de la Sección de Lavado de CO2 (con aMDEA) de la Planta de Amoníaco

Gas Convertido

T= 160 °C

T= 70 °C

ABSORBER

Gas dulce para

metanación

Amina Rica

Restos de Metano y otros compuestos

carbonados

Amina Pobre

CO2 (99,01%) para el proceso

de Urea

Condesado de agua

STRIPPER

5) Metanación

Depende del grado de pureza que se necesite el Hidrógeno.

En este caso, de producción de amoniaco se debe asegurar que no

exista Oxígeno para evitar reacciones no deseadas del Oxígeno

con los catalizadores posteriores en la síntesis de Amoniaco. Se

realiza transformando CO y CO2 a Metano (CH4) para eliminar la

presencia en el Gas Reformado de los Óxidos de Carbono, dándose

las siguientes reacciones fuertemente exotérmicas:

:

CH4 + 2H2O + Q

CO + 3H2

CO2 + 4H2

CH4 + 2H2O + Q

Condiciones de Operación:

Temperatura: (298-311) °C

Presión: 19,6 Kg/cm2

Flujo (gas seco): 79737Nm3/h

Catalizador: Ni (elemento activo)

5) Metanación

Gas dulce para metanación

TSA

PSA

Ó

Lechos Selectivos

de Metano TSA: Temperature swing adsorption

PSA: Pressure swing adsorption hydrogen

purification

H2 (99,7%)

Condensado

Industrias Asociadas Al Uso de Hidrógeno

Producción de NH3

Refino de petróleo (olefinas insaturadas a materias saturadas

como parafinas)

Como reactivo para reacciones de adición, sustitución y

eliminación de química orgánica.

Combustible Espacial (Líquido)

Producido de metanol. Se sintetiza mediante un proceso

catalítico a partir de monóxido de carbono e hidrógeno. Esta

reacción emplea altas temperaturas y presiones.

Hidrogenación de grasas, aceites, compuestos orgánicos

(alcanos, alquenos, benceno), alimentos..