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PROPUESTAS
ADICIONALES
PARA EL
PROCESO
130
PROPUESTAS
1.- Transformación de Ácido sulfhídrico en compuestos de alto valor comercial
Dentro de los procesos de perforación de pozos petroleros existe un residuo, el
sulfuro de hidrógeno o ácido sulfhídrico, que es un gas con poco valor comercial por sus
altos riesgos de manejo y pocas aplicaciones, el cual es quemado y arrojado a la atmósfera
sin ningún beneficio.
Pero de este gas pueden obtenerse diversos compuestos con un alto precio en el mercado,
mi propuesta consiste en transformar los gases de ácido sulfhídrico salientes de los pozos
en diversos compuestos de gran valor comercial, tales como:
 Sulfuro de sodio: $ 530.00 US/Ton
 Ácido sulfúrico: $ 395.00 US/Ton
 Sulfuro de sodio
El sulfuro de sodio, es una sal usada como envejecedor de bronces (candados, orfebrerías).
También el sulfuro de sodio, se utiliza en la elaboración del cuero o las plantas de
preparación de las pieles
Producción de Sulfuro de Sodio
El ácido sulfhídrico (o sulfuro de hidrógeno, H2S) es el principal insumo, también es un
potente reductor, de alta reactividad. Dadas sus características, es posible utilizarlo
directamente en procesos o llevarlo a cualquier compuesto que tenga un valor de mercado
atractivo. En este caso, se postula la producción de sulfuro de sodio (Na2S) mediante la
reacción con hidróxido de sodio (NaOH), que conformará otro insumo de proceso.
La reacción propuesta para la producción de sulfuro de sodio es:
H2S + 2 Na OH
Na2S + 2H2O
131
132
Figura 44. Diagrama de flujo de producción de sulfuro de sodio
Fuente: http://cabierta.uchile.cl/revista/5/azufre.htm
133
 Ácido sulfúrico
El ácido sulfúrico es un compuesto químico muy corrosivo cuya fórmula es H2SO4. Es el
compuesto químico que más se produce en el mundo, por eso se utiliza como uno de los
tantos medidores de la capacidad industrial de los países. Una gran parte se emplea en la
obtención de fertilizantes. También se usa para la síntesis de otros ácidos y sulfatos y en la
industria petroquímica.
Aplicaciones
o Abonos. Una gran parte del ácido sulfúrico que se fabrica se destina a la obtención de
diversos fertilizantes, como son el sulfato amónico y derivados y los superfosfatos:
Ca3(PO4)2 + H2SO4 ---- Ca(H2 PO4)2 + 2 CaSO4
Superfosfatos
o Obtención de productos químicos. El ácido sulfúrico se emplea como materia prima
en la obtención de numerosos productos químicos, por ejemplo, los ácidos
clorhídrico y nítrico.
o Colorantes y drogas. El ácido sulfúrico es, la sustancia de partida de la fabricación de
muchos colorantes, algunos de cuyos pigmentos son sulfatos metálicos. Asimismo
tiene un amplio uso en la obtención de drogas, desinfectantes, etc.
o Refinado del petróleo. En la industria petroquímica se emplea el ácido sulfúrico para
eliminar diversas impurezas de muchas de las fracciones del destilado del petróleo,
tales como gasolinas, disolventes y otros.
o Siderurgia. En esta industria el ácido sulfúrico se emplea, fundamentalmente, en el
decapado del acero (también se usa en este proceso el HCl) antes de someterlo a
procesos finales, como son los diversos recubrimientos.
o Usos diversos. Otros usos, no de menor importancia que los anteriores, son, por
134
ejemplo, la fabricación de seda artificial, plásticos de diversa naturaleza, explosivos,
acumuladores, etc.
Producción de ácido sulfúrico
Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de
cámaras de plomo y el proceso de contacto. El proceso de cámaras de plomo es el más
antiguo de los dos procesos y es utilizado actualmente para producir gran parte del ácido
consumido en la fabricación de fertilizantes. Este método produce un ácido relativamente
diluido (62%-78% H2SO4). El proceso de contacto produce un ácido más puro y
concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso de catalizadores costosos.
En ambos procesos el dióxido de azufre (SO2) es oxidado y disuelto en agua. El dióxido de
azufre es obtenido mediante la combustión de sulfuro de hidrogeno (H2S) gaseoso.
Proceso de cámaras de plomo
En el proceso de cámaras de plomo, el dióxido de azufre (SO2) gaseoso caliente entra por la
parte inferior de un reactor llamado torre de Glover, donde es lavado con vitriolo nitroso
(ácido sulfúrico con óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) disueltos en él),
y mezclado con óxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) gaseosos. Parte de
dióxido de azufre es oxidado a tritóxido de azufre (SO3) y disuelto en el baño ácido para
formar el ácido de torre o ácido de Glover (aproximadamente 78% de H2SO4).
SO2 + NO2
SO3 + H2O
NO + SO3
H2SO4 (ácido de Glover)
135
Figura 45. Diagrama del proceso de cámaras de plomo
Fuente: http://www.textoscientificos.com/sulfurico/produccion (2005)
136
De la torre de Glover una mezcla de gases (que incluye dióxido y tritóxido de azufre,
óxidos de nitrógeno, nitrógeno, oxígeno y vapor) es transferida a una cámara recubierta de
plomo donde es tratado con más agua. La cámara puede ser un gran espacio en forma de
caja o un recinto con forma de cono truncado. El ácido sulfúrico es formado por una serie
compleja de reacciones; condensa en las paredes y es acumulado en el piso de la cámara.
Pueden existir de tres a seis cámaras en serie, donde los gases pasan por cada una de las
cámaras en sucesión. El ácido producido en las cámaras, generalmente llamado ácido de
cámara o ácido de fertilizante, contiene de 62% a 68% de H2SO4.
NO + NO2 + H2O
HNO2 + H2SO3
2.HNO2
H2SO4 (ácido de cámara)
Luego de que los gases pasaron por las cámaras se los hace pasar a un reactor llamado torre
de Gay-Lussac donde son lavados con ácido concentrado enfriado (proveniente de la torre
de Glover). Los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre que no haya reaccionado se
disuelven en el ácido formando el vitriolo nitroso utilizado en la torre de Glover. Los gases
remanentes son usualmente liberados en la atmósfera.
Proceso de contacto
El proceso se basa en el empleo de un catalizador para convertir el SO2 en SO3, del que se
obtiene ácido sulfúrico por hidratación.
2 SO2 + O2
2 SO3
SO3 + H2O
H2SO4
137
Figura 46. Diagrama del proceso de contacto
Fuente: http://www.textoscientificos.com/sulfurico/produccion (2005)
138
En este proceso, una mezcla de gases secos que contiene del 7 al 10% de SO2, según la
fuente de producción de SO2 (el valor inferior corresponde a plantas que tuestan piritas y el
superior a las que queman azufre), y de un 11 a 14% de O2, se precalienta y una vez
depurada al máximo, pasa a un convertidor de uno o más lechos catalíticos, por regla
general de platino o pentóxido de vanadio, donde se forma el SO3. Se suelen emplear dos o
más convertidores.
Los rendimientos de conversión del SO2 a SO3 en una planta en funcionamiento normal
oscilan entre el 96 y 97%, pues la eficacia inicial del 98% se reduce con el paso del tiempo.
En el segundo convertidor, la temperatura varía entre 500°C y 600ºC. Esta se selecciona
para obtener una constante óptima de equilibrio con una conversión máxima a un coste
mínimo. El tiempo de residencia de los gases en el convertidor es aproximadamente de 2-4
segundos.
Los gases procedentes de la catálisis se enfrían a unos 100ºC aproximadamente y atraviesan
una torre de óleum, para lograr la absorción parcial de SO3. Los gases residuales atraviesan
una segunda torre, donde el SO3 restante se lava con ácido sulfúrico de 98%. Por último, los
gases no absorbidos se descargan a la atmósfera a través de una chimenea.
La producción de ácido sulfúrico por combustión de azufre elemental presenta un mejor
balance energético pues no tiene que ajustarse a los sistemas de depuración tan rígidos
forzosamente necesarios en las plantas de tostación de piritas.
139
2.- Aplicación de Energía eólica e las plataformas de perforación
Existe una gran demanda de energía dentro del proceso de perforación de un pozo
petrolero, desde la operación de los equipos hasta el encendido de un horno eléctrico para
alimentarse. Por lo general los pozos se encuentran en regiones aisladas y a la intemperie o
en mar abierto, lo que permite el flujo continuo de aire, por lo cual surge la 2da propuesta,
que consiste en transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica, alternando
con los motogeneradores de diesel.
La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por
efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las
actividades humanas.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las
emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de
combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Sin embargo, el
principal inconveniente es su intermitencia.
140
Figura 47. Ilustración de Aspas de aire
Fuente: www.playasdominicanas.org/article-energia-eolica (2010)
141
Cálculos
Para determinar la energía eólica, en función de la velocidad del viento, se utiliza la
siguiente formula:
Para calcular la masa del aire, hacemos uso de la siguiente ecuación:
También sabemos que:
Entonces:
La densidad de los líquidos esta en funcion de la temperatura y presión a la que se
encuentre sometido, para determinar la densidad del aire se uso la siguiente ecuación:
Condiciones estándar, 25 °C y 1 atm, sabemos que a 1 atm de presion, Pman= 0.
142
Entonces:
Se presenta una tabla y gráfica de las diferentes densidades del aire a diferentes
temperaturas y diferentes presiones.
143
Tabla 7. Densidades del aire, con respecto a la temperatura y presión
Temparatura °C
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
0
1.293
1.270
1.247
1.226
1.205
1.185
1.165
1.146
1.128
1.110
1.093
1.076
1.060
1.044
Densiadad del aire (Kg/m3) a diferentes temperaturas y presiones
Presion manometrica (Psi)
5
10
15
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
1.733 2.173 2.612 3.052 3.932 4.811 5.691 6.570 7.450 8.330 9.209 10.089 10.968 11.848
1.702 2.133 2.565 2.997 3.861 4.725 5.589 6.452 7.316 8.180 9.044 9.907 10.771 11.635
1.672 2.096 2.520 2.944 3.793 4.641 5.490 6.338 7.187 8.035 8.884 9.732 10.581 11.429
1.643 2.059 2.476 2.893 3.727 4.561 5.395 6.228 7.062 7.896 8.730 9.563 10.397 11.231
1.615 2.024 2.434 2.844 3.663 4.483 5.303 6.122 6.942 7.761 8.581 9.400 10.220 11.040
1.587 1.990 2.393 2.796 3.602 4.408 5.214 6.019 6.825 7.631 8.437 9.243 10.049 10.854
1.561 1.958 2.354 2.750 3.543 4.335 5.128 5.920 6.713 7.505 8.298 9.090 9.883 10.675
1.536 1.926 2.316 2.705 3.485 4.265 5.044 5.824 6.604 7.383 8.163 8.943 9.722 10.502
1.511 1.895 2.279 2.662 3.429 4.197 4.964 5.731 6.498 7.266 8.033 8.800 9.567 10.334
1.488 1.865 2.243 2.620 3.376 4.131 4.886 5.641 6.396 7.151 7.907 8.662 9.417 10.172
1.465 1.836 2.208 2.580 3.323 4.067 4.810 5.554 6.297 7.041 7.784 8.528 9.271 10.015
1.442 1.808 2.174 2.541 3.273 4.005 4.737 5.469 6.201 6.933 7.666 8.398 9.130 9.862
1.421 1.781 2.142 2.502 3.224 3.945 4.666 5.387 6.108 6.829 7.551 8.272 8.993 9.714
1.400 1.755 2.110 2.465 3.176 3.886 4.597 5.307 6.018 6.728 7.439 8.149 8.860 9.570
144
Suponemos una velocidad promedio de 20 km/hr, que equivale aproximadamente a 6
m/seg, un aspa (radio de circunferencia) de 10 m. y una densidad del aire a condiciones
estándar, 25 °C y 1 atm, ρ=1.185 Kg/m3
Volviendo a la ecuación original:
A continuación se presenta una tabla y grafica de la energía cinética generada, con
diferentes velocidades de viento y diferentes tamaños de aspa.
145
Tabla 8. Energía cinética producida a diferentes diámetros de aspa y velocidades del viento
Velocidad del
viento (m/seg)
1
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Energia cinetica (KiloWatts)
Energia dicifnerentes
etica (KidiloaWatts)
meterosa dideferentes
aspa y veldiaometeros
cidades de viaspaentoy velocidades de viento
Tamaño de Aspa (m)m) radio de la circunferencia
10
15 16 17 18 19 20 21 22
0.13 0.29 0.33 0.38 0.42 0.47 0.52 0.57 0.63
1.04 2.34 2.67 3.01 3.38 3.76 4.17 4.60 5.04
8.34 18.76 21.34 24.09 27.01 30.09 33.34 36.76 40.35
28.13 63.30 72.02 81.31 91.15 101.56 112.54 124.07 136.17
66.69 150.05 170.72 192.73 216.07 240.74 266.75 294.09 322.77
130.25 293.06 333.44 376.42 422.01 470.20 521.00 574.40 630.40
225.07 506.41 576.18 650.45 729.23 812.50 900.28 992.56 1089.34
357.40 804.16 914.95 1032.89 1157.99 1290.22 1429.61 1576.15 1729.83
533.50 1200.37 1365.76 1541.81 1728.54 1925.93 2134.00 2352.73 2582.14
759.61 1709.13 1944.61 2195.28 2461.14 2742.20 3038.45 3349.89 3676.52
1041.99 2344.48 2667.50 3011.35 3376.05 3761.59 4167.96 4595.18 5043.24
.
23
24
25
26
27
28
29
0.69
5.51
44.10
148.83
352.78
689.02
1190.62
1890.66
2822.21
4018.34
5512.13
0.75
6.00
48.01
162.05
384.12
750.23
1296.40
2058.64
3072.96
4375.36
6001.87
0.81
6.51
52.10
175.84
416.80
814.06
1406.69
2233.77
3334.37
4747.57
6512.44
0.88
7.04
56.35
190.18
450.81
880.48
1521.47
2416.04
3606.46
5134.97
7043.86
0.95
7.60
60.77
205.10
486.15
949.51
1640.76
2605.47
3889.21
5537.57
7596.11
1.02
8.17
65.35
220.57
522.83
1021.15
1764.55
2802.04
4182.64
5955.35
8169.21
1.10
8.76
70.11
236.60
560.84
1095.39
1892.84
3005.76
4486.73
6388.33
8763.14
146
Figura 48. Densidades del aire, con respecto a la temperatura, Presión constante
147
Figura 49. Energía cinética producida a diferentes velocidades del viento, diámetro de 20 m.
148
3. Implementación de sistema de enfriamiento de lodo y obtención de vapor d agua
Dentro del pozo de perforación encontramos a la barrena girando a grandes velocidades,
para así perforar la tierra; en este proceso se genera un gran desprendimiento de calor
debido a la fricción entre la barrena y la tierra; el fluido de perforación es el encargado de
tomar este calor y llevarlo a la superficie, mas sin embargo este fluido no recibe ningún
tratamiento de enfriamiento. Disminuye su temperatura únicamente por convección natural
con el aire. Si lo vemos desde el punto de vista de ingeniería, nos daremos cuenta de la gran
cantidad de energía calorífica desperdiciada, la cual puede ser enfocada a un proceso
provechoso.
En este documento se presenta una posible solución a tal cuestión. El fluido de perforación
saliente del pozo puede hacerse pasar por un intercambiador de calor, con agua, en un
arreglo a contracorriente y a bajas presiones, para así poder disminuir el punto de ebullición
del agua y convertirla en vapor, el cual es más ventajoso en la industria.
El fluido de perforación sale a una temperatura aproximada de 80ºC, y si se pone en
contacto con agua a temperatura ambiente (20ºC), dando como resultado el siguiente
balance de energía:
Cp Lodo
38368 Kcal/min ºC (Aproximadamente)
Cp Agua = 4000 Kcal/min ºC
ced = Lodo
abs = Agua
149
Figura 50. Diagrama de sistema de intercambiador de calor al vacio.
150
ced =
abs =
ced
T1
abs (Aproximadamente)
T2 = T (Aproximadamente)
Flujos iguales, 4000 lt/min:
T= 74.335°C, redondeado a 75 °C
A esta temperatura se requiere de 0.3835 bars (0.38075 atm) de presión para ebullir el agua,
por lo cual se procederá a realizar un vacío.
Este es el volumen interior total del cilindro y como se pretende aumentar la eficiencia al
máximo, la mitad del volumen será de lodo y la otra mitad será de agua
Volumen de agua = 3.0159 m3
Volumen de lodo = 3.0159 m3
Asumimos 10 tubos interiores, por donde fluirá el lodo, por lo tanto:
151
Figura 51. Dimensiones del cilindro.
152
Por el grosor del tubo asumiremos que serán 31 cm de diámetro.
Las cuales ejercen esta presión:
El número de moles necesario para la presión de 0.38075 atm es:
Y la cantidad de moles a remover por medio de la bomba de vacío será de:
Con un flujo de 3000 lt/min
153
Se obtendrá dicha a presión en un tiempo de:
Compresor de las siguientes características
Se empleara un compresor o bomba de vacío para tomar el aire del interior del cilindro y
disminuir la presión, y se consideró el siguiente:

Bomba de vacío de dos etapas de anillo líquido.

De 30m3/h a 223 m3/h.

Hasta 33 mbar

Gases húmedos y secos

Temperatura del gas entrante 120ºC

Formato de motores B35ç

Materiales: Fundición gris/ metal no ferroso/ acero fino

60-66 db(A)
154
Etapa 1
Relación de Compresión
155
Etapa 2
= 111.014 Hp
A continuación se presentan una lista de temperaturas de ebullición del agua con sus
respectivas presiones, además se agregan datos como, moles necesarios a sacar del
volumen, flujo volumétrico, así como la potencia requerida por el compresor para llegar a
dicho vacío.
156
Tabla 9. Potencia necesaria para ejercer determinados vacíos
Flujo volumétrico
Potencia
Temp. ºC
Presión Bar
Presión atm
Moles a sacar
(lt/min.)
Hp
35
0,05628
0,05554
8,02947
3188,5823
96,2992
40
0,07384
0,07287
7,99233
3173,8339
95,8538
45
0,09593
0,09468
7,94561
3155,2808
95,2935
50
0,12349
0,12188
7,88732
3132,1336
94,5944
55
0,15758
0,15552
7,81522
3103,5019
93,7297
60
0,1994
0,19679
7,72677
3068,3779
92,6689
65
0,2503
0,24703
7,61912
3025,6278
91,3778
70
0,3119
0,30782
7,48883
2973,8909
89,8153
75
0,3858
0,38075
7,33254
2911,8234
87,9408
80
0,4739
0,46770
7,14620
2837,8295
85,7061
85
0,5783
0,57074
6,92540
2750,1455
83,0579
90
0,7014
0,69223
6,66504
2646,7557
79,9354
95
0,8455
0,83444
6,36027
2525,7283
76,2802
.
157
Figura 52. Potencia necesaria para ejercer determinados vacío
158
4.- Propuesta para variación de Filtradora en función de la Potencia y consumo de
Energía
Temblorinas o Filtradoras: Son agitadores encargados de la primera fase de remoción de
sólidos. En ellos se descargan los sólidos de tamaños mayores (150 micras). Su
funcionamiento es muy sencillo, consta de una mesa con una ligera inclinación que tiene
una malla, que cubre la superficie, que se somete a vibraciones, causando así que los
sólidos grandes permanezcan atrapados en las mallas, mientras que los líquidos pasan por la
malla, depositándose en la trampa de arena. La canasta se mueve circularmente uniforme.
Existen diversos tipos de mallas, que se miden de acuerdo a la escala de March, la cual
indica que una malla march 40, contiene 40 agujeros por pulgada lineal. Las mallas serán
seleccionadas de acuerdo al tipo de barrena utilizada y a la etapa de perforación.
La propuesta que se pretende lograr es aplicar diversos cambios al área de la malla y de
cómo se refleja en el consumo de energía y potencia de los motores.
Especificaciones recomendadas de equipo:

Fuerza G mínima => 5 Gs

Área de malla mínima 100 ft2

Tipo de movimiento Circular o elíptico balanceado
159
Figura 53. Temblorina o Filtradora
160
Figura 54. Componentes de Temblorina o Filtradora
Fuente: Schlumberger (2000)
161
Cálculos
Para determinar la energía potencial, se utiliza la siguiente formula:
Sabemos que la fuerza G utilizada es de 5G’s, por lo cual son 5 veces la fuerza de
gravedad:
También sabemos que la densidad del lodo es de:
Y que las dimensiones de la malla son de:
Alteraremos el largo de la malla, de 20 a 25 pies, para ilustrar las operaciones que se
realizaron para determinar los valores de potencia y energia:
Tambien sabemos que:
Por lo tanto:
162
Volviendo a la ecuación original, asumiendo que asciende una altura de 0.1 m y una
eficiencia del 60%:
Ahora calcularemos la potencia requerida en un día (86400 segundos):
Se muestran tres tablas y una gráfica de las tres tablas, mostrando el comportamiento de las
energías y las potencias, alterando los valores de las dimensiones de la malla (espesor, largo
y ancho).
163
Tabla 10. Diferentes cargas, cambio de largo de malla
Largo (pie)
Volumen (pie3)
Volumen (m3)
Energía (Joule)
HP
KW Hr
15
20
25
30
35
40
5.25
7
8.75
10.5
12.25
14
0.1487
0.1982
0.2478
0.2973
0.3469
0.3964
1701.4531
2268.6042
2835.7552
3402.9062
3970.0573
4537.2083
0.0000264
0.0000352
0.0000440
0.0000528
0.0000616
0.0000704
472.487
629.982
787.478
944.973
1102.469
1259.965
164
Tabla 11. Diferentes cargas, cambio del ancho de malla
Ancho (pie)
Volumen (pie3)
Volumen (m3)
Energía (Joule)
HP
KW Hr
3
5
7
9
11
13
4.2
7
9.8
12.6
15.4
18.2
0.1189
0.1982
0.2775
0.3568
0.4361
0.5154
1361.1625
2268.6042
3176.0458
4083.4875
4990.9292
5898.3708
0.000021
0.000035
0.000049
0.000063
0.000077
0.000092
377.9894
629.9823
881.9753
1133.9682
1385.9611
1637.9541
165
Tabla 12. Diferentes cargas, cambio de espesor de malla
Espesor (m)
Volumen (m3)
Energía (Joule)
HP
KW Hr
0.0212
0.0225
0.025
0.0275
0.03
0.1970
0.2091
0.2323
0.2556
0.2788
2254.9628
2393.2388
2659.1543
2925.0697
3190.9851
0.000035
0.000037
0.000041
0.000045
0.000050
626.1942
664.5929
738.4365
812.2802
886.1238
166
Figura 55. Diferentes curvas de carga