130

PROPUESTAS

ADICIONALES

PARA EL

PROCESO

131

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

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 NO + SO3

SO3 + H2O 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 2.HNO2

HNO2 + H2SO3 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

Densiadad del aire (Kg/m3) a diferentes temperaturas y presiones

Presion manometrica (Psi)

Temparatura °C 0 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

0 1.293 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

5 1.270 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

10 1.247 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

15 1.226 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

20 1.205 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

25 1.185 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

30 1.165 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

35 1.146 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

40 1.128 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

45 1.110 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

50 1.093 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

55 1.076 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

60 1.060 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

65 1.044 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

Energia cinetica (KiloWatts) a diferentes diameteros de aspa y velocidades de viento Energia cinetica (KiloWatts) a diferentes diameteros de aspa y velocidades de viento

Velocidad del Tamaño de Aspa (m)m) radio de la circunferencia

viento (m/seg) 10 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

1 0.13 0.29 0.33 0.38 0.42 0.47 0.52 0.57 0.63 0.69 0.75 0.81 0.88 0.95 1.02 1.10

2 1.04 2.34 2.67 3.01 3.38 3.76 4.17 4.60 5.04 5.51 6.00 6.51 7.04 7.60 8.17 8.76

4 8.34 18.76 21.34 24.09 27.01 30.09 33.34 36.76 40.35 44.10 48.01 52.10 56.35 60.77 65.35 70.11

6 28.13 63.30 72.02 81.31 91.15 101.56 112.54 124.07 136.17 148.83 162.05 175.84 190.18 205.10 220.57 236.60

8 66.69 150.05 170.72 192.73 216.07 240.74 266.75 294.09 322.77 352.78 384.12 416.80 450.81 486.15 522.83 560.84

10 130.25 293.06 333.44 376.42 422.01 470.20 521.00 574.40 630.40 689.02 750.23 814.06 880.48 949.51 1021.15 1095.39

12 225.07 506.41 576.18 650.45 729.23 812.50 900.28 992.56 1089.34 1190.62 1296.40 1406.69 1521.47 1640.76 1764.55 1892.84

14 357.40 804.16 914.95 1032.89 1157.99 1290.22 1429.61 1576.15 1729.83 1890.66 2058.64 2233.77 2416.04 2605.47 2802.04 3005.76

16 533.50 1200.37 1365.76 1541.81 1728.54 1925.93 2134.00 2352.73 2582.14 2822.21 3072.96 3334.37 3606.46 3889.21 4182.64 4486.73

18 759.61 1709.13 1944.61 2195.28 2461.14 2742.20 3038.45 3349.89 3676.52 4018.34 4375.36 4747.57 5134.97 5537.57 5955.35 6388.33

20 1041.99 2344.48 2667.50 3011.35 3376.05 3761.59 4167.96 4595.18 5043.24 5512.13 6001.87 6512.44 7043.86 7596.11 8169.21 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 abs (Aproximadamente)

T1 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 m

3/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

.

Temp. ºC Presión Bar Presión atm Moles a sacar

Flujo volumétrico

(lt/min.)

Potencia

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 5.25 0.1487 1701.4531 0.0000264 472.487

20 7 0.1982 2268.6042 0.0000352 629.982

25 8.75 0.2478 2835.7552 0.0000440 787.478

30 10.5 0.2973 3402.9062 0.0000528 944.973

35 12.25 0.3469 3970.0573 0.0000616 1102.469

40 14 0.3964 4537.2083 0.0000704 1259.965

164

Tabla 11. Diferentes cargas, cambio del ancho de malla

Ancho (pie) Volumen (pie3) Volumen (m3) Energía (Joule) HP KW Hr

3 4.2 0.1189 1361.1625 0.000021 377.9894

5 7 0.1982 2268.6042 0.000035 629.9823

7 9.8 0.2775 3176.0458 0.000049 881.9753

9 12.6 0.3568 4083.4875 0.000063 1133.9682

11 15.4 0.4361 4990.9292 0.000077 1385.9611

13 18.2 0.5154 5898.3708 0.000092 1637.9541

165

Tabla 12. Diferentes cargas, cambio de espesor de malla

Espesor (m) Volumen (m3) Energía (Joule) HP KW Hr

0.0212 0.1970 2254.9628 0.000035 626.1942

0.0225 0.2091 2393.2388 0.000037 664.5929

0.025 0.2323 2659.1543 0.000041 738.4365

0.0275 0.2556 2925.0697 0.000045 812.2802

0.03 0.2788 3190.9851 0.000050 886.1238

166

Figura 55. Diferentes curvas de carga