Estudio de la valorización de un gas residual industrial mediante su hidrogenación y diseño preliminar de una planta de producción.

Abstract

La valorización de gases ricos en CO2 es de interés mundial debido a la gran emisión de gases de efecto invernadero producidos por la industria. Debido a ello existe una gran cantidad de estudios donde, a partir de estos gases, se forman productos de interés comercial, tales como metano, metanol e hidrocarburos. Este trabajo se enfocó en el estudio de la valorización de un gas residual proveniente de la industria siderúrgica, mediante su hidrogenación, así como en diseño preliminar de una planta de producción. La elección del producto resultó de una extensa revisión bibliográfica. Se evaluaron diversas vías para la valorización y se optó por la producción de hidrocarburos a través de la reacción de Fischer Tropsch (FTS) facilitada por la reverse water gas shift (RWGS). Algunos motivos de esta selección corresponden a la mayor potencia energética de los hidrocarburos en comparación con el metano, además de su capacidad para ser almacenados de manera más sencilla. Se examinaron los impactos de la presión y la temperatura en la mezcla gaseosa resultante de las operaciones del alto horno y la planta de coque de la empresa Siderúrgica Huachipato, tanto para la reacción de FTS como para la RWGS. Las condiciones operativas se simularon utilizando el software Aspen Plus. Se obtuvo que para una presión de 20 bar se requiere una temperatura de 950°C para lograr una casi completa eliminación del CO2 presente en la mezcla gaseosa. A temperaturas inferiores a 450°C, debido a la composición del gas residual, prevalece la formación de metano, lo que llevó a la decisión de hidrogenar el gas en un reactor cinético alejado del equilibrio termodinámico. En el diseño del reactor de síntesis de Fischer Tropsch, se optó por un flujo pistón con cinética rigurosa, con una longitud de 1,53 m y 678 tubos, manejando un flujo volumétrico de 4140 m3/h en la entrada. El reactor emplea 900 kg de catalizador de hierro. Se alcanzó una conversión del 98% del CO alimentado desde el reactor RWGS, operando a 190°C y 20 bar. Se aplicó una corrección a la distribución Anderson-Schulz-Flory, basada en el trabajo de Försch et al. (2015), usando datos experimentales de Gorimbo et al. (2018), lo que produjo la misma distribución de hidrocarburos para todas las temperaturas evaluadas en el reactor FTS. Los resultados de la ingeniería conceptual de la planta de hidrogenación indican una viabilidad técnica y económica del proyecto, con un valor actual neto (VAN) de $7.297.850 USD y una tasa interna de retorno (TIR) de 0,22 para un periodo de 4 años. A pesar de que la composición del gas sugiere que la metanación sería la opción lógica para su valorización, este estudio demuestra que la hidrogenación hacia hidrocarburos también es factible.

The valorization of CO2 rich gases is of global interest due to the significant greenhouse gas emissions produced by the industry. As a result, there is a considerable amount of research where, from these gases, commercially valuable products are formed, such as methane, methanol, and hydrocarbons. This study focused on the valorization of residual gas from the steel industry through hydrogenation and the preliminary design of a production plant. The choice of product resulted from an extensive literature review. Various pathways for valorization were evaluated, and the production of hydrocarbons via the Fischer Tropsch (FTS) reaction facilitated by the reverse water gas shift (RWGS) was selected. Some reasons for this choice include the higher energy potential of hydrocarbons compared to methane, as well as their easier storage capability. The impacts of pressure and temperature on the resulting gas mixture from the operations of the blast furnace and coke plant of Siderúrgica Huachipato were examined, both for the FTS reaction and the RWGS. The operational conditions were simulated using Aspen Plus software. It was determined that a pressure of 20 bar requires a temperature of 950°C to achieve near-complete removal of CO2 present in the gas mixture. At temperatures below 450°C, due to the composition of the residual gas, methane formation prevails, leading to the decision to hydrogenate the gas in a kinetically controlled reactor, away from thermodynamic equilibrium. In the design of the Fischer Tropsch synthesis reactor, a piston flow with rigorous kinetics was chosen, with a length of 1,53 m and 678 tubes, handling a volumetric flow of 4140 m3/h at the inlet. The reactor employs 900 kg of iron catalyst. A 98% conversion of CO fed from the RWGS reactor was achieved, operating at 190°C and 20 bar. A correction was applied to the Anderson-Schulz-Flory distribution, based on the work of Försch et al. (2015), using experimental data from Gorimbo et al. (2018), resulting in the same hydrocarbon distribution for all temperatures evaluated in the FTS reactor. The conceptual engineering results for the hydrogenation plant indicate technical and economic feasibility of the project, with a Net Present Value (NPV) of $7.297.850 USD and an Internal Rate of Return (IRR) of 0,22 over a 4 year period. Despite the gas composition suggesting that methanation would be the logical choice for valorization, this study demonstrates the feasibility of hydrogenation towards hydrocarbons.