Doctorado en Ingeniería Química · 2015
Diseño de una metodología para lograr una combustión eco-eficiente y segura de mezclas de gases
La combustión ha sido un proceso clave para el desarrollo de la humanidad, aunque actualmente se encuentra ante la incertidumbre del agotamiento de los combustibles fósiles, lo que sumado al impacto ambiental por la generación de emisiones y su incidencia en el efecto invernadero, ha proporcionado el impulso para el desarrollo de investigaciones tendientes al uso eficiente de los combustibles y al desarrollo tecnológico en el área de la combustión asociado a la eco-eficiencia de los procesos [1]. La composición de las mezclas combustibles utilizadas en procesos industriales varía de acuerdo a sus características [2] y para enfrentar los problemas generados por la variabilidad de la composición de los combustibles [3,4,5,6], se diseñó una metodología para la gestión eco-eficiente de los procesos de combustión, integrando aspectos energéticos, ambientales y de seguridad operacional según los lineamientos de la norma ISO 50001, aplicando el ciclo Planificar- Hacer- Verificar - Actuar (PHVA) [7]. La aplicación de la metodología para la gestión eco-eficiente de la combustión se realizó tomando como caso de estudio la red de gas combustible de la industria de refinación del petróleo, teniendo en cuenta el impacto de esta industria en los aspectos económicos, ambientales y sociales a nivel nacional e internacional. La metodología diseñada permite caracterizar la red combustible en cuanto a la cantidad, calidad y condiciones de operación; evalúa el desempeño energético, ambiental y la seguridad de procesos mediante el modelo de combustión y establece las herramientas para el seguimiento y control del proceso de combustión. Para el desarrollo de esta investigación se contó con la colaboración de ECOPETROL S.A y la Universidad Sapienza de Roma (Italia) y Universidad Técnica Federico Santa María (Chile) para la realización de la pasantía.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 13
- 1.COMBUSTIÓN DE MEZCLAS DE GASESp. 15
- 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAp. 15
- 1.2 ESTADO DEL ARTEp. 17
- 1.3 HIPÓTESISp. 25
- 1.4 OBJETIVOSp. 25
- 1.4.1 Objetivo Generalp. 25
- 1.4.2 Objetivos específicosp. 25
- 1.5 ASPECTOS METODOLÓGICOSp. 26
- COMBUSTIÓN DE MEZCLAS DE GASESp. 15
- 2.1 INTRODUCCIÓNp. 13
- 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOSp. 32
- 2.2.1 Norma ISO 50001p. 27
- 2.2.2 Sistema de gestiónp. 34
- 2.3.1 Revisión bibliográficap. 27
- 2.3.2 Procesamiento de la informaciónp. 35
- 2.3.3. Estructuración de la metodologíap. 35
- 2.4 RESULTADOSp. 33
- 2.4.1 Etapa Planearp. 38
- 2.4.2 Etapa Hacerp. 42
- 2.4.3. Etapa Verificarp. 43
- 2.4.4 Etapa Actuarp. 44
- 2.5 CONCLUSIONESp. 45
- ECOEFICIENTESp. 47
- 3.1 INTRODUCCIÓNp. 13
- 3.2 REVISIÓN LITERARIAp. 48
- 3.3 METODOLOGÍAp. 49
- 3.3.1. Selección de informaciónp. 50
- 3.3.2 Etapas de pre y procesamiento de datosp. 50
- 3.4 RESULTADOSp. 33
- 3.4.1 Análisis cienciométrico de patentesp. 51
- 3.4.2 Análisis cienciométrico de producción científicap. 55
- 3.5 CONCLUSIONESp. 45
- 4. CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO DE COMBUSTIÓNp. 62
- 4.1. INTRODUCCIÓNp. 13
- 4.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOSp. 32
- 4.2.1 Poder caloríficop. 64
- 4.2.2 Temperatura adiabática de llamap. 65
- 4.2.3 Eficiencia del procesop. 65
- 4.2.4 Dióxido de carbono equivalente (CO2 equivalente)p. 66
- COMBUSTIÓNp. 29
- 4.4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOSp. 68
- 4.4.1. Inventario de corriente de gases aportantes a la red de combustiblep. 68
- 4.4.2. Evaluación de mezclas de gases combustiblesp. 73
- 4.5 CONCLUSIONESp. 45
- 5. MODELO PARA EL PROCESO DE COMBUSTIÓNp. 79
- 5.1 INTRODUCCIÓNp. 13
- 5.2 FUNDAMENTO TEÓRICOp. 80
- 5.3 METODOLOGÍAp. 49
- 5.3.1 Definición de variables dependientes e independientesp. 87
- 5.3.2 Diseño de experimentosp. 88
- 5.3.3 Equipo para evaluación experimentalp. 89
- 5.3.4 Evaluación computacional de la combustión de mezclas de gasesp. 92
- 5.4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOSp. 68
- 5.4.1 Emisiones generadas en la combustión de las mezclas representativasp. 93
- 5.4.2 Temperatura de combustiónp. 101
- 5.4.3 Velocidad de frente de combustión:p. 105
- 5.5 CONCLUSIONESp. 45
- LA METODOLOGÍA DE GESTIÓN ECO-EFICIENTEp. 108
- 6.1 INTRODUCCIÓNp. 13
- 6.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOSp. 32
- 6.2.1 Indicadores de gestiónp. 109
- 6.2.2 Lógica difusap. 44
- 6.2.3 Inferencia difusap. 114
- 6.3 METODOLOGÍA:p. 115
- 6.4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOSp. 68
- 6.4.1 Indicador de eco-eficienciap. 117
- 6.4.2 Procedimientos para la gestión eco-eficiente y segura de la combustiónp. 126
- 6.5 CONCLUSIONESp. 45
- 7. CONCLUSIONES GENERALESp. 133
- 8. NOVEDAD CIENTÍFICAp. 135
- 8.1. Generación de nuevo conocimiento o desarrollo tecnológicop. 135
- 8.2. Fortalecimiento de la capacidad científica y tecnológica:p. 135
- 8.3. Apropiación social de conocimientop. 136
- BIBLIOGRAFÍAp. 140
- ANEXOSp. 160
- Tabla 1. Fases, etapas, actividades y recursos de la metodología diseñadap. 37
- energéticap. 29
- Tabla 4. Líderes en producción científicap. 56
- Tabla 5. Frecuencia acumulada de áreas declaradas en los trabajosp. 57
- Tabla 6. Factores de emisiónp. 66
- Tabla 7. Composición de las corrientes aportantes a la red de combustiblep. 72
- Tabla 8. Condiciones de procesop. 73
- Tabla 9. Características de los compuestos representativos de las mezclasp. 74
- Tabla 10. Mezclas representativasp. 75
- Tabla 11. Lista de especies para mecanismos de cinética químicap. 86
- Tabla 12. Variables identificadas para el estudiop. 88
- Tabla 13. Número de experimentosp. 89
- Tabla 14: Composición Gas naturalp. 93
- Tabla 15. Resultados de la simulación en PREMIX de Gas Natural Chilep. 94
- Tabla 16. Valores de CO2 generado en las pruebas experimentalesp. 94
- Tabla 17. Tabla ANOVA para porcentaje de CO2p. 95
- Tabla 18. Composición de mezclas representativasp. 99
- Tabla 20. Tabla ANOVA para valores de temperatura de combustiónp. 101
- Tabla 21. Criterios para selección de indicadoresp. 110
- Tabla 22. Entradas del modelo difusop. 118
- eficienciap. 36
- Figura 1. Beneficios del sistema de gestión de la energíap. 31
- Figura 2. Evolución de la gestión energéticap. 32
- Figura 3. Ciclo Planifica- Hacer- Verificar – Actuar (PHVA)p. 33
- Figura 4. Esquema del sistema de gestiónp. 34
- la combustión de mezclas de gasesp. 35
- Figura 6. Esquema general de la metodología diseñadap. 36
- Figura 7. Etapa Planearp. 39
- Figura 8. Modelo de gestiónp. 40
- Figura 9. Estructura del sistema de gestiónp. 40
- Figura 10. Estructura etapa Hacerp. 43
- Figura 11. Estructura etapa verificaciónp. 44
- Figura 12. Estructura de la etapa Actuarp. 45
- Figura 13. Evolución de patentes en el tiempo en el área de combustiónp. 51
- Figura 14. Mapa SOMp. 54
- Figura 15. Evolución en el tiempo de publicacionesp. 56
- Figura 16. Mapa SOMp. 58
- Figura 17. Metodología para la caracterización del proceso de combustiónp. 67
- Figura 18. Localización de la unidad de Viscorreducciónp. 69
- Figura 19. Hornos de Viscorreducciónp. 70
- combustiblep. 29
- general de procesop. 72
- Figura 22. Esquema simplificado del mecanismo de oxidación de alcanosp. 85
- energética y las emisiones ambientalesp. 87
- Figura 24. Esquema del equipo de reacciónp. 92
- Figura 25. Emisiones de CO y CO2 en función de la relación de equivalenciap. 96
- Figura 26: Porcentaje de H2 en función de relación de equivalenciap. 97
- Figura 28. Poder calorífico de las mezclas representativasp. 100
- Figura 29. CO2 y CO en función de la composición de la mezclap. 100
- Figura 30. Temperatura en función de la relación de equivalencia (φ)p. 102
- Figura 31. Termogramas de un horno de refineríap. 103
- relación de equivalenciap. 88
- Figura 33. Temperatura en función de la composición de la mezclap. 105
- Figura 35. Esquema del sistema difusop. 114
- Figura 36. Etapas para la elaboración del indicadorp. 115
- Figura 37. Estructura del modelo de lógica difusa utilizadop. 117
- Figura 38. Reglas de conocimientop. 120
- Figura 39. Modelo difusop. 121
- óptima)p. 123
- Figura 42 Cálculo del indicador de eco-eficienciap. 125
- Figura 43. Diagrama general para el diseño de la red de combustiblep. 129