optimización de una planta industrial para la producción

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Optimización de una planta industrial para la producción de hidrógeno mediante la disociación de agua a través del ciclo termoquímico azufre-yodo. Optimization of an industrial plant for the hydrogen production by water-splitting through the sulfur-iodine thermochemical cycle. Laura Correa Galeano El ciclo termoquímico del azufre yodo ofrece un aproximación prometedora para la producción de hidrógeno a gran escala. El proceso fue propuesto originalmente por General Atomics en los años 70 y desde entonces ha recibido una gran atención debido a sus múltiples ventajas, como son sus altas eficiencias térmicas y la posibilidad de acoplarse a una fuente de energía nuclear. Sin embargo, es necesario realizar un gran número de mejoras técnicas antes de que el proceso pueda llevarse a nivel industrial. En este trabajo se propone el diagrama de flujo de proceso de una planta industrial de producción de hidrógeno mediante el ciclo termoquímico azufre-yodo para luego implementarse en el software AspenPlus™. Con base en la simulación se realiza una optimización secuencial sobre la planta, con el objetivo de disminuir el consumo energético y por lo tanto los costos operacionales del proceso. Como resultado de la optimización y de una integración energética sobre la red de intercambiadores es posible una reducción de los requerimientos energéticos y eléctricos de los equipos que componen el proceso. Introducción La disponibilidad decreciente de combustibles fósiles, sumada a la inminencia del calentamiento global, ha llevado a la necesidad de una restructuración del sistema energético actual. Diversas son las opciones de energía alternativa que han sido objeto de estudio en los

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Page 1: Optimización de una planta industrial para la producción

Optimización de una planta industrial para la producción de

hidrógeno mediante la disociación de agua a través del ciclo

termoquímico azufre-yodo.

Optimization of an industrial plant for the hydrogen production by water-splitting through

the sulfur-iodine thermochemical cycle.

Laura Correa Galeano

El ciclo termoquímico del azufre yodo ofrece un aproximación prometedora

para la producción de hidrógeno a gran escala. El proceso fue propuesto

originalmente por General Atomics en los años 70 y desde entonces ha recibido

una gran atención debido a sus múltiples ventajas, como son sus altas eficiencias

térmicas y la posibilidad de acoplarse a una fuente de energía nuclear. Sin

embargo, es necesario realizar un gran número de mejoras técnicas antes de que

el proceso pueda llevarse a nivel industrial. En este trabajo se propone el

diagrama de flujo de proceso de una planta industrial de producción de

hidrógeno mediante el ciclo termoquímico azufre-yodo para luego

implementarse en el software AspenPlus™. Con base en la simulación se realiza

una optimización secuencial sobre la planta, con el objetivo de disminuir el

consumo energético y por lo tanto los costos operacionales del proceso. Como

resultado de la optimización y de una integración energética sobre la red de

intercambiadores es posible una reducción de los requerimientos energéticos y

eléctricos de los equipos que componen el proceso.

Introducción

La disponibilidad decreciente de combustibles fósiles, sumada a la inminencia del

calentamiento global, ha llevado a la necesidad de una restructuración del sistema energético

actual. Diversas son las opciones de energía alternativa que han sido objeto de estudio en los

Page 2: Optimización de una planta industrial para la producción

últimos años. Dentro de estas, el hidrógeno se ha situado como una de las opciones más

atractivas a largo plazo.

Actualmente, la mayor parte del hidrógeno producido a nivel mundial se obtiene a partir de

gas natural y combustibles fósiles. Está vía de producción, además de presentar una mínima

diferencia neta con respecto a las emisiones contaminantes, también sitúa el hidrógeno como

una alternativa no competitiva frente a otras opciones energéticas [1]. Como recurso, la

producción de hidrógeno a partir de la descomposición del agua se ha establecido como una

propuesta más atractiva, debido a que no involucra la presencia de combustibles fósiles o

gases invernadero [2]. Sin embargo, las condiciones a las cuales el agua se descompone

espontáneamente son lo suficientemente extremas para ser descritas como imprácticas, esto

sumado a que las moléculas diatómicas resultantes sometidas a dichas condiciones son

inestables.

Como solución a esta dificultad, más de 200 ciclos termoquímicos han sido propuestos para

la descomposición del agua mediante reacciones que requieren considerablemente menor

cantidad de energía [1]. Entre estas propuestas, el ciclo termoquímico del azufre-yodo (S-I)

propuesto por primera vez en los años 70 por General Atomics (GA) ha sido favorablemente

considerado debido a sus altas eficiencias térmicas y a que el proceso sólo involucra fases

fluidas [3] [4].

A pesar de las múltiples ventajas y la alta viabilidad del ciclo S-I respecto a otros procesos

energéticos, es necesario realizar una gran cantidad de mejoras técnicas antes de que el

proceso pueda ser llevado a la práctica.

El propósito de este trabajo es implementar la optimización de una planta para la producción

de hidrógeno basada en el proceso de disociación de agua previamente mencionado, con la

finalidad de determinar las condiciones de operación que maximicen la función económica

de la planta.

Inicialmente se realiza un análisis de la termodinámica del sistema, el cual es fundamental

para su correcta simulación. Se desarrolla el diagrama de bloques de proceso, se plantean los

diagramas de flujo y las condiciones de operación preliminares correspondientes a cada

sección del ciclo, para luego implementarse en el software Aspen Plus™. Se realiza una

optimización paramétrica de los equipos críticos del proceso y se discuten los resultados de

la optimización. Por último se presenta el diagrama de flujo definitivo con el respectivo

balance de materia y se plantea la integración energética de la red de intercambiadores.

Page 3: Optimización de una planta industrial para la producción

1. Estado del arte

Varias reacciones acopladas han sido propuestas para la producción de hidrógeno a partir de

agua, siendo el ciclo termoquímico del azufre-yodo uno de los diseños más prometedores

[5]. De forma general, este proceso involucra la descomposición de ácido sulfúrico y acido

yodhídrico, junto con la regeneración de los reactivos mediante la reacción de Bunsen [6].

El proceso para la producción de hidrógeno mediante el ciclo S-I, introducido inicialmente

por General Atomics generalmente se presenta separado en tres secciones. Cada una de estas

secciones asociada a una reacción química primaria [7].

La primera sección del proceso consta de la reacción exotérmica llamada reacción de Bunsen

(Ec.1), la cual es llevada a cabo en fase líquida. Los productos de esta reacción forman dos

fases inmiscibles. Una fase poli-yodhídrica rica en yodo y ácido yodhídrico y otra fase rica

en ácido sulfúrico. Esta primera sección también incluye la separación de las dos fases y la

purificación del oxígeno antes de ser liberado.

En la segunda sección del proceso, la fase rica en H2SO4 es concentrada mediante

evaporación de agua, para luego introducirse en un reactor de fase gaseosa en el cual ocurre

una reacción de descomposición que transforma el H2SO4 en agua, dióxido de azufre y

oxígeno (Ec.2). En la tercera sección, la fase que contiene HI se introduce a una columna de

destilación reactiva en la cual se realiza finalmente la descomposición del HI en hidrógeno y

yodo (Ec.3). Tanto el SO2 como el I2, junto con el exceso de agua, son recirculados a la

primera sección del proceso, donde se alimentan como reactivos al reactor de Bunsen.

Extensos estudios de la complejidad de la termodinámica han sido realizados. El modelo

termodinámico de Neumann fue propuesto en 1987 para modelar la interacción

termodinámica del sistema H2O-HI. Neumann realizó una modificación del modelo NRTL

haciendo varias simplificaciones y determinando los parámetros binarios mediante

regresiones de datos experimentales de presión total y del equilibrio líquido-líquido de

soluciones de HI-H2O y de HI-I2-H2O [8].

Page 4: Optimización de una planta industrial para la producción

Modificaciones sobre el modelo original propuesto por Neumman han sido formuladas [8].

Estas se basan en un nuevo número de solvatación del sistema HI-H2O y nuevos valores en

los parámetros de no-aleatoriedad del modelo NRTL. El modelo de coeficientes de actividad

UNIQUAC, combinados con el modelo de solvatación de Engels, ha sido considerado como

apropiado para describir la termodinámica de la etapa que involucra la reacción Bunsen [9].

Estudios acerca de la cinética de la descomposición del yoduro de hidrogeno en el ciclo S-I

demuestran la sensibilidad del tiempo de reacción a cambios en temperatura y presión [10]

Un diagrama de flujo de cada sección del proceso de producción de hidrógeno mediante el

ciclo de S-I ha sido propuesto por GA [6]. Algunas propuestas alternas incluyen la

posibilidad de introducir un reactor con una celda de electrodiálisis y una membrana para el

rompimiento del azeótropo del sistema HI-I2-H2O [11]. Un análisis secuencial y jerárquico

de la factibilidad de ciclo y un diseño preliminar de una columna de destilación reactiva

aplicada a la descomposición del HI ha sido previamente efectuado [5].

El diseño de la planta piloto de las tres etapas del proceso, junto con una optimización

manual de factores como la razón de reflujo, número de etapas y presión de operación de la

columna de destilación reactiva, fue realizado para confirmar la viabilidad del ciclo [2].

Una optimización del ciclo de S-I puede realizarse para producir una solución de HI en agua

por encima de la composición azeotrópica [7]. Mediante la introducción de torres de

extracción y equipos de separación flash, se ha encontrado una disminución en las

condiciones de temperatura y presión respecto a las empleadas en métodos como la

destilación reactiva.

Análisis económicos de algunas propuestas de diseño de plantas de S-I para la producción de

hidrógeno han sido realizados, encontrando una producción óptima de H2 [12]. Los estudios

más recientes incluyen la evaluación económica y energética de la posibilidad de usar el

ciclo S-I en una versión abierta a nivel industrial [13].

Page 5: Optimización de una planta industrial para la producción

2. Descripción General del Proceso

La reacción global del ciclo involucra la descomposición de agua para producir hidrógeno y

oxígeno. Esta transformación se lleva a cabo en tres etapas. La sección I consiste

principalmente en la reacción de Bunsen. Como producto de esta reacción se obtienen dos

fases líquidas inmiscibles, una fase ligera que consta de ácido sulfúrico y agua, y una fase

pesada, que contiene agua, yodo y ácido yodhídrico. El ácido sulfúrico disuelto es enviado a

la sección II del ciclo, en la cual el ácido se concentra eliminando gran parte del agua para

luego descomponerse a altas temperaturas. Como resultado de la descomposición del H2SO4

se obtiene SO2, que es reciclado como reactivo de la reacción de Bunsen, y O2 que es

liberado del ciclo. La total descomposición del H2SO4 muy pocas veces se alcanza, por lo

tanto éste se separa de los productos gaseosos y se recicla dentro de la misma sección.

La mezcla de I2, H2O y HI es llevada a la sección III, en la cual es adecuada y llevada a una

columna de destilación reactiva. Dentro de la columna, el HI se descompone en I2 y H2,

obteniéndose el hidrógeno por la cima de la columna. El yodo que sale por los fondos, es

reciclado a la sección I del ciclo. El diagrama de bloques del proceso se presenta en la Figura

1 .

H2OHII2

Reacción de BunsenSeparación de fases

ácidas

Concentración del H2SO4

Separación al vacío de H2SO4

Descomposición del H2SO4

Separación del ácido

Preparación del HIDescomposición del

HI

Separación del O2

H2O

H2OH2SO4

HII2

H2OH2SO4

H2OHII2

H2OHII2

H2

H2O

H2OH2SO4

H2OH2SO4

H2OH2SO4

SO2

O2

H2OH2SO4

H2OSO2

O2

O2

H2OSO2

1 2 3

6

4

5

678

9

10

11

13

H2OHII2

Sección II

Sección I Sección III

12

Figura 1. Diagrama de Bloques del Ciclo Termoquímico S-I

Page 6: Optimización de una planta industrial para la producción

3. Análisis de la Termodinámica

La temperatura requerida para efectuar la termólisis directa del agua en hidrógeno y oxígeno

y obtener un rendimiento significativo es mayor a los 2800K. A esta temperatura la energía

libre de Gibbs estándar de descomposición del agua es de +120 kJ mol-1

[14]. A condiciones

estándar de 1 bar y 25°C la energía libre de Gibbs es aún mayor, alcanzando los +240.2 kJ

mol-1

[15] [16].

La magnitud del valor de ΔG° se debe a que una gran cantidad de energía es requerida para

poder romper el enlace OH de la molécula de agua. Los ciclos termoquímicos se presentan

como una alternativa para descomponer el agua en sus moléculas diatómicas mediante una

serie de reacciones que incluyen otras sustancias químicas.

La reacción de Bunsen tiene una energía libre de Gibbs estándar a 400K de +82 kJ mol-1

. El

valor positivo de ΔG° implica una constante de equilibrio extremadamente pequeña. Por lo

tanto, a la temperatura especificada, la formación de los ácidos HI y H2SO4 no se favorece

termodinámicamente. Sin embargo, de acuerdo con el principio de Le Châtelier, cualquier

exceso en los reactivos se consumirá para producir los ácidos. De hecho, el yodo en exceso

además de favorecer la producción de los ácidos, permite su separación espontánea en dos

fases. La separación de las dos fases es el resultado de la formación de poliyoduros que

resultan de la solvatación de los iones de yodo por el yodo molecular [9]. Por otro lado, el

exceso de agua permite la dilución de los ácidos con una energía libre de Gibbs estándar

negativa.

Las reacciones de solvatación, junto con el valor de la energía libre de Gibbs estándar de

estas reacciones se presentan continuación [17],

La estequiometria de la reacción de Bunsen se puede por lo tanto expresar de la forma,

Page 7: Optimización de una planta industrial para la producción

La reacción de la (Ec.6) tiene un energía libre de Gibbs estándar ΔG°(400 K) de -88 kJ mol-1

,

favoreciendo termodinámicamente la formación de las fases ácidas.

La reacción de descomposición del ácido sulfúrico a 1100K tiene una energía libre de Gibbs

estándar de 40 kJmol-1

y la reacción de descomposición de yoduro de hidrógeno, la cual

permite obtener el hidrógeno molecular tiene una energía libre de Gibbs estándar de +12

kJmol-1

a 550K [18].

La energía libre de Gibbs del ciclo es por lo tanto de -36 kJmol-1

. El cambio de signo

representa que termodinámicamente es más favorable realizar la descomposición del agua

mediante la serie de reacciones del ciclo termoquímico que realizarla mediante una

termólisis directa.

Adicionalmente, cuando se realiza una descomposición directa, los productos deben ser

templados para evitar que se recombinen durante la etapa de enfriamiento. Mediante un ciclo

termoquímico la separación del hidrógeno y el oxígeno es mucho más fácil debido a que se

producen en diferentes reacciones.

4. Selección de Modelos Predictores de Propiedades

Uno de los principales retos de la simulación del ciclo termoquímico S-I es la apropiada

representación de la termodinámica del sistema. Las tres secciones del ciclo cuentan con la

presencia de ácidos fuertes, los cuales se disocian afectando el equilibrio de fases y químico

del sistema. Junto con la disociación de los ácidos, también se presentan reacciones de

ionización que complejizan aún más la termodinámica del proceso.

Debido al comportamiento termodinámico del sistema, se debe considerar un modelo de

propiedades que sea capaz de representar los electrolitos y las especies iónicas presentes en

el proceso. Entre los modelos de propiedades disponibles en Aspen Plus™ que pueden

simular el comportamiento de electrolitos, el ELECNRTL es el más versátil de todos,

considerando que puede representar adecuadamente tanto altas como bajas concentraciones y

sistemas con solventes acuosos y mixtos [19]. Si bien este modelo captura la no idealidad de

las soluciones iónicas, necesita ser acoplado con ciertos mecanismos químicos que describen

las reacciones de disociación y de formación de complejos que ocurren en las fases líquidas

del sistema.

Page 8: Optimización de una planta industrial para la producción

El conjunto de reacciones de equilibrio que describen el comportamiento de los electrolitos

se denomina la química de la solución. La adecuada descripción de esta química tiene un

impacto muy importante en la simulación de sistemas con electrolitos, puesto que a

diferencia de los modelos con especies moleculares donde las reacciones ocurren

principalmente en los reactores, las reacciones contenidas en la química de la solución están

presentes en todas las unidades del proceso. Adicionalmente, la química de la solución no

solo altera la composición de las especies, también tiene un impacto en los cálculos de las

propiedades químicas, así como en el comportamiento del equilibrio de fases.

Como resultado de la química de la solución, un conjunto de especies iónicas que difieren de

los componentes moleculares especificados se presentan en la fase líquida. Cuando se

modela con electrolitos, existen dos aproximaciones para representar las composiciones de

las corrientes: apparent composition, la cual representa las composiciones en términos de

especies moleculares antes de resolver la química de la solución o true composition que lo

realiza en términos de todas las especies en solución [20]. Las dos aproximaciones son

intercambiables entre sí, ya que permiten obtener los mismos resultados. Para este trabajo se

ha escogido trabajar con una aproximación aparente, con el objetivo de mejorar la

convergencia y poder combinar la química de la solución con reacciones químicas.

El paquete ELECNRTL modela la fase vapor mediante la ecuación de Redlich-Kwong, por

lo tanto también es adecuado para describir el comportamiento de gases, como el hidrógeno

y el oxígeno, presentes en el ciclo termoquímico S-I.

4.1. Descripción de la Termodinámicas de Solución del Sistema

Como se mencionó anteriormente, el sistema HI-H2O-I2-SO2-H2SO4 involucrado en el

proceso es un sistema complejo debido a los múltiples fenómenos de ionización y formación

de complejos que ocurren [21]. Esta complejidad dificulta el adecuado modelamiento y la

simulación del ciclo. A continuación se resumen los principales fenómenos que tienen lugar

en el ciclo [22].

En la sección I, una separación de fases líquidas inmiscibles se produce. El equilibrio

líquido-líquido entre las dos fases ácidas se debe modelar con precisión ya que genera las

corrientes de alimentación de las secciones II y III del ciclo [22].

Page 9: Optimización de una planta industrial para la producción

Las condiciones de operación del ciclo también contribuyen a la complicación de la

termodinámica. La sección II del ciclo opera a temperaturas por encima de la temperatura

crítica del agua, a estas temperaturas extremas los iones tienden a asociarse formando pares.

El sistema ternario HI-I2-H2O presenta un complicado equilibrio de fases dada la alta

inmiscibilidad del yodo en agua y el azeótropo de la mezcla HI-H2O, por tanto en la sección

III se puede encontrar la formación de múltiples fases líquidas y la posible precipitación del

yodo [23].

El sistema binario SO2-H2O exhibe un comportamiento complejo debido a las reacciones de

hidratación que pueden ocurrir.

Aunque el modelo de propiedades ELECNRTL ha sido escogido para modelar el ciclo, no

está en capacidad de predecir el comportamiento termodinámico del proceso con total

precisión. Por lo tanto, debe ser acoplado con diferentes mecanismos químicos para incluir

las reacciones de disociación y ionización que tienen lugar en el sistema [22].

4.2. Mecanismos Químicos de Solución

Múltiples mecanismos se emplean para describir la química de la solución en diferentes

etapas del proceso. Estos mecanismos se explican a continuación [22] [24].

CH2SO4 – Ácido Sulfúrico Concentrado

Este mecanismo químico incluye la primera y segunda disociación del ácido sulfúrico y la

formación de este mediante la hidratación del SO3.

H2SO4 – Ácido Sulfúrico

Incluye la primera y segunda disociación del ácido sulfúrico en agua.

Page 10: Optimización de una planta industrial para la producción

HI-H2 - Disociación y descomposición de HI

Este mecanismo químico representa la disociación del HI en agua y la descomposición del

HI para formar hidrógeno y yodo.

HI-I2 - Disociación del HI

Describe la ionización iónica del HI.

H2SO4-HI – Comportamiento del sistema HI-H2O-I2-H2SO4 en la Sección I

La separación de las dos fases ácidas que se obtienen de la reacción de Bunsen puede ser

descrita mediante las siguientes ecuaciones,

La Ec. 15 describe la primera disociación del ácido sulfúrico. La segunda disociación del

ácido sulfúrico no ha sido incluida por simplicidad teniendo en cuenta que a las condiciones

de operación de la sección, solo una cantidad insignificante de HSO4- se alcanza a disociar.

La especie HIX representa la formación de complejos entre el yodo y el HI.

Page 11: Optimización de una planta industrial para la producción

La especie HIX se crea como un componente de peso molecular H3I1.5O, el cual fue

determinado de acuerdo a la estructura en que se forman los complejos de yodo. Los

parámetros electrolíticos y los parámetros de interacción binaria necesarios para describir el

equilibrio líquido- líquido de esta fase con la fase de ácido sulfúrico se obtuvieron a partir de

un regression case en ApenPlus™ usando datos experimentales de la distribución de las dos

fases ácidas [24].

5. Simulación del Proceso en Aspen Plus™.

Los equipos de la planta, junto con las condiciones de operación preliminares se describen a

continuación. Primero se especifica la sección II con sus respectivas subsecciones: la zona de

concentración y la zona de descomposición del ácido sulfúrico. Posteriormente se describe la

zona III de descomposición del ácido yodhídrico y por último la zona I donde se lleva a cabo

la reacción de Bunsen y la purificación del oxígeno.

5.1. Sección II – Concentración y Descomposición del Ácido Sulfúrico

La sección II del proceso concentra, calienta y descompone el ácido sulfúrico en agua,

oxígeno y dióxido de azufre. Se ha determinado que la eficiencia general del ciclo depende

en gran parte de la eficiencia de esta sección del proceso [25].

5.1.1. Concentración del Ácido Sulfúrico

La concentración del ácido antes de su descomposición es fundamental para alcanzar una

alta eficiencia energética en el ciclo. Las reacciones de descomposición del ácido son

altamente endotérmicas, por lo tanto se deben suministrar grandes cantidades de calor para

favorecer la reacción. Al concentrar el ácido se disminuye el flujo de materia que entra a los

reactores, y consecuentemente también el calor sensible que se debe suministrar para

alcanzar la temperatura de reacción. Lo anterior implica equipos de intercambio energético

más pequeños y un menor costo asociado a los servicios [24].

La primera etapa de la concentración del ácido sulfúrico se simula mediante una secuencia

isobárica de intercambiadores de calor y separadores flash operando a 35 atm de presión

absoluta. A medida que se aumenta la temperatura, el ácido se concentra hasta alcanzar una

Page 12: Optimización de una planta industrial para la producción

composición molar de 35.8%. El agua que se remueve se obtiene en las corrientes de vapor,

las cuales se mezclan y se retornan a la sección I del ciclo. El ácido concentrado entra a una

serie de tres evaporadores que además de eliminar una mayor cantidad de agua, reducen

gradualmente la presión de la corriente desde 35 atm a 0.07 atm de presión absoluta.

La última etapa de la concentración de ácido consiste de una columna de destilación al vacío

que opera a una presión total de 0.07 atm. A la torre de destilación de 8 platos de equilibrio

se alimenta una corriente que contiene ácido a 54% molar. La columna de destilación es muy

importante en la concentración del ácido puesto que combina la función de un separador y de

un intercambiador altamente eficientes [25]. Por la cima de la columna se obtiene una

corriente de agua al 99.99%. El ácido se obtiene por los fondos de la torre con una

composición 88% molar.

5.1.2. Descomposición del ácido sulfúrico

El ácido concentrado proveniente de la torre de destilación se bombea hasta una presión total

de 7 atm para llevarse a la zona de descomposición. Las reacciones de descomposición del

ácido ocurren en fase gaseosa, por lo tanto antes de alimentarse al reactor, el ácido se lleva a

fase vapor.

Las reacciones involucradas en la descomposición del ácido sulfúrico son:

A altas temperaturas, estas reacciones ocurren de forma simultánea. Para la reacción 17 no se

tienen reportes de cinéticas de la velocidad [25], por lo tanto la descomposición del ácido se

modela como una reacción de equilibrio. La constante de equilibrio para esta reacción ha

sido calculada, de manera estándar, a partir de las propiedades de los gases ideales [24].

Page 13: Optimización de una planta industrial para la producción

Donde,

Constante universal de los gases

Temperatura, K

Coeficiente estequiométrico del componente

Energía libre de Gibbs de gas ideal del componente

Presión de referencia, 1 atm

Coeficiente de actividad del componente

La descomposición del ácido se lleva a cabo en un reactor acoplado a una fuente de energía

nuclear [12]. En la simulación en Aspen Plus™ este reactor se modela mediante una serie de

reactores Gibbs, los cuales modelan el equilibrio químico y de fases simultáneamente

mediante un balance de átomos [26]. En el primer reactor ocurre la descomposición de ácido

sulfúrico en SO3 y agua a 524°C. Posteriormente, el SO3 se descompone a SO2 y oxígeno en

una secuencia de 3 reactores Gibbs que operan a diferentes temperaturas. La mayor

conversión de SO3 se obtiene a una temperatura de 827°C. La conversión del ácido respecto

a la temperatura se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Consumo de los reactivos Vs. Temperatura de Operación del Reactor del

Descomposición

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

550 600 650 700 750 800 850 Co

nve

rsió

n d

e á

cid

o s

ulf

úri

co

Temperatura de Operación [°C]

Page 14: Optimización de una planta industrial para la producción

Como se mencionó anteriormente, para la simulación del proceso se escogió una

aproximación con composiciones aparentes y no reales. El equilibrio químico implica por

definición una relación entre las fugacidades de las especies involucradas. La aproximación

mediante composiciones aparentes, cuando todos los productos de una reacción son

compuestos volátiles, causa problemas en el cálculo del equilibrio de fases en los reactores

Gibbs, donde las fugacidades de cada especie se igualan en todas las fases presentes. Por lo

tanto, para los bloques que simulan la descomposición del ácido sulfúrico, se escoge una

aproximación con composiciones reales y el modelo termodinámico para estos bloques es

reemplazado por NRTL-RK, el cual es compatible con ELECNRTL.

La corriente que abandona esta serie de reactores contiene un porcentaje de SO3 sin

reaccionar. Las reacciones 17 y 18 ocurren simultáneamente, por lo tanto no es posible

obtener SO3 mezclado con los otros productos de la reacción. Para representar este

comportamiento, la zona de enfriamiento posterior a la zona de reacción se modela mediante

reactores, los cuales además de disminuir la temperatura de la corriente de producto,

convierten el SO3 sin reaccionar de nuevo a ácido sulfúrico. Al final de la zona de

enfriamiento se obtiene una corriente a 120°C libre de SO3. Finalmente esta corriente entra a

un separador flash en el cual se separan los productos gaseosos del agua y el ácido sulfúrico

sin reaccionar. La corriente líquida se bombea hasta 35 atm de presión absoluta y se recircula

a la etapa de concentración del ácido. La conversión que se logra al concluir las etapas de

descomposición y enfriamiento es del 97% con respecto al ácido sulfúrico. El principal

producto de la sección II consiste en una corriente gaseosa a 120°C que contiene SO2 al

65.4%, O2 al 32.8% molar y el remanente en vapor de agua.

El diagrama de flujo de proceso de la sección II se realizó con base en el diagrama propuesto

por [24] con algunas modificaciones.

Page 15: Optimización de una planta industrial para la producción

M-203

Water

P-202

202

E-201

203

204

E-202

206

E-203

207 209

E-204

E-209

230

231

226

227

228

213

214

210

217

218

215

221

222

219

223

232

233

R-201

234

235236

238

239

201

112

205

208

211216

220

224

229

212

P-201

V-201 V-202 V-203

V-204

V-205

E-205

E-206

V-206

T-201

E-208

225

V-207

E-207

E-210E-211

V-208

Water

237

E-212

M-201

M-202E-102

WaterH2SO4

From Section I

WaterTo Section I

O2

SO2

To Section I

Figura 3. Diagrama de flujo de proceso de la sección II.

Page 16: Optimización de una planta industrial para la producción

5.2. Sección III – Descomposición del Ácido Yodhídrico

La sección III del ciclo termoquímico descompone el HI en I2, que se recicla a la sección I y

en H2, el cual es el producto de interés del proceso. Esta sección consta de una columna de

destilación reactiva, una bomba, un conjunto de intercambiadores de calor que se encargan

de adecuar la corriente que entra a la torre y un separador flash para la concentración del

hidrógeno.

El diagrama de flujo del proceso está basado en el trabajo hecho por [27] en el cual se realiza

el diseño preliminar de una columna de destilación reactiva para la producción de hidrógeno.

En esta etapa del proceso tiene lugar la descomposición del yoduro de hidrógeno en yodo e

hidrógeno.

La columna de destilación se modela teniendo en cuenta la cinética de la descomposición del

HI y su respectiva reacción reversible. Las constantes de la cinética de la reacción han sido

adaptadas a la forma y unidades de la cinética Power Low de Aspen Plus™ [27].

La configuración de diseño de la columna consiste de una torre de destilación totalmente

reactiva de 16 etapas. La columna opera a una presión absoluta de 22 atm y se especifica una

razón de reflujo molar de 3. La única alimentación de la columna es una corriente en fase

vapor con una composición molar de 0.1 de HI, 0.51 de agua y 0.38 de I2 a una temperatura

de 262°C, la cual se alimenta por los fondos.

El producto de cima se lleva a un intercambiador y luego a un separador en el cual se

condensa el agua y se recircula a la sección I de la planta para ser utilizada en la columna de

recuperación de oxígeno. En la corriente gaseosa del separador se obtiene un flujo de 17.7

Kmol/h de hidrógeno con una pureza de 99.8% molar. La corriente de fondos de la columna

de destilación, compuesta principalmente de yodo, se recircula a la sección I del ciclo.

Page 17: Optimización de una planta industrial para la producción

5.3. Sección I – Reacción de Bunsen

La reacción de Bunsen en una reacción exotérmica mediante la cual yodo, dióxido de azufre

y agua se transforman en ácido sulfúrico y yodhídrico. El producto que sale del reactor

consiste en dos fases ácidas inmiscibles. Una fase liviana de agua y H2SO4 y una fase pesada

de I2, HI y agua.

Como se puede observar en la Ec. 21, la reacción de Bunsen tiene lugar en fase líquida. Con

el fin de limitar el proceso a solo fases fluidas, la reacción de Bunsen se debe llevar a cabo a

temperaturas por encima de la punto de fusión del yodo, el cual está alrededor de los 113.8°C

[28].

I2HI

WaterFrom Section I

106301

E-301

Hydrogen

309

310

305

306

307

T-301

E-303

V-301303

304

314

308

E-304

311

108

312

Water

302

P-301 E-302

V-302

WaterTo Section I

313

I2

WaterTo Section I

Figura 4. Diagrama de Flujo de Proceso de la Sección III del ciclo S-I

Sin embargo a temperaturas por encima del punto de fusión del yodo la reacción de Bunsen

no es espontanea. Para permitir que la reacción de Bunsen sea termodinámicamente

favorable alrededor de esas temperaturas, el agua debe ser alimentada en exceso, de manera

Page 18: Optimización de una planta industrial para la producción

que permita la disminución de la entalpia libre de reacción mediante la dilución de los ácidos

[3].

El producto de la sección II que contiene SO2 al 65.4%, O2 al 32.8% molar y vapor de agua

se alimentan por los fondos de una columna de absorción de SO2. El SO2 es un compuesto

polar, mientras que el O2 es un compuesto apolar, por lo tanto un compuesto como el agua

puede ser usado como entrainer para separar estos dos gases en una columna de absorción.

La columna de absorción de 8 platos se especifica a una presión absoluta de 5 atm con el

objetivo de licuar el SO2 para alimentarlo al reactor Bunsen. Por la cima de la columna se

obtiene un flujo de 7.8 Kmol/h de O2 a una concentración del 95% molar, recuperándose el

88% del O2 proveniente de la seccion II.

Los fondos de la torre de absorción, los fondos de la torre de destilación reactiva de la

sección III y una corriente de agua fresca se alimenta al reactor de Bunsen. Las condiciones

de temperatura y presión del reactor se especifican para que favorezcan la reacción.

Adicionalmente el agua y el HI se alimentan en exceso, para obtener una conversión del

100% con respecto al SO2 [21].

La corriente de producto del reactor es alimentada a un decantador en el cual se separa la

fase poli-yodhídrica de la fase rica en ácido sulfúrico. La corriente de salida del reactor hay

un exceso de 12 moles de I2 por mol de H2SO4. El exceso de este compuesto es el elemento

que permite la inmiscibilidad de las dos fases y por lo tanto su separación. Del decantador

también se obtiene una corriente gaseosa compuesta por el oxígeno que no se recupera en la

torre de absorción. Este flujo de oxigeno es liberado del ciclo.

Page 19: Optimización de una planta industrial para la producción

M-101

Oxygen

H2SO4

WaterTo Section II

T-101

114

102 103

105

113

I2WaterFrom

Section III

107

Water

101

111

E-101 R-101

V-101115

E-102

110Water

I2HI

WaterTo Section III

314

116

WaterFrom

Section II

SO2

O2

From Section II

Water From Section III

108

112

104

Oxygen

106

Figura 5. Diagrama de Flujo de Proceso de la Sección I del ciclo S-I

6. Optimización del Proceso

6.1. Optimización Secuencial de Equipos

Los costos operacionales de la planta de producción de hidrógeno están vinculados

principalmente al mantenimiento y a la energía térmica y eléctrica requerida en el proceso

[29]. El alto costo de mantenimiento está relacionado con el costo de inversión de la planta,

ya que se requieren materiales de construcción especiales dadas las condiciones de

temperatura y presión de operación y las características de las sustancias químicas

involucradas.

El propósito de la planta es la regeneración de los ácidos, siendo el agua el único insumo

necesario. Como consecuencia, el costo de materia prima representa tan solo el 1% de los

costos operacionales. Por el contrario, los requerimientos energéticos y eléctricos representan

más del 30% del costo total de operación, luego constituyen la opción de mejora más

adecuada para aumentar la rentabilidad de la planta [29] [30].

Page 20: Optimización de una planta industrial para la producción

La simulación final consta de más de 35 equipos y de aproximadamente 70 corrientes, de las

cuales al menos 5 son corrientes de reciclo. El tamaño de la simulación supone un problema

de optimización restringida a gran escala (Large Scale Optimization Problem Set). Por otro

lado se tiene un sistema altamente no convexo y altamente no lineal dada la alta dependencia

entre equipos y la naturaleza del proceso. Las características del problema dificultan la labor

de someter la planta íntegramente a una optimización numérica simultánea. De por sí, la

selección de parámetros específicos que pudieran tener un efecto significativo en el

requerimiento energéticos de toda la planta no es una labor fácil. Adicionalmente, al

problema de optimización se le deben imponer restricciones para poder mantener las

condiciones que permitan una operación adecuada y una producción de hidrógeno con las

especificaciones de producto requeridas. La minimización del consumo energético de toda la

planta, como un mismo proceso de optimización, es por lo tanto un problema de difícil

convergencia.

Como recurso, se realizó una optimización secuencial, en la cual se seleccionaron los

equipos críticos del proceso y se optimizaron individualmente bajo el mismo criterio: La

minimización del consumo energético, y por lo tanto, de los costos operacionales de la

planta.

La optimización de cada equipo se realizó sobre la misma función objetivo. Las restricciones

de cada optimización se plantearon de forma tal que se conservaran las condiciones que

permiten la operación adecuada de la planta. El resultado obtenido en cada optimización se

reemplazó en la simulación original bajo el supuesto que al optimizar cada equipo por

separado se puede mejorar el desempeño del proceso.

Donde,

Requerimientos de calentamiento

Requerimientos de enfriamiento

Requerimientos eléctricos

Page 21: Optimización de una planta industrial para la producción

Los equipos seleccionados en la optimización son aquellos que tienen un mayor consumo

energético, o que son esenciales en la operación. Estos equipos, junto con su requerimiento

energético original se muestran en la Tabla 1Tabla 1.

Tabla 1. Equipos del Proceso a Optimizar.

Equipo Descripción general Consumo energético

[kJ/h]

R-101 Reactor de Bunsen 2301.25

E-201/203

V-201/203

Evaporador isobárico de concentración del

ácido sulfúrico. 3560.08

T-201 Columna de destilación al vacío de

concentración del ácido sulfúrico. 1079.82

R-201 Reactor de descomposición del ácido

sulfúrico. 1922.98

T-301 Torre de destilación reactiva de

descomposición de yoduro de hidrógeno 1756.53

T-101 Torre de absorción de recuperación de

oxígeno NA

6.1.1. Optimización del reactor de Bunsen

La reacción de Bunsen como tal no es una operación crítica dado que la temperatura de

operación del reactor es moderada. Sin embargo, esta reacción constituye un paso clave del

proceso ya que la composición de la corriente de producto afecta fuertemente el consumo

energético de las operaciones aguas abajo [31]. La identificación de las condiciones de

operación más adecuadas para llevar a cabo ésta reacción es por lo tanto necesaria en la

optimización de la planta.

La reacción de Bunsen se lleva a cabo en fase liquida, por lo tanto la temperatura de la

corriente de alimentación debe estar por encima del punto de fusión del yodo.

Adicionalmente, la presión parcial del SO2 debe ser suficientemente alta para garantizar que

éste se disuelva en el medio reaccionante. Las condiciones de operación adecuadas

propuestas por varios autores varían en el rango de 105 a 127°C y de 2 a 7 atm de presión

absoluta [32] [18] [33] [21].

Page 22: Optimización de una planta industrial para la producción

Igual de determinante que la temperatura y presión es la composición de la corriente de

alimentación. A la temperatura de operación la reacción de Bunsen no ocurre de forma

espontánea. Para hacer la reacción termodinámicamente favorable, la corriente de

alimentación debe contener agua en exceso. La solvatación debido al exceso de agua es

altamente exotérmica, por lo tanto provee la energía suficiente para que la reacción proceda

espontáneamente [32]. Por otra parte, el exceso de yodo en la alimentación es fundamental

para evitar las reacciones secundarias entre los compuestos de azufre y yodo, además

favorece la separación de la corriente de producto en las fases poli-yodhídrica y de ácido

sulfúrico [31].

Desde un punto de vista termodinámico la fase de ácido sulfúrico no puede obtenerse sin la

presencia de cierta cantidad de I2 y de HI. La cantidad de yodo y de agua en la corriente de

alimentación tiene un efecto en la composición de las dos fases acidas [34]. Para garantizar

la correcta operación de la planta las concentraciones de estos compuestos en la fase de ácido

sulfúrico deben ser inferiores al 0.2% y 0.05% molar respectivamente. Igualmente, cierta

cantidad de H2SO4, alrededor del 0.01%, molar reside en la fase poli-yodhídrica [32].

Para la optimización del reactor se escogieron como variables de diseño la temperatura, el

flujo molar de yodo, el flujo molar de agua en la corriente de alimentación y la presión de

operación del reactor. Las restricciones de la optimización se especificaron de acuerdo a los

límites de contaminación de fases señalados previamente.

Antes de proceder con la optimización se realizó un análisis de sensibilidad para verificar

que las variables de decisión seleccionadas fueran adecuadas y para determinar sus rangos.

Se encontró que con una menor cantidad de I2 se obtiene un menor consumo energético. Sin

embargo, un exceso de I2 menor a 9 moles por mol de SO2 no permite la separación de las

dos fases ácidas.

Page 23: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 6. Efecto del exceso de yodo y agua en el requerimiento energético del reactor

Bunsen

El aumento de la proporción de agua en la corriente de alimentación disminuye el

requerimiento energético del reactor pero tiene el efecto contrario sobre la concentración de

I2 en la fase de ácido sulfúrico, tal como se muestra en la Figura .

Figura 7. Efecto del exceso agua y yodo en la composición de la fase de ácido sulfúrico.

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

8 9 10 11 12 13 14

% d

e A

ho

roo

En

erg

éti

co

Relación molar I2:SO2

13

13.5

14

14.5

Relación molar

0,0015

0,002

0,0025

0,003

0,0035

0,004

0,0045

9 11 13

Co

mp

osi

ció

n m

ola

r I2

en

la f

ase

A

S

Relación molar I2:SO2

13

13.5

14

14.5

15

15.5

16

Relación molar H2O:SO2

Page 24: Optimización de una planta industrial para la producción

Como se muestra en la Figura , la composición de H2SO4 en la fase poli-yodhídrica se

encuentra siempre por encima del rango especificado. Se decide eliminar la restricción para

relajar el problema de optimización. La composición de HI en la fase de ácido sulfúrico se

encuentra por debajo del 0.05% en todo el dominio del problema.

Figura 8. Efecto del exceso agua en la composición de la fase HIx.

El análisis de sensibilidad también permitió concluir que si se aumenta la presión disminuye

el requerimiento energético del reactor. Sin embargo, tiene un impacto insignificante

comparado al efecto que tienen las otras variables.

Las variables de decisión finales y sus respectivos rangos se presentan en la Tabla 2. La Ec.

23 y la Ec.24 representan las restricciones impuestas a la optimización.

Tabla 2. Variables de Optimización del Reactor de Bunsen

Variable Límite Inferior Límite Superior

Moles I2 por mol de SO2 en la corriente

de alimentación 9 14

Moles agua por mol de SO2 en la

corriente de alimentación 13 16

Temperatura de la corriente de

alimentación [°C] 113.8 127

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

9 10 11 12 13 14 Co

mp

osi

ció

n d

e H

2SO

4 e

n la

fas

e H

Ix

Relación molar I2:SO2

13

13.5

14

14.5

15

15.5

16

Page 25: Optimización de una planta industrial para la producción

Donde,

Composición molar

Fase rica en ácido sulfúrico

Como resultado de la optimización se obtiene una corriente de alimentación con una relación

molar H2O:I2:SO2 de 15.4:9:1. La relación inicial era de 13.5:12:1. Como pronosticó el

análisis de sensibilidad, la relación óptima de yodo se sitúa el límite inferior. La relación de

agua no aumenta hasta el límite superior para poder cumplir con las restricciones impuestas a

la composición de las fases ácidas. La temperatura final de la corriente de alimentación es de

127°C. La disminución del consumo energético del reactor fue del 28%.

6.1.2. Optimización del reactor de descomposición del ácido sulfúrico.

Para la optimización del reactor de descomposición del ácido sulfúrico se seleccionó la

presión de operación y la concentración del ácido como variables de diseño. La temperatura

se tomó como especificación y no como variable debido a que una temperatura de operación

por encima de los 830°C es necesaria para lograr la descomposición del SO3 en SO2 y

oxígeno [35].

La cantidad de agua en la corriente de fondos de la torre de destilación al vacío [T-201] se

seleccionó como variable a optimizar. La función objetivo se tomó como la suma del valor

absoluto de los requerimientos energéticos del evaporador [E-209], los intercambiadores [E-

210] y [E-211] y los 4 reactores con los cuales se simula el reactor de descomposición.

Page 26: Optimización de una planta industrial para la producción

En el análisis de sensibilidad anterior a la optimización se encontró que si bien a mayores

presiones se obtiene un menor consumo energético, el efecto de esta variable es despreciable.

La relación de la concentración del ácido y el ahorro energético se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Efecto de la concentración de ácido en el

requerimiento energético del reactor de descomposición de ácido

sulfúrico.

El límite superior de la variable de optimización se estableció como el flujo molar de agua de

la corriente de fondos de la torre de concentración que había sido obtenido en la simulación

preliminar. El límite inferior se seleccionó mediante ensayo y error disminuyendo

progresivamente el valor de la variable mientras la torre de concentración convergiera.

El valor óptimo del flujo de concentración de ácido corresponde al 91%, permitiendo una

disminución del consumo energético del 3.1%.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1

% d

e A

ho

rro

En

erg

éti

co

Concentración molar de ácido sulfúrico

Page 27: Optimización de una planta industrial para la producción

6.1.3. Optimización de la columna de destilación al vacío de concentración del

ácido sulfúrico

Una vez obtenida la concentración del ácido que minimiza el consumo energético del reactor

de descomposición, se procedió a optimizar la columna de destilación al vacío. Esta

operación es fundamental en la concentración de ácido sulfúrico ya que combina la acción de

un intercambiador y un evaporador altamente eficientes permitiendo evaporar

aproximadamente el 20% del agua que entra a la sección.

Mediante un análisis de sensibilidad se evalúa el efecto del número de etapas, la razón de

reflujo, la etapa de alimentación y la temperatura de la corriente de alimentación. Se

concluye que la variable de diseño que más influencia tiene el consumo energético es la

razón de reflujo.

Figura 10. Efecto de la razón de reflujo en el requerimiento

energético de la columna de destilación de concentración de

ácido sulfúrico.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3

% d

e A

ho

rro

En

erg

éti

co

Razón de Reflujo molar

Page 28: Optimización de una planta industrial para la producción

La razón de reflujo óptima siempre se sitúa en el límite inferior, el cual fue determinado

mediante ensayo y error de acuerdo a la convergencia de la columna. El consumo energético

se disminuye en un 9.5% al disminuir la razón de reflujo molar de 2.2 a 1.7.

6.1.4. Optimización del evaporador isobárico de concentración del ácido

sulfúrico

El evaporador isobárico es uno de los equipos críticos del proceso ya que opera a una presión

absoluta de 35 atm y alcanza los 800°C. La optimización de esta sección del proceso tiene

por lo tanto un impacto importante en los requerimientos energéticos de la planta.

El evaporador se simula como una secuencia isobárica de 3 arreglos, cada arreglo compuesto

por un intercambiador de calor y un separador flash. Como se muestra en la Figura 1, la

presión de operación afecta directamente la cantidad de agua que es evaporada.

Figura 11. Relación entre Presión, Temperatura de Operación y cantidad de agua evaporada.

0

10

20

30

40

50

60

70

200 250 300 350 400

Agu

a e

vap

ora

da

[Mo

l]

Temperatura de Operación [°C]

25 atm

30 atm

35 atm

40 atm

Presión de Operación

Page 29: Optimización de una planta industrial para la producción

Cuando se disminuye la presión de operación se puede evaporar la misma cantidad de agua a

una menor temperatura. Cómo se está calentando progresivamente la corriente de proceso en

una serie de intercambiadores, la temperatura tiene un efecto directo en el requerimiento

energético del evaporador. Por consiguiente, una reducción de la presión permite una

minimización de la función objetivo. Sin embargo, cuando se baja demasiado la presión, la

cantidad de ácido que se pierde en la corriente de vapor aumenta, comprometiendo la

estabilidad del ciclo.

Figura 12. Relación Presión, Temperatura de Operación y cantidad de ácido evaporado.

La optimización del evaporador se realizó tomando como variable de diseño la presión y

temperatura de operación. La presión se fijó en un rango de 25 a 40 atm de presión absoluta,

y la temperatura 100°C por debajo y 100°C por arriba de la temperatura obtenida en la

simulación preliminar. Esto con el objetivo de darle un margen amplio a esta variable y no

especificar inadecuadamente el problema.

0,00E+00

5,00E-03

1,00E-02

1,50E-02

2,00E-02

2,50E-02

3,00E-02

3,50E-02

200 250 300 350 400

Áci

do

eva

par

od

a [M

ol]

Temperatura de Operación [°C]

25 atm

30 atm

35 atm

40 atm

Page 30: Optimización de una planta industrial para la producción

Como restricciones del problema, se especificaron los flujos de agua que se evaporan en

cada separador flash ±1%, con el objetivo de conservar las condiciones de operación de la

planta. Para mantener el evaporador en una operación isobárica se especificó que la presión

de operación de los tres separadores debe ser igual. Por último se especificó que la cantidad

de ácido que se evapora en cada separador no debe ser mayor al 0.05% del ácido que entra a

la sección.

Las variables de diseño con sus respectivos rangos se resumen en la Tabla 3 . La Ec.26 a la

30 representan las restricciones del problema.

Tabla 3. Variables de Optimización del Evaporador Isobárico

Variable Límite Inferior Límite Superior

Presión de Operación [atm] 25 40

Temperatura V-201 [°C] 230 430

Temperatura V-202 [°C] 246 446

Temperatura V-203 [°C] 258 458

La presión optima calculada es de 29.7 atm, obteniéndose una reducción del consumo

energético del evaporador del 25%.

Page 31: Optimización de una planta industrial para la producción

6.1.5. Optimización de la columna de destilación reactiva de descomposición

de yoduro de hidrógeno.

Las especificaciones de diseño de la columna de destilación reactiva son el resultado de una

optimización realizada previamente. Sin embargo, la función objetivo de esta primera

optimización es diferente a la minimización del consumo energético de la torre.

Consecuentemente se realizó nuevamente una optimización de la columna tomando como

variables de diseño el número de etapas, la razón de reflujo, la presión del condensador y la

temperatura de la corriente de alimentación.

Como se muestra en la Figura 13, el efecto que el número de etapas tiene en el consumo

energético es insignificante. Por el contrario, cuando se disminuye el reflujo aumenta

considerablemente el ahorro energético. Sin embargo, la razón de reflujo mínima que

permite la adecuada convergencia de la columna es la establecida en la los parámetros de

diseño de la torre. La misma situación se presenta al intentar optimizar la presión del

condensador. El comportamiento de la función objetivo muestra que a medida que se

disminuye la presión se reduce la carga energética, siendo 22 bar la menor presión que

permite la convergencia de la columna.

Figura 13. Efecto del número de etapas en el ahorro energético

de la torre de descomposición de HI.

-1E-3

-8E-4

-6E-4

-4E-4

-2E-4

0E+0

2E-4

4E-4

15 16 17 18 19 20 21 22

% d

e A

ho

rro

En

erg

éti

co

Número de Etapas

Page 32: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 14. Efecto la razón de reflujo en el ahorro energético de

la torre de descomposición de HI.

Las únicas variable manipulable es por lo tanto la temperatura de la corriente de

alimentación. Durante un análisis del desempeño de la columna se observó que al

aumentarse demasiado la temperatura, la corriente de destilados se contamina con los

compuestos de yodo, disminuyendo la pureza del hidrógeno en la corriente de producto. Un

aumento de 3°C en la corriente de alimentación permitía conservar el flujo y la pureza del

hidrógeno disminuyendo la carga energética de la columna en un 5.6%.

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

% d

e A

ho

rro

En

erg

éti

co

Razón de Reflujo Molar

Page 33: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 15. Efecto la temperatura de la alimentación en el ahorro

energético de la torre de descomposición de HI.

6.1.6. Optimización de la Columna de Absorción de Recuperación de Oxígeno

El calor requerido por la columna de absorción es provisto por la corriente gaseosa

proveniente de la sección II de la planta, por lo tanto esta unidad tiene una función objetivo

diferente a las otras unidades. La optimización de la columna consiste en la minimización del

flujo de agua necesario para absorber el SO2. Esta optimización se hace para minimizar el

flujo que entra al intercambiador que acondiciona la alimentación del reactor de Bunsen y

por lo tanto lograr una reducción de la cantidad de calor suministrado.

6.2. Resultado de la Optimización

Los cambios en los parámetros de un equipo no sólo afecta el requerimiento energético de

ese equipo en particular, también influye en el consumo energético de los equipos aguas

abajo. Por ejemplo, la manipulación del flujo que entra al reactor de Bunsen, además de

disminuir el consumo energético del reactor, también afecta el requerimiento del

intercambiador E-301, ya que al disminuirse el flujo másico de la corriente, es menor la

cantidad de energía que se debe suministrar para vaporizarla. Por esta razón, la función

-150

-100

-50

0

50

100

150

400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650

% D

e A

ho

rro

En

erg

éti

co

Temperatura de Operación [K]

Page 34: Optimización de una planta industrial para la producción

objetivo incluye los requerimientos calóricos y eléctricos de todos los equipos de la planta.

La Tabla 4 muestra el resultado después de implementar en la simulación de la planta la

optimización paramétrica realizado a los equipos críticos.

Tabla 4. Resultado de La Optimización en los requerimientos

energéticos de los equipos de la planta de producción de

hidrogeno.

Requerimiento Equipo Inicial Final

Requerimientos de

Calentamiento

[kJ/s]

R-101 2301.25 1655.39

E-201 1668.31 1389.11

E-202 664.58 465.88

E-203 1227.19 804.39

E-209 406.11 252.04

R-201 1922.98 1984.64

T-201 1079.82 1019.67

E-301 3916.88 2807.16

T-301 1756.53 1656.41

Total 14943.65 12034.69

Requerimientos de

Enfriamiento

[kJ/s]

E-101 -550.81 -412.38

E-102 -756.89 -671.11

V-101 -2111.99 -2110.31

E-204 -1288.77 -2095.52

E-205 -94.40 -94.18

E-206 -26.098 -26.098

E-210 -506.88 -497.16

E-211 -593.73 -589.11

E-212 -348.14 -325.60

T-201 -770.71 -727.77

E-302 -1163.87 -1163.87

T-301 -2979.76 -2979.72

Total -37263.95 -37764.73

Requerimientos

Eléctricos

[kJ/s]

P-201 9.16 7.33

P-202 1.23 1.23

P-301 14.65 11.74

Total 25.04 20.3

Función Objetivo [kJ/s] 52232.64 49819.72

Page 35: Optimización de una planta industrial para la producción

Como se muestra en la Figura , el consumo energético depende principalmente de la sección

II de la planta. Por esta razón tres de los seis equipos optimizados corresponden a la sección

de concentración y descomposición del ácido sulfúrico.

El resultado de la optimización permite una reducción de los requerimientos energéticos del

4.61%. Si bien en la optimización secuencial se disminuyó el consumo hasta en un 28%, el

porcentaje total de ahorro no es tan alto. Esto se debe a que el requerimiento calórico de los

intercambiadores no decreció en la misma magnitud en que decreció el requerimiento de los

equipos empleados en la optimización secuencial. Los cambios en las condiciones de

operación entre las secciones, e incluso dentro de una misma sección, hace indispensable el

uso de un elevado número de intercambiadores de calor, teniendo estos un impacto

considerable en los requerimientos energéticos totales de la planta. Por este motivo, se

propone una integración energética de la red de intercambiadores para minimizar más allá de

un 4% el valor de la función objetivo. El resultado de esta integración se presenta en la

sección 8.

El resultado de la optimización se tradujo luego en términos económicos. La tasa de

descuento de una planta de producción de hidrogeno mediante procesos avanzados como es

la descomposición termoquímica del agua está alrededor del 8% [29]. Puntualmente, la vida

útil de una planta con las tres secciones consideradas es de aproximadamente 30 años.

Teniendo la tasa de descuento de la planta se puede obtener un estimado del precio de

generación de energía. A una tasa de descuento del 10% los costos nivelados de generación

de energía usando una fuente nuclear están en el rango entre 30 y 50 USD/MWh [36]. El

precio se toma como el valor medio del rango, es decir 40 USD//MWh, donde 1 MWh

corresponde a 3600 MJ. El ahorro pronosticado debido a la disminución del consumo

energético es de 833905.15 USD/año.

Page 36: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 16. Requerimientos Energéticos por Sección de la Planta.

7. Diagrama de Flujo de Proceso y Balance de materia

El diagrama de flujo del proceso obtenido después de implementar las especificaciones

óptimas de operación se muestra en la Figura 17 con su respectivo balance de materia. Al

proceso se alimenta agua y una pequeña cantidad de yodo, yoduro de hidrógeno y dióxido de

azufre para compensar las pérdidas que se obtienen en algunas operaciones como la

concentración del ácido sulfúrico. El agua que se suministra al ciclo se alimenta

principalmente a la sección I para alimentarse directamente al reactor de bunsen. Otras

pequeñas cantidades se alimentan a la columna de destilación reactiva de la sección III y a la

torre de absorción de recuperación de oxígeno.

9%

74%

17%

Sección I

Sección II

Sección III

Page 37: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 17. Diagrama de Flujo de Proceso del ciclo S-I

Page 38: Optimización de una planta industrial para la producción

No.

Corriente

Flujo

[Kmol/h]

Temperatura

[°C]

Presión

[atm]

Frac. de

vapor

Flujo molar [Kmol/h] I2 HI H2O H2SO4 SO2 H2 O2

101 34.392 25.0 1.00 0 0 0 34.3449 0 0.0475 0 0

102 449.685 147.4 4.93 0.051 158.0909 0.6957 272.0095 0.7462 17.6804 0 0.4625

103 449.685 127.0 4.93 0.054 158.0909 0.6957 272.0095 0.7462 17.6804 0 0.4625

104 432.005 120.0 4.93 0.001 140.4105 36.0565 236.6486 18.4266 0 0 0.4625

105 101.660 110.0 6.91 0 0.1680 0.0165 83.7822 17.6915 0 0 0.0016

106 329.860 110.0 6.91 0 140.2425 36.0400 152.8286 0.7351 0 0 0.0134

107 0.485 110.0 6.91 1 0 0 0.0379 0 0 0 0.4475

108 82.255 24.9 21.71 0 0.0025 0.7504 81.4824 0 0 0.01985 0

109 82.255 25.2 7.00 0 0.0025 0.7504 81.4824 0 0 0.01985 0

110 1.727 25 7.00 0 0 0 1.727 0 0 0 0

111 83.209 24.9 7.00 0 0 0 83.209 0 0 0 0

112 26.811 120.0 7.00 1 0.0061 0 0.4362 0 17.5525 0 8.8163

113 8.471 19.2 6.91 1 0 0.0685 0.0272 0 0 0.01985 8.3556

114 101.913 83.6 6.91 0 0.0086 0.6818 83.2090 0 17.5525 0 0.4607

115 52.640 305.5 5.00 1 0.0864 0.0138 52.4461 0.0116 0.0804 0 0.0018

116 52.640 127.0 5.00 1 0.0864 0.0138 52.4461 0.0116 0.0804 0 0.0018

201 130.634 142.2 6.91 0 0.2514 0.0165 102.3482 27.9356 0.0804 0 0.0018

202 130.634 144.9 30.00 0 0.2514 0.0165 102.3482 27.9356 0.0804 0 0.0018

203 130.634 320.5 30.00 0.31 0.2514 0.0165 102.3482 27.9356 0.0804 0 0.0018

204 89.969 320.5 30.00 0 0.1856 0.0055 61.8493 27.9280 0.0001 0 0

205 40.665 320.5 30.00 1 0.0658 0.0110 40.4989 0.0075 0.0803 0 0.0018

206 89.969 336.5 30.00 0.08 0.1856 0.0055 61.8493 27.9280 0.0001 0 0

207 82.954 336.5 30.00 0 0.1747 0.0036 54.8496 27.9258 0 0 0

208 7.015 336.5 30.00 1 0.0109 0.0019 6.9997 0.0023 0 0 0

209 82.954 351.0 30.00 0.06 0.1747 0.0036 54.8496 27.9258 0 0 0

210 77.998 351.0 30.00 0 0.1650 0.0026 49.9061 27.9241 0 0 0

211 4.958 351.0 30.00 1 0.0097 0.0010 4.9453 0.0018 0 0 0

212 52.640 305.5 30.00 1 0.0864 0.0138 52.4461 0.0116 0.0804 0 0.0018

213 77.998 290.0 30.00 0 0.1650 0.0026 49.9061 27.9241 0 0 0

214 4.958 290.0 8.00 0.11 0.1650 0.0026 49.9061 27.9241 0 0 0

215 69.292 290.0 8.00 0 0.1578 0.0002 41.2191 27.9144 0 0 0

216 8.706 290.0 8.00 1 0.0072 0.0024 8.6870 0.0097 0 0 0

217 69.292 244.0 8.00 1 0.1578 0.0002 41.2191 27.9144 0 0 0

218 69.292 244.0 2.00 0 0.1578 0.0002 41.2191 27.9144 0 0 0

219 61.595 244.0 2.00 0 0.1520 0.0000 33.5423 27.9012 0 0 0

Page 39: Optimización de una planta industrial para la producción

No.

Corriente

Flujo

[Kmol/h]

Temperatura

[°C]

Presión

[atm]

Frac. de

vapor

Flujo molar [Kmol/h] I2 HI H2O H2SO4 SO2 H2 O2

220 7.696 244.0 2.00 1 0.0059 0.0002 7.6769 0.0133 0 0 0

221 61.595 158.0 2.00 0 0.1520 0.0000 33.5423 27.9012 0 0 0

222 61.595 158.0 0.07 0 0.1520 0.0000 33.5423 27.9012 0 0 0

223 51.678 158.0 0.07 1 0.1407 0.0000 23.6597 27.8772 0 0 0

224 9.918 158.0 0.07 1 0.0113 0.0000 9.8826 0.0239 0 0 0

225 26.320 224.3 0.07 1 0.0243 0.0026 26.2464 0.0469 0 0 0

226 60.313 39.2 0.07 1 0.13797 0 60.1735 0 0 0 0

227 60.313 39.2 0.07 0 0.13797 0 60.1735 0 0 0 0

228 37.975 39.2 0.07 0 0.08687 0 37.8870 0 0 0 0

229 22.338 39.2 0.07 0 0.0511 0 22.2865 0 0 0 0

230 84.182 276.3 0.07 0 0.0896 0 8.6529 75.4968 0 0 0

231 53.842 276.3 0.07 0 0 0 7.2797 47.6196 0 0 0

232 29.340 276.3 0.07 0 0.0896 0 1.3732 27.8772 0 0 0

233 29.340 277.0 7 0 0.0896 0 1.3732 27.8772 0 0 0

234 29.340 411.0 7 1 0.0896 0 1.3732 27.8772 0 0 0

235 55.789 827.0 7 1 0.0896 0 19.0061 10.2443 17.633 0 8.8165

236 55.789 431.0 7 1 0.0896 0 19.0061 10.2443 17.633 0 8.8165

237 55.789 266.0 7 0.66 0.0896 0 19.0061 10.2443 17.633 0 8.8165

238 55.789 120.0 7 0.66 0.0896 0 19.0061 10.2443 17.633 0 8.8165

239 28.978 120.0 7 0 0.0835 0 18.5701 10.2442 0.0804 0 0.0002

301 329.860 262.0 22.00 0 140.2425 36.0400 152.8286 0.73514 0 0 0.0134

302 31.1304 262.0 22.00 1 0.1492 0.1768 30.8044 0 0 0 0

303 360.949 260.5 21.71 0.61 140.4000 36.2000 183.6000 0.73514 0 0 0.0134

304 360.949 262.0 21.71 0.62 140.4000 36.2000 183.6000 0.73514 0 0 0.0134

305 400.000 206.21 21.71 1 0.0025 2.9294 326.0719 0 0 17.7284 0.0134

306 300.000 206.2 21.71 1 0.0025 2.9294 244.5 0.73514 0 0 0

307 300.000 206.2 21.71 1 0.0025 2.9294 244.5 0.73514 0 0 0

308 100.000 206.2 21.71 1 0.0025 0.7504 81.5089 0 0 17.7248 0.0134

309 422.593 285.8 21.71 0 180.0713 0 241.7321 0.73514 0 0 0

310 161.59 258.9 21.71 1 21.9490 0 139.641 0 0 0 0

311 100.000 25.0 21.71 0.18 0.0025 0.7504 81.5089 0 0 17.7248 0.0134

312 17.745 24.9 21.71 1 0.0000 0 0.0265 0 0 17.7050 0.0134

313 260.949 258.9 21.71 0 158.1223 0 102.0911 0.73514 0 0 0

314 260.949 258.9 5.00 0 158.1223 0 102.0911 0.73514 0 0 0

Page 40: Optimización de una planta industrial para la producción

8. Integración Energética

Una mayor optimización del consumo energético y por lo tanto de los costos de la planta se

puede alcanzar mediante la integración energética de las corrientes de proceso. Para realizar

la integración energética se hace uso de la técnica Pinch disponible en el software Aspen

Energy Analizer™.

Para realizar la integración energética se supone que el proceso incluye únicamente

intercambiadores multi-paso de tubos y coraza en contracorriente y que no hay caídas de

presión en las tuberías ni en los tanques.

La Tabla 5 muestra las especificaciones del problema de integración. Se tienen en 5

corrientes frías y 8 corrientes calientes. Las curvas de compuestas de enfriamiento y

calentamiento para una diferencia mínima de temperatura de 10°C se presentan en la Figura

18. Como se puede observar El pinch caliente se sitúa a los 270°C.

Tabla 5. Requerimientos Energéticos de los Intercambiadores del proceso.

Equipo Corriente

Temperatura

de entrada

[°C]

Temperatura

de salida

[°C]

Calor

Intercambiado

E-201 202-203 144.9 320.5 1389.11

E-202 204-206 320.5 336.5 465.88

E-203 207-209 336.5 351.0 804.39

E-204 210-213 351.0 290.0 -2095.52

E-205 215-217 290.0 244.0 -94.18

E-206 219-221 244.0 158.0 -26.098

E-209 233-234 277.0 411.0 252.04

E-210 235-236 827.0 431.0 -497.16

E-211 236-237 431.0 266.0 -589.11

E-212 237-238 266.0 120.0 -325.60

E-301 303-304 260.0 262.0 2807.16

E-101 102-103 147.4 127.0 -412.38

E-102 115-116 305.5 127.0 -671.11

Page 41: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 18. Curva compuesta de calentamiento y enfriamiento

con una aproximación de 10°C de diferencia mínima de

temperatura.

Los requerimientos de calentamientos de la integración energética son de 223 kJ/s y los

requerimientos de enfriamiento son de 1709.7 kJ/s. La red de integración propuesta por

Aspen Energy Analizer™ consta de 20 intercambiadores y se describe detalladamente en el

Anexo 2.

Page 42: Optimización de una planta industrial para la producción

9. Conclusiones

La mayor dificultad para simular el ciclo termoquímico S-I es poder modelar correctamente

la termodinámica, ya que ningún modelo termodinámico de ApenPlus™ predice la

formación de las dos fases ácidas que se forman en la reacción de Bunsen. La especificación

apropiada de los mecanismos químicos de solución en cada sección del proceso es

determinante para obtener una simulación apropiada.

La simulación de todo el ciclo permite determinar la medida en la que las sustancias

químicas presentes en el proceso se regeneran. Las condiciones de la planta se establecieron

de tal manera que solo fuera necesario reponer el 0.1% de la cantidad del total de las

sustancias presentes en las corrientes del proceso.

Una optimización modular secuencial de los equipos críticos permitió determinar las

condiciones de operación que minimizan los requerimientos energéticos y eléctricos y por lo

tanto la función económica de la planta. Una relación H2O:I2:SO2 de 15.4:9:1 a una

temperatura de 127°C en la corriente de alimentación del reactor de Bunsen permite obtener

un ahorro energético considerable en este equipo.

La reducción del consumo energético del reactor de descomposición de la sección II se logra

cuando se concentra el ácido sulfúrico hasta un 91%. Las condiciones de la torre de

destilación que concentra el ácido sulfúrico también se modificaron para minimizar la carga

del rehervidor, estableciendo una razón de reflujo molar óptima de 1.7. El concentrador

isobárico de la sección II se sometió a una optimización que permitió obtener una presión de

operación óptima de 30 atm. Por último, al especificarse la temperatura de alimentación de la

torre de destilación reactiva de la sección III en 262°C se logra una disminución en el

consumo energético de la mayoría de los equipos de la sección.

El consumo energético de la planta se redujo en 4.61% después de la optimización, que en

términos económicos corresponde a 833905.15 USD/año.

Page 43: Optimización de una planta industrial para la producción

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Page 47: Optimización de una planta industrial para la producción

Anexo 1. Red de Integración Energética.

Intercambiador Tipo de

Corriente Corriente

Tin

[°C] Tout[°C]

Calor

Intercambiado

[kJ/s]

1 H 236-237 317.6 266.0

184.1731 C 303-304 260.5 260.6

2 H 236-237 348.6 317.6

110.5944 C 233-234 277.0 335.8

3 H 210-213 290.7 290.0

22.5690 C 202-203 144.9 147.8

4 H 236-237 411.5 348.6

224.6678 C 207-209 336.5 340.5

5 H 236.237 411.9 411.5

1.3189 C 233-234 335.8 336.5

6 H 210-213 325.9 290.7

1210.6048 C 303.304 260.6 261.2

7 H 115-116 305.5 264.5

319.0673 C 303-304 261.2 261.4

8 H 210-213 337.5 325.9

397.5243 C 204-206 320.5 334.2

9 H 236-237 431.0 411.9

68.3557 C 204-206 334.2 336.5

10 H 235-236 827 431

497.1600 C 207-209 342.0 351.0

11 H 215-217 266.0 246.2

901.7191 C 202-203 147.8 261.7

12 H 215-217 290.0 266.0

1093.3148 C 303-304 261.4 262.0

13 H 210-213 351.0 337.5

464.8219 C 202-203 261.7 320.5

14 H 219-221 244.0 158.0 94.1800

15 H 237-238 266 120 32.5600

16 H 102-103 147.4 127 412.3800

17 H 115-116 264.5 127.0 1069.9984

18 H 215-217 246.2 244.0 100.4861

19 C 207-209 340.5 342.0 82.5622

20 C 233-234 336.5 411.0 140.1267

Page 48: Optimización de una planta industrial para la producción

Figura 19. Red de integración energética.