Resumen en castellano – 7 temas

Site last update April 29th_2021

Keywords: Resumen castellano fricción tuberia difásico CO2 eólica agua renovable

Tema 1 – FRICCION FLUIDICA

Esta sección se completará más tarde.

Tema 2 – TUBERIAS DE GAS Y LIQUIDO

Esta sección se completará más tarde.

Tema 3 – FLUJO DIFÁSICO

Esta sección se completará más tarde.

Tema 4 – DIÓXIDO DE CARBONO

Dióxido de carbono: Turbinas de gas, calderas, motores de vehículos; Bucle de presurización y de expansión, captura, compresión, transporte e inyección; Recuperación de energía; Gases ácidos; bucle geotérmica

4.1-Información general sobre dióxido de carbono

En este capítulo, estamos particularmente interesados en el dióxido de carbono, pero también en los óxidos de azufre y nitrógeno que a menudo se asocian con él. A veces se hace referencia a estos gases, en presencia de agua, por “gases ácidos” debido a su agresividad hacia los materiales. Estos gases a menudo resultan de la combustión de materiales carbonosos o combustibles fósiles como el dióxido de carbono y los óxidos de nitrógeno (también conocidos como NOx). El dióxido de carbono también se produce durante la extracción de combustibles fósiles a veces en asociación con sulfuro de hidrógeno.

Estos gases son peligrosos o perjudiciales para la salud de los seres vivos y el medio ambiente. Por lo tanto, es necesario limitar su tasa de producción (mejora de la eficiencia energética) o capturarlos durante su extracción o su producción durante una transformación química (combustión de elementos de carbono).

Después de la extracción de combustibles fósiles, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno están separados de los hidrocarburos por procesos fisicoquímicos. En el caso del sulfuro de hidrógeno, este gas a veces se convierte en azufre. El dióxido de carbono a veces es utilizado por la industria alimentaria o inyectado en el subsuelo ya sea para aumentar la producción de hidrocarburos (especialmente en forma líquida) mediante al aumento de la presión del depósito o para el almacenamiento a largo plazo. También se pueden inyectar en depósitos agotados que comprenden una fase acuosa que permite la disolución de gases ácidos en agua.

Al refinar los hidrocarburos, la fracción de azufre se reduce considerablemente para limitar las emisiones de óxidos de azufre a la atmósfera durante la combustión de combustibles principalmente pesados.

La combustión de hidrocarburos genera dióxido de carbono, una molécula esencial en el proceso de producción de energía o calor. En los motores de combustibles fósiles, cuanto mayor es la producción de dióxido de carbono (por lo tanto, menor es la producción de monóxido de carbono), mayor es la eficiencia de la producción de energía. La combustión de hidrocarburos también genera óxidos de nitrógeno, cuya tasa depende principalmente de la temperatura de combustión y el tiempo de tránsito en las cámaras de combustión. Hay varias formas de limitar el nivel de NOx durante la combustión.

La tasa de producción de dióxido de carbono por unidad de masa de combustible o unidad de energía depende de la constitución de las moléculas de carbono, en el sentido de que cuanto más una molécula de carbono contiene átomos de hidrógeno, más energía tiene esta molécula para una masa dada. Por lo tanto, la combustión de una molécula de metano (CH4) es relativamente más energética que la del etano (C2H6), que en sí misma es más energética, sucesivamente, que la del propano (C3H8), el butano (C4H10), pentano, hexano, etc. Por esta misma razón, la gasolina es más energética que el gasóleo (motor diesel), las cadenas C8 de una gasolina promedio contienen relativamente más átomos de hidrógeno que las cadenas C13 de un gasóleo promedio. La eficiencia energética de un combustible no debe confundirse aquí con la eficiencia de combustión de un motor. Por lo tanto, un motor diesel es más eficiente que un motor de gasolina debido a la temperatura de combustión que es más alta en el primer caso que en el segundo y no debido a la calidad del combustible.

Este capítulo presenta cinco situaciones relacionadas con el dióxido de carbono : a) Centrales de alta potencia (electricidad) basadas en la combustión de combustibles fósiles; b) Medios de transporte que utilizan energía producida por combustibles fósiles; c) La reinyección combinada de gases ácidos y una fase acuosa en un acuífero; d) El principio de funcionamiento de un dióxido de carbono geotérmico de circuito cerrado para la producción de energía y calor; e) Problemas que pueden surgir al comprimir dióxido de carbono.

4.2-Plantas de combustibles fósiles: captura de dióxido de carbono por un solvente físico con recuperación de energía

Las centrales eléctricas de alta potencia proporcionan electricidad a partir de combustibles nucleares, carbón o hidrocarburos, y utilizan generadores eléctricos impulsados por turbinas de vapor o gas. Estos combustibles tienen sus propias ventajas y desventajas. En los tres casos mencionados anteriormente, la eficiencia térmica es relativamente baja (muy por debajo del 50%) caracterizada por el rechazo de una gran cantidad de calor a la atmósfera que no se convierte en energía. Además, en el caso del carbón y los hidrocarburos, se liberan varios tipos de contaminantes a la atmósfera siendo el principal el dióxido de carbono.

Este documento analysa el caso de las turbinas de gas que ofrecen algunas soluciones para mejorar la eficiencia térmica de la unidad de producción de energía y permitir la captura de gases ácidos, en particular, el dióxido de carbono y los óxidos de nitrógeno. En la solución básica, el dióxido de carbono se captura a alta presión utilizando un solvente físico en un ciclo de compresión-expansión. Estas soluciones también podrían ser adecuadas en el caso de la combustión de carbón en una caldera que produce vapor a alta temperatura y alta presión.

En la crisis ambiental que estamos experimentando actualmente, cabe señalar que la combustión de materiales carbonosos sería una esperanza y no una desventaja si facilitáramos la producción de gasolina y diésel a partir de biomasa y que la asociamos al sistema descrito en este documento. De hecho, en primer lugar, la producción de biomasa se centraría en materiales con una alta tasa de crecimiento (alta tasa de absorción de dióxido de carbono), mientras que, en segundo lugar, el dióxido de carbono se capturaría inmediatamente abajo de la combustión (humo). A diferencia de la situación actual en la que la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera está aumentando por la combustión de combustibles fósiles y la falta de captura de este gas, iríamos hacia una disminución en esta concentración con un aumento en la producción de energía.

http://yvcharron.com/index.php/fossil-fuel-power-plants/

4.3-Motores de vehículos de combustible fósil: recuperación de energía adicional y captura de dióxido de carbono

La sección anterior trata sobre plantas de energía estacionarias de combustibles fósiles de alta potencia. En estas instalaciones terrestres, es posible desplegar medios de recuperación de energía grandes y complejos (calefacción de edificios, producción de vapor, pero también el uso de un ciclo Rankine o un ciclo combinado), así como la captura de dióxido de carbono (con solventes químicos o físicos), así como la compresión, exportación, inyección y almacenamiento de gases tóxicos producidos durante la combustión.

Para las unidades móviles de producción de energía (aplicación terrestre o marítima), las condiciones de recuperación de energía y de tratamiento de gases ácidos son mucho menos fáciles, ya que requieren recursos adaptados a la situación.

En el siglo XXI, la contaminación ambiental (efecto invernadero, emisiones de partículas finas) es tal que los vehículos eléctricos son vistos como la principal solución para resolver la creciente demanda de medios de transporte. Sin embargo, esto ignora todas las nuevas restricciones que se generarán de manera gradual e inevitable en un mundo centrado en la energía eléctrica. Por el contrario, en el futuro, los medios de transporte deberían basarse en una combinación de energía que comprenda la producción de electricidad, baterías, pilas de combustible, hidrógeno, aire comprimido y combustibles carbonosos (no necesariamente fósiles). Además, las baterías eléctricas no satisfacen las necesidades de los motores de alta potencia (camiones, trenes, barcos) para los cuales los combustibles como el hidrógeno, el gas natural y el GLP pueden ser más adecuados para la situación. Para reducir considerablemente la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, el uso de combustibles fósiles (más generalmente materiales carbonosos) solo puede mantenerse si los motores de combustibles fósiles aumentan considerablemente su eficiencia térmica y están diseñados para capturar, desde la fuente de emisión, dióxido de carbono y devolverlo a un centro de tratamiento.

Al igual que con las centrales térmicas de alta potencia, el crecimiento del sector del motor térmico que utiliza materiales carbonosos producidos a partir de biomasa podría constituir un sistema virtuoso tan pronto como los gases tóxicos se capturen abajo del sistema de emisión. Esto no llevaría a un aumento en la concentración de dióxido de carbono (motores actuales que usan combustibles fósiles) en la atmósfera, sino a una disminución.

El artículo describe un sistema que comprende un ciclo de Rankine abajo de los gases de combustión, así como un sistema para capturar los gases ácidos a alta presión usando un solvente físico.

4.4-Gases ácidos disueltos en agua e inyectados en un acuífero: dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno

En algunos yacimientos petrolíferos, la producción de hidrocarburos se acompaña de la producción de agua, dióxido de carbono e incluso sulfuro de hidrógeno. En general, la calidad del agua no permite su liberación a la superficie ni la liberación de CO2 o H2S a la atmósfera por encima de una determinada concentración. Con este fin, el agua, el CO2 y el H2S a veces se inyectan en el subsuelo utilizando equipos de bombeo y compresión. La presión de inyección en la superficie está determinada por la presión del depósito, así como por la altura manométrica correspondiente a la altura de la columna de inyección de fluido.

En algunos campos de operación, después de la compresión y el enfriamiento, los gases ácidos (CO2 y H2S) se mezclan con agua. Dependiendo de la proporción de flujos de masa de agua y gases ácidos, estos gases se disuelven total o parcialmente en el agua. Esta mezcla con disolución total o parcial tiene varias ventajas.

En el caso de la disolución total, el flujo de volumen de los gases inyectados se reduce considerablemente, ya que el flujo de volumen total realmente inyectado es similar al del agua. Esto permite una fuerte reducción en el diámetro de la columna de inyección, así como la presión de inyección (densidad del agua significativamente mayor que la del gas).

En el caso de disolución parcial, la presión del cabezal del pozo y el diámetro del tubo de inyección son intermedios entre los correspondientes a inyecciones separadas de agua y gas sin disolución previa. Sin embargo, considerando que la presurización de una fase compresible (gas) consume mucha más energía que la de una fase incompresible (líquido), este caso de disolución arriba del pozo de inyección consume mucha menos energía en comparación con inyecciones individuales no precedidas por disolución.

Tradicionalmente, esta operación se lleva a cabo utilizando una unidad de bombeo para agua, una unidad de compresión para gases ácidos y un mezclador en la salida de bombeo y compresión. La compresión de gases requiere mucho equipo. Teniendo en cuenta el calentamiento del gas durante la compresión: además de los compresores y las bombas y su accionamiento, son necesarios intercambiadores de calor y separadores de agua (gas parcialmente húmedo) para evitar el arrastre de agua en la etapa de compresión abajo.

El artículo describe un sistema de bombeo único en el que el agua y el gas se presurizan simultáneamente en una sola máquina, denominada bomba multifásica. Esta disposición requiere una cantidad muy pequeña de equipo: muy pocos intercambiadores de calor, sin separador o incluso sin mezclador.

El artículo menciona una desventaja de la solución cuando los gases son producidos por una unidad de tratamiento de amina (presión cercana a 1 bar abs) que recomienda el uso de una bomba multifásica que comprende dos etapas montadas una detrás de la otra, incluida una primera etapa para compresión del gas solo antes de su introducción en una segunda etapa multifásica.

4.5-Circuito geotérmico de CO2: producción de energía y calor

El calor del subsuelo a veces se recupera mediante sistemas de producción geotérmicos que bombean agua caliente almacenada a gran profundidad. En la mayoría de los casos, el agua está disponible a una temperatura promedio (entre 50 y 100 ° C, dependiendo de las características del depósito) a menudo lo suficientemente alta como para alimentar áreas residenciales. En otros casos, la presión y la temperatura del agua son considerablemente más altas, proporcionando tanto vapor a alta presión como agua caliente. La energía del vapor se puede recuperar mediante el uso de una turbina de vapor. Después del tratamiento, el agua se evacua a la superficie o se inyecta en el subsuelo según las características del agua y las regulaciones locales.

El dióxido de carbono es perjudicial para el medio ambiente. Como resultado, este gas se inyecta cada vez más en el subsuelo para el almacenamiento a largo plazo.

El almacenamiento de dióxido de carbono y el calor disponible en el subsuelo son dos parámetros a tener en cuenta para un suministro gratuito de energía y calor. Esto podría hacerse usando un circuito geotérmico que extraiga gas de una cavidad de almacenamiento, recuperando energía y calor del gas en la superficie y luego reinyectando ese mismo gas bajo tierra.

El uso de dicho sistema con la mayoría de los gases no necesariamente proporcionaría ventajas en términos de energía, la energía requerida para la reinyección del gas es equivalente o incluso mayor que la energía recuperada de la superficie.

Las propiedades termodinámicas del dióxido de carbono son cruciales para proporcionar un exceso de energía en un circuito geotérmico. El artículo describe dicho sistema.

4.6-Compresión de dióxido de carbono

La compresión de dióxido de carbono puede presentar ciertas dificultades en varios campos. El dióxido de carbono no se comporta como un gas ideal; por lo tanto, se requiere un buen conocimiento de sus propiedades termodinámicas para determinar mejor los parámetros de compresión. Se debe prestar especial atención a la velocidad relativa del gas en las entradas de las alas para evitar pérdidas sónicas, así como dentro de los canales hidráulicos para limitar las pérdidas por choque. El riesgo de la formación de carbohidratos en presencia de agua e de hidrocarburos a baja temperatura, así como la licuefacción parcial de dióxido de carbono por debajo de una temperatura crítica (una función de la presión – punto de rocío), en particular, cuando se utiliza una máquina de compresión monofásica. Por encima del punto crítico (fase densa), el fluido se comporta, en términos de compresibilidad, entre una fase compresible (gas) y una fase incompresible (líquido), por lo tanto, las celdas hidráulicas (Impulsor – Rueda y Difusor – Rectificador) deben tener una geometría adecuada para obtener un eficiencia y un coeficiente de presión óptimo. La operabilidad de un tren de compresión que incluye varias secciones puede estar limitada en términos de flujo, presión y velocidad de rotación alrededor del punto de estudio. Se necesitan materiales especiales para tener en cuenta la agresividad del dióxido de carbono húmedo (gas ácido), la presencia de sulfuro de hidrógeno y también el riesgo de alcanzar una temperatura muy baja después de la despresurización repentina de las Instalaciones de compresión (desde alta presión hasta presión atmosférica).

La ventaja de un sistema de compresión difásica (dióxido de carbono, semi-gas – semi-líquido) en comparación con un sistema monofásico es a veces objeto de cuestionamiento. Este artículo examina la ventaja relativa de tal modo de compresión.

Tema 5 – Sistemas eólicos

Esta sección se completará más tarde.

Tema 6 – Producción de agua

Esta sección se completará más tarde.

Tema 7 – Recuperación de energía y energías renovables

Esta sección se completará más tarde.