Proceso industrial de producción de metanol con captura de CO2 integrando bomba de calor con suministro energético renovable

El impacto ambiental de los procesos químicos industriales donde la fuente primaria de energía térmica para los equipos de suministro energético es la quema de combustibles fósiles ha generado una atención significativa por parte de la comunidad económica global y grupos ambientalistas en el sentido...

Full description

Autores:
Correa Quintana, Edgar Alfonso
Tipo de recurso:
Doctoral thesis
Fecha de publicación:
2025
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/32321
Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/32321
Palabra clave:
Methanol
Electrification
Heat pum
Financial evaluation
Life cycle assessment
Energy
Engineering
Energy resources
Economic analysis
Feasibility studies
Carbon dioxide
Electrical energy
Environmental protection
Ingeniería
Recursos energéticos
Análisis económico
Estudios de factibilidad
Dióxido de carbono
Energía eléctrica
Protección del medio ambiente
Metanol
Electrificación
Bomba de calor
Evaluación financiera
Análisis de ciclo de vida
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description El impacto ambiental de los procesos químicos industriales donde la fuente primaria de energía térmica para los equipos de suministro energético es la quema de combustibles fósiles ha generado una atención significativa por parte de la comunidad económica global y grupos ambientalistas en el sentido de implementar medidas urgentes y sostenibles de reducción de las emisiones de gases efecto invernadero (GEI), con el objetivo de mitigar la realidad actual e inminente del cambio climático. La electrificación de procesos industriales y el desarrollo de procesos que descarbonicen la industria o utilicen el CO_2 como materia prima, son enfoques sustentables que brindarán importantes oportunidades para la reducción de la huella de carbono y la mejora competitiva del uso de la energía para la industria química en general. El aporte del presente documento permite mostrar la viabilidad, técnica, económica y ambiental de la conversión de una unidad dispuesta para la producción de hidrógeno, hacia una nueva planta de producción de metanol para un contexto colombiano; la planta utiliza la captura y utilización de carbón (CCU) como fuente de materia prima y la energía eléctrica (bomba de calor) como medio de sustitución de fuentes térmicas convencionales como el gas natural y carbón para procesos industriales. La metodología empleada modela y simula un proceso para la producción de metanol mediante el software HYSYS v12, utilizando para ello información de una planta real, junto con información recopilada de la literatura. Los resultados obtenidos permiten identificar para la planta mejoras en los rendimientos de metanol del 5%, ahorros en consumo energético cercanos al 50%, reducción de costos en servicios del 45% y reducción en el impacto ambiental sobre el calentamiento global de 50%. Los anteriores resultados permiten viabilizar a futuro, el desarrollo e implementación de la producción del metanol en el país mediante una planta industrial modificada, la cual permitiría cubrir alrededor del 97% de la demanda interna de mercado en Colombia.
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spelling Muñoz Maldonado, Yecid Alfonsod4c5b1f0-b1ac-4bd0-9962-98368b612214Correa Quintana, Edgar Alfonso67dee584-2b93-4a76-b93f-d949f7466013Muñoz Maldonado, Yecid Alfonso [0001478388]Muñoz Maldonado, Yecid Alfonso [Flz965cAAAAJ]Correa Quintana, Edgar [0009-0002-6557-9001]Muñoz Maldonado, Yecid Alfonso [0000-0002-5151-1068]Muñoz Maldonado, Yecid Alfonso [56205558500]Muñoz Maldonado, Yecid Alfonso [Yecid_Munoz]Grupo de Investigación Recursos, Energía, Sostenibilidad - GIRESMuñoz Maldonado, Yecid Alfonso [yecid-alfonso-muñoz-maldonado]Correa Quintana, Edgar Alfonso [edgar-alfonso-correa-quintana-06b73813a]Barrancabermeja (Santander, Colombia)septiembre 2021 a diciembre 2024UNAB Campus Bucaramanga2025-11-27T18:11:28Z2025-11-27T18:11:28Z2025-11-25http://hdl.handle.net/20.500.12749/32321instname:Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABreponame:Repositorio Institucional UNABrepourl:https://repository.unab.edu.coEl impacto ambiental de los procesos químicos industriales donde la fuente primaria de energía térmica para los equipos de suministro energético es la quema de combustibles fósiles ha generado una atención significativa por parte de la comunidad económica global y grupos ambientalistas en el sentido de implementar medidas urgentes y sostenibles de reducción de las emisiones de gases efecto invernadero (GEI), con el objetivo de mitigar la realidad actual e inminente del cambio climático. La electrificación de procesos industriales y el desarrollo de procesos que descarbonicen la industria o utilicen el CO_2 como materia prima, son enfoques sustentables que brindarán importantes oportunidades para la reducción de la huella de carbono y la mejora competitiva del uso de la energía para la industria química en general. El aporte del presente documento permite mostrar la viabilidad, técnica, económica y ambiental de la conversión de una unidad dispuesta para la producción de hidrógeno, hacia una nueva planta de producción de metanol para un contexto colombiano; la planta utiliza la captura y utilización de carbón (CCU) como fuente de materia prima y la energía eléctrica (bomba de calor) como medio de sustitución de fuentes térmicas convencionales como el gas natural y carbón para procesos industriales. La metodología empleada modela y simula un proceso para la producción de metanol mediante el software HYSYS v12, utilizando para ello información de una planta real, junto con información recopilada de la literatura. Los resultados obtenidos permiten identificar para la planta mejoras en los rendimientos de metanol del 5%, ahorros en consumo energético cercanos al 50%, reducción de costos en servicios del 45% y reducción en el impacto ambiental sobre el calentamiento global de 50%. Los anteriores resultados permiten viabilizar a futuro, el desarrollo e implementación de la producción del metanol en el país mediante una planta industrial modificada, la cual permitiría cubrir alrededor del 97% de la demanda interna de mercado en Colombia.ECOPETROL S.A1. INTRODUCCIÓN 1.1 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN 1.2 HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN 1.3 ANTECEDENTES 1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN 1.5 OBJETIVOS 1.5.1 Objetivo General 1.5.2 Objetivos Específicos 1.6 ESTRUCTURA DE LA TESIS 2 MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL 2.1.1 El metanol: hacia un ciclo sostenible del carbón 2.1.2 Electrificación de los procesos industriales 2.1.3 Dióxido de carbono como materia prima 2.1.4 Hidrógeno componente de un futuro más equilibrado 2.1.5 La bomba de calor y su potencial uso industrial 2.1.6 Análisis de ciclo de vida (ACV) como herramienta en la determinación de impactos ambientales potenciales de un proceso industrial 2.1.6 Simulación de procesos para el diseño de plantas 2.1.6.1 Diseño de procesos 2.1.6.2 Química del proceso 2.1.6.3 El concepto de tecnología 2.1.6.4 Recopilación de datos 2.1.6.5 Desarrollo de diagramas de flujos de procesos (PFD) 2.1.6.6 Programas de simulación de procesos 2.1.6.7 Evaluación económica de procesos 2.2 MARCO NORMATIVO 3 ASPECTOS METODOLÓGICOS 3.1 ENFOQUE Y TIPO DE INVESTIGACIÓN 3.2 TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 3.3 UNIVERSO Y MUESTRA 3.4 FASES DE LA INVESTIGACIÓN 3.4.1 Fase 1. Analizar esquemas tecnológicos para la aplicación de la bomba de calor como medio de sustitución de fuentes térmicas convencionales (electrificación) 3.4.2 Fase 2. Diseñar un proceso químico para la producción de metanol con captura de CO2 integrando el concepto de electrificación mediante bomba de calor y uso de fuente energética renovable (Caso estudio: Refinería de Barrancabermeja-Planta de Generación de Hidrógeno) 3.4.3 Fase 3. Evaluar la sostenibilidad del esquema tecnológico propuesto mediante un análisis técnico, económico y ambiental 3.5 ACTIVIDADES INVESTIGATIVAS REALIZADAS 4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 ENSAYO EXPERIMENTAL EVALUACIÓN ENERGÉTICA DE UN DESTILADOR-SEPARACIÓN METANOL-AGUA 4.2 BASES DE DISEÑO 4.3 MODELO PLANTA METANOL-CASO BASE 4.4 MODELO PROPUESTO PLANTA METANOL CON BOMBA DE CALOR 4.5 MODELO UNIDAD DE CAPTURA DE CARBÓN (CCU) 4.6 BOMBA DE CALOR 60 4.7 ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO 4.8 ANÁLISIS AMBIENTAL-ACV 5 CONCLUSIONES LÍNEA FUTURA DE INVESTIGACIÓN REFERENCIAS ANEXOSDoctoradoThe environmental impact of industrial chemical processes where the primary source of thermal energy for their processes is the combustion of fossil fuels has generated significant attention from the global economic community and environmental groups in the sense of implementing urgent and sustainable measures to reduce greenhouse gas (GHG) emissions in order to mitigate the current and imminent reality of climate change. The electrification of industrial processes and the development of processes that decarbonize the industry or use CO_2 as raw material are sustainable approaches that will provide important opportunities for reducing the carbon footprint and improving the competitiveness of energy use for the chemical industry in general. The contribution of this document is to show the technical, economic and environmental feasibility of converting a unit ready for hydrogen production to a new methanol production plant in a Colombian context, which uses carbon capture as a source of raw material and electric energy (heat pump) as a means of replacing conventional thermal sources such as gas and coal for industrial processes. The methodology used models and simulated process to produce methanol using HYSYS v12 software, using information from a real plant, together with information collected from the literature. The results obtained allow for the identification of increases in methanol yields of 5%, savings in energy consumption of close to 50%, a reduction in service costs of 45% and a reduction in the environmental impact on global warming of 50%. These results make it possible to develop and implement methanol production in the country, using a modified industrial plant, which would cover approximately 97% of Colombia's domestic market demand.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Proceso industrial de producción de metanol con captura de CO2 integrando bomba de calor con suministro energético renovableIndustrial process for methanol production with CO2 capture integrating a heat pump with renewable energy supplyThesisinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisTesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06info:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TDDoctorado en IngenieríaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaDoctorado en IngenieríaDING-1502MethanolElectrificationHeat pumFinancial evaluationLife cycle assessmentEnergyEngineeringEnergy resourcesEconomic analysisFeasibility studiesCarbon dioxideElectrical energyEnvironmental protectionIngenieríaRecursos energéticosAnálisis económicoEstudios de factibilidadDióxido de carbonoEnergía eléctricaProtección del medio ambienteMetanolElectrificaciónBomba de calorEvaluación financieraAnálisis de ciclo de vidaJ. 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