reactores en hysys

7/27/2019 reactores en hysys

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UTN FacultadRegional Mendoza Depto. IngenierIaQuImica Utilitarios deComputaciOn

Pginai de i2

Departamento de Ingenierla Qulmica

Ctedra: UTILITARIOS DE COMPUTACION

RREEAACCTTOORREESS

HHYYSSYYSS

Profesor: Ing. SERGIO FLORESJTP: Ing. CARLOS SICCATTO

2010

Apuntes de: UAM Departamento de Ingeniera Qumica


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UTN Facultad Regional Mendoza Depto. Ingeniera Qumica Utilitarios de Computacin

Ejemplo del Uso de reactores

Introduccin

La mezcla de hidrgeno y CO en distintas proporciones se denomina gas desntesis (SYNGAS). Este producto puede obtenerse mediante reformado alo-y/o autotrmico de hidrocarburos ligeros, as como por oxidacin parcial decualquier tipo de hidrocarburos, incluso de los extrapesados y del carbn,siempre en presencia de vapor de agua. La composicin del gas depende deltipo de proceso, de las condiciones de operacin y de las impurezas o inertespresentes en las materias primas utilizadas. Segn cual vaya a ser la aplicacindel SYNGAS, debe reajustarse la relacin H2/CO en una unidad de shift-conversin (esto se consigue por desplazamiento del equilibrio C + H2O CO2 + H2 hacia la formacin de los productos) y eliminarse las impurezaspresentes. Tanto la mezcla (SYNGAS), como sus componentes (el hidrgeno yel CO, que se separa fcilmente del gas mediante absorcin selectiva) tienenmltiples aplicaciones: produccin de amoniaco, metanol, carburantes, sntesisde Fischer-Tropsch y otras.

La tecnologa para producir gas de sntesis por reformado del metano convapor a temperaturas de unos 800 C con catalizadores de nquel se desarroll

en Alemania (BASF) y en USA (Standard Oil Co.) hacia 1930. A partir deentonces se utiliz principalmente en USA como fuente de hidrgeno para laproduccin de amonaco. En Europa, la falta de gas natural impidi laexplotacin industrial del nuevo proceso debiendo continuar con la oxidacinparcial, hasta que en 1951 la Imperial Chemical Industries (ICI) desarroll ypuso a punto un catalizador que permiti el empleo de naftas como materiaprima, en un reactor de steam reforming. La primera unidad de reformado denaftas entr en servicio en Inglaterra en 1959 y en pocos aos se impuso comoel proceso ms econmico para la produccin de gas de sntesis, en general, yde hidrgeno en particular. Los reactores de steam reforming generalmenteson alotrmicos, del tipo multi-tubular de flujo pistn. La energa trmica (calor)

necesaria para que se verifique la reaccin global (endotrmica)

(2n+ m)CnHm + nH2O nCO + H2

2H> 0

se le transmite a la masa reaccin-catalizador a travs de la superficie de lostubos y se genera por combustin empleando los mecheros de una cmara decombustin.


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En este ejemplo simularemos un proceso de produccin de Gas de Ciudad.Como materia prima utilizaremos el metano obtenido por cabeza de la columnade de-metanizacin del fraccionamiento del gas natural, aunque ledenominaremos de forma genrica Natural Gas.

Simulacin

El proceso que consideramos cuenta con tres etapas fundamentales: (i)- elreformado del gas natural con vapor de agua, (ii)- la eliminacin de lasimpurezas y, (iii)- la metanizacin del CO que se obtiene en el reformado.

Las dos reacciones fundamentales del reformado (el reformado propiamentedicho y el desplazamiento del equilibrio hacia la formacin de una mayorcantidad de H2) se modelizan aqu como reacciones de equilibrio en sendosreactores de equilibrio. La eliminacin de impurezas consiste en la eliminacindel CO2 producido durante la etapa de shift-conversin por absorcin conaminas y se simula mediante un component splitter. Por su parte, la reaccinde mecanizacin se representa como una reaccin de conversin y se verificaen un reactor del mismo tipo. El gas natural y el vapor se alimentan al procesoen proporciones molares 1/2,5. Para garantizar en todo momento esa condicin

introducimos la operacin lgica Set.Este constituye un ejemplo interesante desde el punto de vista de la simulacinporque se utilizan modelos de clculo simples para representar cada una de lasoperaciones, a pesar de lo cual se puede obtener una valiosa informacinsobre el proceso.

En la figura 1 mostramos el diagrama de flujo completo utilizado en el clculo.


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Ejem

plo1.-

UsodeReactoresenelGasNatural

Figura

1.

Diag

ramadelprocesodereform

adoconvaporparalaprodu

ccindeGasCiudad

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Definiendo las Bases

1. Creamos una lista con los componentes: C1, CO, CO2, H2 y H2O y laasociamos a la ecuacin de estado Peng Robinson como paquete defluidos.

2. Cuando la simulacin incluye procesos con reaccin qumica, en elentorno de las bases deben definirse la reacciones. En nuestro ejemplolas reacciones a considerar aparecen el la tabla 1.

Nombre de la reccin ReaccinReform1 CH4 + H2O CO + 3H2Reform2 CO + H2O CO2 + H2Shift1 CO + H2O CO2 + H2Meth1 CO + 3H2 H2O + CH4

Tabla 1. Reacciones del proceso

Las reacciones se definen en la pgina Reactionsdel Simulation BasisManager(Figura 2).

Figura 1. Pgina Reactions

A continuacin explicaremos la forma de aadir reacciones.

3. Clicamos en el botn Add Reaction y se despliega un men quepermite escoger el modelo de reaccin qumica a utilizar (Figura 3).


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Figura 3. Modelos de reaccin qumicadisponibles en HYSYS

4. Elegimos la opcin de una reaccin de equilibrio y completamos lainformacin referida a la estequiometra segn la figura 4.

Figura 4. Definiendo la estequiometra de la reaccin Reform1

Por convenio, los coeficientes estequiomtricos de los reactantes sonnegativos y los de los productos positivos.

(-1)CH4 + (-1)H2O (+1)CO + (+3)H2

5. Como se observa, la barra informativa de la parte inferior de la ventana(Figura 4) est en rojo indicando que la definicin de la reaccin no estcompleta (Not Ready). Para que una reaccin de equilibrio quedecompletamente especificada debemos caracterizar la extensin delproceso de alguna manera. En nuestro caso introduciremos los valoresde la constante de equilibrio para diferentes temperaturas (Tabla 2).


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T (C) Keq595 C 0.5650 C 3705 C 14760 C 63815 C 243870 C 817

Tabla 2. Keq. vs. T para la reaccin Reform1

6. Para introducir los valores de Keq. vs. T vamos a la pestaa Basis yactivamos la opcin Keq. vs. T Table(Figura 5).

Figura 5. Definiendo la extensin de la reaccin Reform1

7. Finalmente pasamos a la pgina Keq (Figura 6) e introducimos losvalores de la tabla 2.

Figura 6. Definiendo la extensin de la reaccin Reform1


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T (C) Keq675 C 1.7705 C 1.5730 C 1.3760 C 1.2790 C 1.1

815 C 1.0

De esta forma la reaccin Reform1 ha quedado completamente definida.La inscripcin Ready en la barra de estado verde de la parte inferior dela ventana (Figura 6).

8. A continuacin, procediendo de la misma manera, definimos la reaccinReform2, con la estequiometra y los valores de Keq. vs. T de la tabla 3.

Tabla 3. Definicin de la reaccin Reform2

CO + H2O CO2 + H2

9. La reaccin Shift1 es, qumicamente hablando, el mismo proceso queReform2 y la trataremos tambin como un proceso de equilibrio. Sinembargo, en esta ocasin utilizaremos otra forma de definirla. Para ellonos aprovecharemos de otra herramienta de HYSYS: la librera dereacciones. Aadimos una nueva reaccin de equilibrio que nombramosShift1. A continuacin seleccionamos la opcin Libraryy seguimos lasinstrucciones de la figura 7.

2

1

3

Figura 7. Definiendo una reaccin desde la librera

10. Trataremos la reaccin de metanizacin Meth1 como una reaccin deconversin:

CO + 3H2 H2O + CH4

As elegimos adicionar una reaccin de conversin.


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Nombre Reaccin activaReformer Rxn Set Reform1 y Reform2Shift Rxn Set Shift1Methanator RxnSet Meth1

11. Una vez especificada la estequiometra nos movemos a la pestaaBasis y all elegimos el CO como componente base. Imponemos unaconversin del componente base independiente de la temperatura (Co)

del 100 %. Nombramos la reaccin como Meth1 (Figura 8).

Figura 8. Definiendo la reaccin de conversin Meth1

12. Para completar el entorno de las bases en simulaciones donde seincluyen reacciones qumicas es necesario hacer, finalmente, dos cosas:(i)- organizar las reacciones en Setsy, (ii)- asociar los setscreados alFluid Package seleccionado anteriormente. Esto responde a unesquema metodolgico de HYSYS en que las reacciones se asocian alos reactores en forma de Sets.

Los Sets son conjuntos de reacciones que responden a un mismomodelo (conversin, equilibrio, etc.) y contienen todas lasespecificaciones sobre la reaccin qumica o conjunto de ellas,necesarias para las determinaciones cuantitativas correspondientes al

modelo escogido para describir el proceso qumico. Una misma reaccinpuede pertenecer a ms de un set, pero a un set determinado nopueden asociarse reacciones de diferentes tipos.

13. Crearemos tres setsde reacciones (una para cada reactor a calcular)segn la tabla 4.

Tabla 4. Setsdereacciones a definir en esteejemplo


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14. Los sets se definen desde el Simulation Basis Manager (Figura 9)pulsando el botn Add Set.

Figura 9. Creando un Setde reacciones en HYSYS

15. A continuacin se despliega la ventana que aparece en la figura 10. A

modo de ejemplo desarrollaremos en detalles la definicin del ReformerRxn Set.

Figura 10. Ventana para definir un Setde reacciones en HYSYS

16. Definir un Set de reacciones supone especificar qu reacciones son

activas en el mismo y cules no. Para el Reformer Rxn Setseleccionamos como activas las reacciones Reform1 y Reform2 (vertabla 4). Al completar la ventana de la figura 10 tenemos la figura 11.


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Figura 11. Definicin completa del Reformer Rxn Set

17. Procediendo de la misma manera definimos el Shift Rxn Set yMethanator Rxn Set. En la tabla 4 se muestran las reacciones activasde cada uno de ellos.

18. La figura 12 es una vista de la pgina Reactions luego de dejar

completamente definidos los Setsde reaccin.

(i)

(ii)

Figura 12. Vista final de la pgina Reactionsluego de definidos losSetsde reacciones. Pasos para adicionar un setde reacciones al

paquete de fluidos seleccionado


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Un detalle importante a considerar: el HYSYS crea por defecto unGlobal Rxn Set. Si las definiciones de dicho Set no corresponden a

nuestro caso debe ser eliminado o redefinido.

19. Finalmente, los Setscreados deben ser aadidos al paquete de fluidosseleccionado. Este es un aspecto importante en HYSYS. Si un Setno esadicionado al Fluid Package, no se reconoce desde el entorno desimulacin.

Para adicionar un set dado al paquete de fluidos seleccionadoprocedemos de la siguiente manera: (i)- seleccionamos el set quedeseamos adicionar (consideremos el caso del Reformer Rxn Set), (ii)-clicamos en Add to FP (indicado con flechas en la figura 12). Una vezcumplimentado el segundo de estos pasos se abre la ventana quemostramos en la figura 13. Aqu pulsamos en Add Set to FluidPackage. Con esto se completa la adicin del Reformer Rxn Set alpaquete de fluidos seleccionado.

Figura 13. Adicionando Reformer RxnSetal paquete de fluidos creado

20. Procediendo de la misma forma, adicionamos el Shift Rxn Set y elMethanator Rxn Set al paquete de fluidos. A este le llamamosReformado GN. En la figura 14 mostramos la forma de la ventana delSimulation Basis Manager una vez completada la adicin de los setscreados al paquete de fluidos.


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Figura 14. Vista del Simulation Basis Managerdespus de completar ladefinicin de los setsde reacciones y su adicin al paquete de fluidos

Desarrollando la simulacin

21. Ahora entramos en el PFD (Enter Simulation Environment) yempezamos ya a construir el diagrama de flujo. Lo primero que hacemoses crear dos corrientes materiales con las especificaciones de las tablas5 y 6.

Unidades Natural GasTemperature C 20Pressure kPa 520Mass Flow kg/h 49,866Comp Mass Fraccion:

Methane 1.0

Tabla 5. Definicin de la corriente Natural Gas

Unidades SteamTemperature C 180Pressure kPa 965

Comp Mass Fraccion:H2O 1.0

Tabla 6. Definicin de la corriente Steam


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En esta casilla IntroducimosPgina de conexiones

Nombre Mix-100

EntraNatural Gas

SteamSale Mixed Feed


Nombre HX1Entra Mixed FeedSale Reform FeedEnerga HX1-Q

Pgina de parmetrosCada de presin 10 kPa

Pgina WorksheetReform Feed,Temperatura

760 C


Nombre SET-1Target Object Steam, Molar FlowSource Natural Gas

Pgina de parmetrosMultiplier 2.5Offset 0.0 kmole/h

22. Aadimos un mezclador con las especificaciones de la tabla 7.

Tabla 7. Parmetros de Mix-100

23. Es necesario calentar la alimentacin hasta la temperatura de reaccin,para ello insertamos un Heatercon las definiciones de la tabla 8.

Tabla 8. Parmetros de HX1

24. Fijamos la relacin molar entre el vapor y el metano, mediante laoperacin lgica Set. Establecemos que la cantidad de vapor es 2,5veces mayor que la de metano (ver tabla 9). De esta forma la corrienteSteamqueda completamente definida.

Tabla 9. Parmetros de SET-1


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Nombre HX2Entra Reform ProdSale Shift FeedEnerga HX2-Q


Pgina WorksheetShift Feed 427 C

25. Insertamos el primer reactor, que ser un reactor de equilibrio. Esto lopodemos hacer pulsando en el icono de reactores de la paleta de

objetos ( ) seleccionamos el icono del reactor de equilibrio ( ) ycompletando su definicin de acuerdo con la tabla 10.


Nombre ReformerEntra Reformer FeedVapor de salida Reform ProdLquido de salida Reform LiqEnerga Reform Q

Pgina de parmetrosCada de presin 70 kPaTipo de Duty Heating

Pgina Worksheet

Reform Prod,Temperatura

760 C

Pestaa de ReccionesSet Reformer Rxn Set

Tabla 10. Parmetros del Reformer

26. Aadimos un Coolerpara enfriar los productos de la reaccin. El Coolerse define de acuerdo con la informacin de la tabla 11.

Tabla 11. Parmetros HX2

27. Aadimos ahora el reactor Shift (reactor de equilibrio) en el que,mediante la reaccin que lleva el mismo nombre se regula la cantidad deCO de la corriente. ste se define segn la tabla 12.


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Nombre ShiftEntra Shift FeedVapor de salida Shift ProdLquido de salida Shift LiqEnerga Shift Q

Pgina de parmetrosCada de presin 70 kPaTipo de Duty Cooling

Pgina WorksheetShift Prod,

Temperatura 430 CPgina de Recciones

Set Shift Rxn Set


Nombre HX3Entra Shift ProdSale Amine FeedEnerga HX3-Q


Pgina WorksheetShift Feed 38 C

Tabla 12. Definicin del reactor Shift

28. Aadimos otro Coolercon las definiciones contenidas en la tabla 13.

Tabla 13. Parmetros HX3

29. En un Component Splitter (modelo simplificado de una columna deabsorcin con aminas) separaremos el CO2 producido. El CO, por suparte, ser transformado en metano en el siguiente reactor, logrando deesta forma el producto Gas Ciudad que perseguamos. En la tabla 14 sedan las especificaciones del Splitter.


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Nombre Amine PlantEntra Amine FeedSale por cabeza Sweet GasSale por cola CO2 OffEnerga Am Pl Q

Pgina de parmetrosPresin en cabeza 297 kPaPresin en cola 297 kPa

Pgina WorksheetSweet Gas 138 C


Nombre HX4Entra Sweet GasSale Methanator FeedEnerga HX4-Q


Pgina Worksheet

Methanator Feed 260 C

Tabla 14. Parmetros de Amine Plant

En la pgina Design/Splitsespecificamos que la Fraction to Overhedsea 1.0 para los componentes metano, CO, hidrgeno y agua. Para elCO2 impondremos el valor cero. De esta forma, el CO2 ser retirado porcola y todos los dems componentes por cabeza de columna.

30. Ahora necesitamos calentar la corriente de entrada al reactor demetanizacin hasta su temperatura de reaccin. Para esto aadimos unHeater(especificaciones en la tabla 15).

Tabla 15. Definicin de HX4

31. Slo nos queda introducir el ltimo reactor, que ahora ser deconversin ( ). En este transformamos el CO en metano, de tal formaque ya tenemos configurada la corriente de gas ciudad. En la tabla 16aparecen las especificaciones de dicho reactor.


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Nombre MethanatorEntra Methanator FeedVapor de salida ProductLquido de salida Meth LiqEnerga Meth Q


Pgina WorksheetProduct,Temperatura 280 C

Pgina de reacciones

Set Methanator Rxn Set

Tabla 16. Especificaciones del Methanator

Resultados

El clculo transcurre secuencialmente en la misma medida en que vamosintroduciendo las diferentes unidades. En la tabla 17 presentamos losresultados del clculo para la corriente de salida del proceso. Con esto

podemos hacer un chequeo del trabajo.

Unidades ProductVapour Fraction 1Temperature C 280Pressure kPa 241Molar Flow kgmole/h 206,306Mass Flow kg/h 1647,56Std Ideal Liq Vol Flow m3/h 57,405Heat Flow kW -4006Molar Enthalpy kJ/kgmole -69904

Comp Mole Fraccion:Methane 0,087703

CO 0CO2 0H2 0,61604

H2O 0,296254

Tabla 17. Resultados del clculo para la corriente Product

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