20. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS

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1 20. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una reacción de equilibrio 1.2. Construir conjuntos de reacciones y anexarlos a un paquete fluido 1.3. Simular una planta para producir una mezcla de gases para obtener amoníaco 2. INTRODUCCION Los modelos de reactores de equilibrio suministran una mejor descripción que los reactores de conversión en muchos procesos industriales y, además, permiten la realización de cálculos termodinámicos compatibles con las bases de datos de simulación de procesos. Para una reacción sencilla del tipo aa bb cc+ dd + (20.1) La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación ( f ( f ) ( f ) Grxn( T = K = exp RT c d C D ) a b A) ( f B ) (20.2) Siendo f i, la fugacidad del componente i y, donde para la anterior reacción (1), el cambio de energía libre de Gibbs,, se calcula por la ecuación G rxn G = c G + d G ) ( a G + b G ) (20.3) rxn ( f, C f, D f, A f, B Para reacciones en fase gaseosa a baja presión, la fugacidad puede reemplazarse por las presiones parciales, lo que a su vez permite calcular la constante de equilibrio en términos de la presión total, P, y de la composición, y, de los componentes de la mezcla reaccionante en equilibrio, de acuerdo a la siguiente ecuación

2 KP ( a + b c d ) = ( y ( y C A ) ) c a ( y ( y D B ) ) d b (20.4) 3. PROCESO ESTUDIADO La producción de gas de síntesis es una parte importante e interesante dentro del proceso global de la síntesis de amoníaco. La conversión del gas natural en alimento para una planta de amoníaco es modelada usando tres reacciones de conversión y una reacción de equilibrio. Para facilitar la producción de amoníaco, la relación molar de hidrógeno a nitrógeno en el gas de síntesis se controla en un valor aproximado de 3:1. Esta relación representa las cantidades estequiométricas requeridas de los reaccionantes en el proceso de síntesis de amoníaco. En un proceso de gas de síntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones de conversión y equilibrio no pueden colocarse en el mismo conjunto de reacciones y, por lo tanto, no se pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores, uno de conversión de nombre R-101 y otro de equilibrio denominado R-102 En esta simulación, un gas natural previamente desulfurizado se alimenta a un primer reactor reformador de tipo conversión, R-100, donde reacciona con vapor de agua, para producir el hidrógeno que se requiere en el gas de síntesis. Las reacciones de reformado del gas natural conforman un conjunto denominado Reformador Rxn Set y su estequiometría es la siguiente: Rxn 1: CH + H Rxn 2 : CH + H 4 + H 2O CO H 2O CO2 4 En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción Rxn-2 es del 30 % El vapor que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor de tipo conversión, R-101, donde además de las dos reacciones de reformado, el metano combuste con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. La reacción de combustión del metano es la siguiente: 2 Rxn 3 : CH 4 + 2O2 CO2 + 2H 2O El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación deseada H 2 / N 2 en el gas de síntesis. El oxígeno del aire es consumido completamente en la reacción de combustión mientras que el nitrógeno inerte pasa a través del sistema. La 116

3 reacción es de una conversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 conforman un conjunto denominado Combustor Rxn Set La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consume. El tercer reactor es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se establece entre el monóxido de carbono y el agua como reaccionantes y el dióxido de carbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción Rxn 4 : CO + H O CO + H Esta sola reacción conforma el conjunto Equilibrio Rxn Set, debido a que en HYSYS no es aceptable conjuntos de reacciones que incluyan del tipo conversión y del tipo equilibrio En los últimos dos reactores se lleva a cabo la reacción de equilibrio gas de síntesis-agua o Rxn-4, a temperaturas sucesivamente menores para alcanzar una mezcla satisfactoria de hidrógeno - nitrógeno. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final del proceso simulado en este ejercicio Figura 1. Diagrama de flujo de una plante de producción de gas de síntesis 117

4 4. PAQUETE FLUIDO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson 2. Seleccione el sistema de unidades Field 3. Seleccione los componentes Metano, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno Reacciones del modelo 4. Haga clic sobre la pestaña Rxns del Administrador Básico de la Simulación y resione el botón Simulation Basis Mgr para definir las reacciones del modelo 5. Presione el botón Add Comps para añadir los componentes seleccionados a las reacciones del modelo, si no aparecen seleccionados 6. Presione el botón Add Rxn para añadir reacciones a un conjunto que por defecto se denomina Global Rxn Set que se observa dentro del grupo Reaction Sets 7. En la ventana de título Reactions desplegada seleccione el tipo Conversión y presione el botón Add Reaction. HYSYS desplegará una ventana con título Conversión Reaction para especificar una reacción de conversión Rxn-1 8. Para la introducción de la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4 + H 2O CO + 3H 2, especifique los coeficientes de los reaccionantes con coeficientes negativos y los productos con coeficientes positivos. La especificación correcta de la reacción se verifica en el cuadro Balance Error con un valor de cero, como se observa en la Figura 2 9. Haga clic en la pestaña Basis y complete la información como aparece en la Figura 3. Observe que la reacción es de una conversión del 40 % 10. Introduzca la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4 + 2H 2O CO2 + 4H 2 repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-2 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 30 %. 11. Introduzca la estequiometría de la reacción de combustión para el reformado del gas natural, de tipo conversión, CH O2 CO2 + 2H 2O, repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-3 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 100 %. 118

5 Figura 2. Estequiometría de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set 12. Para introducir la reacción de equilibrio CO + H 2O CO2 + H 2 seleccione la opción Equilibrium de la ventana Reactions y especificando su estequiometría de la misma manera que las anteriores. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-4 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. Observe que al introducir los coeficientes estequiométricos, la reacción es completamente especificada Por qué? Figura 3. Fase y conversión de la reacción Rxn-1 del conjunto Global Rxn Set 13. Haga clic sobre la pestaña Basis y observe en el cuadro que aparece a la derecha con el título Keq Source que la opción seleccionada, por defecto, es la que dice Gibbs Free Energy 119

6 14. Haga clic sobre la pestaña Keq, lea y explique por qué la reacción está completamente especificada. 15. Despliegue nuevamente la ventana de la pestaña Basis y seleccione las otras opciones que aparecen en el cuadro Keq Source. Explíquese cada una de ellas. Para la simulación elija la opción Gibbs Free Energy Conjuntos de reacciones En HYSYS, cada reactor tiene anexado sólo un conjunto de reacciones. Sin embargo, una reacción puede incluirse en múltiples conjuntos de reacciones. Por lo tanto, solamente se tienen que suministrar tres conjuntos de reacciones para todos los 5 reactores que se denominarán Reformador Rxn Set, Combustor Rxn Set y Equilibrio Rxn Set. 16. En la ventana de la pestaña Reactions del Administrador Básico de la Simulaión presione el botón Add Set para crear el conjunto conformado activamente por las reacciones Rxn-1 y Rxn-2 y denominado Reformador Rxn Set Para ello llene la ventana correspondiente como se observa en la Figura El conjunto Combustor Rxn Set conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 se construye como se observa en la Figura El conjunto Equilibrio Rxn Set conformado por la reacción Rxn-4 se construye como se observa en la Figura 6 Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido 19. En la ventana de la pestaña Reactions del Administrador Básico de la Simulación resalte el conjunto de reacciones Reformador Rxn Set y presione el botón Add to FP 20. En la ventana desplegada de título Add to Fluid Package presione el botón Add Set to Fluid Package. Repita el procedimiento para los otros dos conjuntos de reacciones 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO REACTOR REFORMADOR El Reformador es un reactor de conversión, en el que la mayoría del metano reacciona con vapor para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. El gas de salida también contendrá el exceso de metano sin reaccionar y el exceso de vapor de agua. La conversión global de las dos reacciones en el Reformador es 70 %. La reacción Rxn-1, que produce monóxido de carbono e hidrógeno tiene una conversión del 40 %, mientras que la reacción Rxn-2 tiene una conversión del 30 %. 120

7 Figura 4. Conjunto de reacciones Reformador Rxn Set Figura 5. Conjunto de reacciones Combustor Rxn Set Corrientes 1. Hay dos corrientes de alimentación al primer reactor, nombradas como Gas y Vapor. La primera es metano puro y la segunda es vapor de agua puro. Introduzca para ellas las siguientes especificaciones Nombre Gas Vapor Temperatura, F Presión, psia 500 Flujo Molar, lbmol/h

8 Figura 6. Conjunto de reacciones Equilibrio Rxn Set 2. Para controlar que la presión del vapor de agua sea igual a la del gas natural, introduzca un botón lógico Set que establezca dicha relación llenando dicho botón como lo indica la Figura 7. Botón SET-1 Figura 7. Especificación de igualdad de presiones entre Gas y Vapor Reactor de conversión 3. Haga clic sobre el icono de nombre General Reactors que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre Conversión Reactor y nómbrelo como R

9 4. En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet Gas, Vapor Qr Vr Lr 5. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Reformador Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las dos reacciones que conforman este conjunto. 6. Las dos reacciones en el Reformador son endotérmicas, de tal manera que el calor debe suministrarse al reactor para mantener su temperatura. Especifique la temperatura de la corriente Vr con un valor de 1700 F para que con ella HYSYS calcule el calor requerido. 7. En la página Parameters de la pestaña Design seleccione el radio botón Heating REACTOR DE COMBUSTIÓN El segundo reactor de conversión es el de Combustión que se alimenta con el producto del Reformador y las corrientes Aire y VaporC. El aire es la fuente del nitrógeno para la relación de H 2 / N 2 requerida para la síntesis del producto final. El oxígeno del aire es consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se elimina mediante su reacción con el vapor que entra. Corrientes 8. Hay tres corrientes de alimentación al segundo reactor a saber. el vapor que proviene del Reformador, vapor de agua denominado VaporC y el aire denominado con el mismo nombre. nombradas como Gas y Vapor. Introduzca las siguientes especificaciones para las corrientes VaporC y Aire Nombre VaporC Aire Temperatura, F Presión, psia Flujo Molar, lbmol/h Fracción mol Agua 1.00 Fracción mol Nitrógeno 0.79 Fracción mol Oxígeno

10 9. Para controlar que la presión de las corrientes de vapor de agua, VaporC y aire, Aire, sean iguales a la del gas natural, introduzca un botón lógico Set que establezca dichas relaciones llenando dichos botones en forma similar a lo realizado para la Figura 7. Botones SET-2 y SET-3 Reactor de conversión 10. Haga clic sobre el icono de nombre General Reactors que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre Conversión Reactor y nómbrelo como R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet VaporC, Aire, Vr Qc Vc Lc 12. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details introduzca en conjunto Combustor Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las tres reacciones que conforman este conjunto. HYSYS automáticamente ordena las tres reacciones en el conjunto Combustor Rxn Set. Como el agua es un producto en la reacción de combustión (Rxn-3) y es un reaccionante en las dos reacciones de reformado (Rxn-1 y Rxn-2), HYSYS coloca a la reacción de combustión de primero y le da una colocación igual a las reacciones de reformado. Con este ordenamiento, procede primero la reacción de combustión hasta que se haya alcanzado la conversión especificada o agotado el reactivo límite. Las reacciones de reformado proceden, entonces, de acuerdo al metano remanente. 13. En la página Parameters de la pestaña Design seleccione el radio botón Heating. 14. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Details. Seleccione el radio botón Conversión %. En el cuadro desplegable Reaction seleccione Rxn-1 y digite 35 % como la conversión de esta reacción en este reactor. De igual manera, introduzca las conversiones de 65 % para Rxn-2 y 100 % para Rxn-3 REACTORES DE SÍNTESIS Los tres reactores de síntesis son reactores de equilibrio dentro de los cuales ocurre la reacción entre el gas de síntesis y el agua. En el reactor de equilibrio R-102, la reacción de 124

11 síntesis que se lleva a cabo es la que ocurriría con las reacciones en el reactor de combustión R-101. Debe utilizarse un reactor separado en el modelo porque las reacciones de conversión y las de equilibrio no se pueden combinar dentro de un conjunto de reacciones. Reactor de equilibrio R Instale un reactor de equilibrio haciendo clic en el icono General Reactors que se encuentra en la paleta de objetos. En la pequeña ventana desplegada, seleccione el icono Equilibrium Reactor y nómbrelo como R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Vapor Outlet Liquid Outlet Vc Ve2 Le2 17. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Equilibrio Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. Reactor de equilibrio R Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet Ve2 Qe3 Ve3 Le3 20. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Equilibrio Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 21. Despliegue la página Parameters de la pestaña Design y seleccione el radio botón Cooling 125

12 22. Haga clic en la pestaña Worksheet y en la página Conditions digite 850 F como la temperatura de la corriente Vr3. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento Reactor de equilibrio R Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet Ve3 Qe4 Gas de Síntesis Le4 25. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Equilibrio Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 26. Despliegue la página Parameters de la pestaña Design y seleccione el radio botón Cooling 27. Haga clic en la pestaña Worksheet y en la página Conditions digite 750 F como la temperatura de la corriente Gas de Síntesis. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento 6. AJUSTE DE CONDICIONES DE OPERACION Ajuste del Flujo de vapor Para controlar la temperatura de la reacción de combustión, se ajusta el flujo de vapor alimentado para la reacción de combustión. Como esta etapa es modelada en dos reactores separados, se decide ajustar el flujo molar de la corriente VaporC para alcanzar el objetivo (target) de una temperatura de 1700 F en el primer reactor de equilibrio, R Instale un botón lógico de ajuste Adjust y llénelo como indica la Figura Presione el botón Start y espere hasta que HYSYS encuentre la solución Ajuste del Flujo de aire Para controlar la relación molar entre el hidrógeno y el nitrógeno en el Gas de síntesis, se necesita calcular la relación en una hoja de cálculo y entonces utilizar una operación de 126

13 ajuste de variables. El Gas de síntesis debería tener una relación molar de hidrógeno a nitrógeno ligeramente mayor que 3:1. Antes de entrar a la planta de amoníaco, el hidrógeno es utilizado para eliminar del gas de síntesis cualquier remanente de CO y CO Haga clic sobre el icono Spreadsheet que se encuentra en la paleta de objetos y nómbrela como Relación H2/N2 31. Importe a la celda A1 la variable Flujo molar de hidrógeno en la corriente Gas de Síntesis y a la celda A2 el Flujo molar de hidrógeno en la misma corriente. La ventana desplegada por defecto de la hoja de cálculo se observará como lo muestra la Figura 9 Figura 8. Ajuste del flujo de VaporC para el control de temperatura de R Haga clic en el botón Spreadsheet Only, seleccione la celda B4 y digite la fórmula +A1/A2 para calcular la relación entre los flujos molares de hidrógeno y nitrógeno 33. Haga clic en la pestaña Parameters y en la columna Variable Name digite el nombre Relación H2/N2. La ventana se observará como lo muestra la Figura 10 Se hace necesario crear una corriente ficticia ( dummy stream ) para exportar la relación creada en la hoja de cálculo. Para hacer esto proceda de la siguiente manera: 34. Instale una corriente con el nombre de Dummy Stream 127

14 Figura 9. Hoja de cálculo Relación H2/N2 Figura 10. Nombre de la variable introducida en la celda B4 35. Haga clic en la pestaña Connections de la ventana de la hoja de cálculo y presione el botón Add Export para exportar la relación calculada en B4 como el flujo molar de la corriente ficticia Dummy Stream. Presione OK cuando haya seleccionado el objeto y la variable a exportar. Si es necesario, selecciona la celda B4 en la columna encabezada con el título Cell. Observe la Figura

15 36. Instale un botón lógico Adjust para ajustar el flujo molar de la corriente Aire para lograr como objetivo (target) que el flujo de la corriente ficticia Dummy Stream sea de 3.00 lbmol/h. 37. Presione el botón Start y espere hasta que HYSYS encuentre una solución Figura 11. Exportación de la relación al flujo molar de la corriente ficticia Figura 12. Ajuste del flujo de aire para una relación de tres entre hidrógeno y nitrógeno 129

16 7. CASOS DE ESTUDIO 1. Haga algunos cambios de operación en cualquier parte del proceso para conseguir un gas de síntesis de mayor concentración en nitrógeno 2. Compruebe las conversiones fijadas en cada uno de los reactores de conversión 3. Observe las concentraciones de las corrientes de salida en los reactores de equilibrio si se encuentran en los valores correspondientes al estado de equilibrio de la reacción 130