4. CONTROL DE UN REACTOR TUBULAR CON FLUJO TAPON

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1 4. CONTROL DE UN REACTOR TUBULAR CON FLUJO TAPON 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, un reactor tubular con flujo tapón exotérmico asistido por HYSYS 1.2. Analizar los cambios en las condiciones de salida del reactor tubular con la variación en el número de segmentos en que se distribuye el tubo 1.3. Controlar el flujo de alimento y la presión en un reactor tubular adiabático exotérmico 1.4. Controlar el flujo de alimento, la presión y la temperatura en un reactor tubular no adiabático exotérmico 1.5. Analizar los cambios en la dinámica del reactor con los cambios en sus variables de operación Para esta práctica el objetivo es encontrar estructuras de control para reactores tubulares. Se estudian varios sistemas y se presentan las dificultades que existen para lograr resultados confiables, especialmente con lechos empacados. 2. INTRODUCCIÓN Muchos procesos industriales usan reactores tubulares, particularmente los que necesitan del uso de un catalizador sólido. Si el reactor opera adiabáticamente, el catalizador llena completamente la sección recta del recipiente y el diámetro del reactor se tiene en cuenta para fijar la velocidad dentro del reactor, pero no interesa desde el punto de vista de transferencia de calor. Si el reactor se enfría o se calienta, el catalizador casi siempre se empaca en un número de tubos con un diámetro pequeño y estos se colocan en la coraza del recipiente. El fluido de enfriamiento (o calentamiento) pasa por el exterior de los tubos en la coraza, y el calor se transfiere entre el fluido del proceso y el fluido de enfriamiento. El diámetro de los tubos es un importante factor de diseño por los efectos que tiene en la caída de presión y en la razón del área de transferencia de calor al volumen del reactor. La diferencia importante entre los reactores de mezcla completa y los tubulares es la naturaleza distribuida de los últimos: la temperatura y la composición varían a lo largo de la longitud del reactor tubular y además varían con el tiempo. Esto da como resultado una dinámica más compleja. La suposición de flujo tapón se usa frecuentemente, pero en algunos casos es inexacta. Esto es particularmente válido en reactores tubulares con enfriamiento porque pueden existir gradientes radiales. Esta es una de las razones para usar pequeños diámetros de los tubos. Es también la razón de la práctica estándar del uso del mismo diámetro de tubos en los reactores comerciales que el usado en el reactor de planta piloto (un tubo) para minimizar los problemas que pueden surgir con el cambio de escala.

2 Modelos dinámicos de simulación en HYSYS de un reactor tubular HYSYS dispone de dos modelos para simular la dinámica de un reactor tubular. El primero tiene manipulación directa de la velocidad de transferencia de calor Q. El segundo utiliza un fluido de calentamiento o enfriamiento que intercambia calor con el fluido del proceso. El flujo del medio de enfriamiento es en paralelo y esta es la única opción para el patrón de flujo en el HYSYS. Si el reactor contiene catalizador, este puede incluirse en el modelo. Se supone que la temperatura del fluido del proceso es igual a la del empaque catalítico en todas las posiciones axiales. HYSYS utiliza un modelo de bloques para el reactor tubular distribuido aun en el estado estacionario. El valor por defecto del número de bloques es 20. Se debe explorar el efecto que tiene el número de bloques en la precisión del modelo ya que los reactores con grandes cambios axiales en la temperatura y/o composiciones requieren de más bloques para un modelo exacto. En la Tabla 5.1 se muestra el efecto del número de bloques para un reactor adiabático en el estado estacionario Tabla 5.1 Efecto del Número de Bloques sobre las Condiciones de Salida Número de Bloques Temperatura de Salida, º F Fracción Molar de Cloro, % La naturaleza distribuida del proceso se modela más exactamente, a medida que aumenta el número de bloques. El modelo distribuido exhibe difusión numérica, lo que ocasiona que la temperatura de salida aumente (con la disminución del número de bloques) porque menos bloques producen más retro mezclado. Es evidente que el uso de 60 bloques produce resultados bastante buenos, por lo menos en el estado estacionario. Sin embargo, si se usan más bloques, la simulación se vuelve más lenta. En los ejemplos anteriores el tiempo de computador no es un factor crítico. Cuando la 38

3 complejidad del proceso aumenta, el tiempo que se necesita para generar resultados se vuelve importante. En realidad, este factor limita el tamaño del proceso que puede manejarse prácticamente. Un modelo de 20 bloques se utiliza en todas las simulaciones discutidas. 3. PROCESO ESTUDIADO El proceso que se estudia es la cloración del propileno. Los datos básicos de la velocidad de reacción y para la operación se tomaron del Smith (Chemical Reaction Engineering, 3ra Edición, McGraw-Hill, 1981, p 229). Hay dos reacciones en la fase gaseosa. La primera forma cloruro de alilo y HCl C 3 H 6 + Cl2 CH 2 = CH CH 2Cl + HCl (5.1) Propileno Cloruro de alilo La segunda forma 1,2 dicloro propano C 3H 6 Cl2 CH 2Cl CHCl CH 3 + (5.2) 1,2 - Dicloro propano Las velocidades de reacción tienen una dependencia de primer orden con la concentración de los reactivos. Si se usan unidades inglesas de ingeniería, las velocidades de reacción están dadas en lb-mol/(h-pie3), con las temperaturas en Rankine, las energías de activación en BTU/lb-mol y la presión en atmósferas. R RT 1 k1pc 3PCl 2 = ( 2.06x10 e ) PC 3PCl 2 = (5.3) R 6860 RT 2 k2pc 3PCl2 = ( 11.7e ) PC 3PCl2 = (5.4) Las reacciones se llevan a cabo en un tubo de 2 pulgadas de diámetro y 15 pies de largo. El gas que se alimenta al reactor (Alimento) tiene un flujo de 0.85 lb-moles/hr a 392 º F y 49.4 psia con una composición de 80 % molar de propileno y 20 % molar de cloro. La caída de presión en el reactor es de 3.7 psi a las condiciones de diseño. 39

4 En la siguiente sección se consideran varios casos de tipos y cantidades de transferencia de calor. En estos casos las temperaturas de salida son diferentes lo mismo que las conversiones de cloro. Se diseña una válvula de control en el gas que alimenta al reactor (V1) para una caída de presión de 20 psi cuando está un 50% abierta. Un controlador de flujo manipula esta válvula para controlar el flujo del alimento. Se utiliza una válvula de control en la línea de salida (V2) para mantener la presión en el reactor. Esta válvula está diseñada para una caída de presión de 10 psi cuando está 50% abierta PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Propileno, cloro, cloruro de alilo, cloruro de hidrógeno y 1,2-dicloropropano ECUACION: PRSV SISTEMA DE UNIDADES : Field REACCIONES: Reacciones (5.1) y (5.2) UNIDADES PRESION: Atmósferas VELOCIDAD DE REACCION: lbmol/pie 3 -h ENERGIA DE ACTIVACION: BTU/lbmol 3.2. SIMULACIÓN DE UN REACTOR TUBULAR CON FLUJO TAPÓN Se realizan, a continuación, las simulaciones de un reactor tubular con flujo tapón para una reacción homogénea tanto en condiciones adiabáticas como no adiabáticas. Corriente de alimentación: Instale una corriente de materia con el nombre Alimento y especifíquela con una temperatura de 392 º F, una presión de 49.4 psia, un flujo de 0.85 lb-moles/hr y una composición 80 % molar de propileno y 20 % molar de cloro. Conecte esta corriente a una válvula V1 y denomine como Salida_V1 la corriente de descarga. Especifique una caída de presión de 20 psi en la válvula para una abertura del 50 % En la siguiente sección 3.3 se simula una reacción homogénea, es decir sin catalizador, que se realiza en un reactor tubular. En las secciones y se realizan las corridas estacionarias y dinámicas, respectivamente, en condiciones adiabáticas, mientras que en las secciones y se realizan para condiciones no adiabáticas Simulación de un reactor tubular sin catalizador (Reacción Homogénea) Reactor Adiabático Simulación estacionaria: Instale un reactor tubular y conéctelo a las corrientes Salida_V1 y Salida_PFR como su entrada y salida. Presione la pestaña Reactions, de su ventana de especificaciones, y agregue el sistema de reacciones denominado Global Rxn Set y en el cuadro 40

5 titulado Number of Segments verifique que el número de segmentos es de 20. Presione la pestaña Rating y especifique como dimensiones del tubo 2 pulgadas de diámetro y 15 pies de longitud. Instale una válvula con nombre V2 que se alimenta con la corriente de descarga del reactor y su corriente de salida se denomina Salida_V2. Asígnele a la válvula una caída de presión de 10 psi para una abertura del 50 %. Verifique que en la simulación adiabática del reactor tubular con una distribución de 20 segmentos, la temperatura de salida del gas predicha por el HYSYS es de 726 º F y la concentración del cloro es de 9.30 % molar (50 % de conversión). Además, cambie el número de segmentos a los valores incluidos en la Tabla 5.1 y compruebe el cambio que esto produce en la temperatura y la composición de cloro a la salida del reactor. Guarde una copia de la simulación estacionaria con el nombre de PFR ADIABATICO ESTACIONARIO y abra una copia de este con el nombre de PFR ADIABATICO DINAMICO Reactor Adiabático Simulación dinámica: Capacidades de las válvulas y reactor Abra el archivo PFR ADIABATICO DINAMICO, coloque el simulador en modo dinámico haciendo los cambios sugeridos, despliegue la ventana de especificaciones de la válvula V1, presione la pestaña Dynamics y seguidamente presione el botón Size Valve para estimar su capacidad. Haga lo mismo con la válvula V2. A continuación despliegue la ventana de propiedades del reactor tubular y presione la pestaña Dynamics y presione el botón Calculate Ks Estrategias de control Se controlan el flujo de alimento y la presión en la corriente de salida del reactor de la siguiente manera: Control de flujo de alimento: Instale un control proporcional-integral para regular el flujo de la corriente Alimento manipulando el flujo a través de la válvula V1. La acción de control es inversa y los parámetros del controlador son 0.5 para la ganancia y 0.3 para la constante de tiempo integral. Asigne un intervalo de flujo entre 0 y 2 lbmol/h. Despliegue la carátula del controlador y observe durante un breve tiempo el comportamiento manual. Hágalo funcionar en modo Automático. Después de un breve tiempo de operación dinámica, detenga el controlador para instalar el control de presión Control de presión de salida en el reactor: Instale un control de presión de la corriente Salida_PFR manipulando el flujo a través de la válvula V2. Asígnele acción directa, ganancia de 1, tiempo integral de 2 minutos y un 41

6 intervalo de presiones entre 20 y 30 psia. Despliegue la carátula del controlador y observe durante un breve tiempo el comportamiento en operación manual. Hágalo funcionar en modo automático, desplegando las cartas registradoras de cada uno de los controladores El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 5.1 que incluye las carátulas de cada uno de los controladores en donde se observa las variables de proceso en sus valores deseados con aberturas de válvula del 50 %.. Figura 5.1 Esquema de un Reactor Tubular Adiabático con Flujo Tapón Guarde el archivo, finalmente obtenido, y abra el archivo PFR ADIABATICO ESTACIONARIO. Haga una copia del mismo y nómbrelo como PFR NO ADIABATICO ESTACIONARIO para observar el efecto de cambiar el flujo de calor removido en las condiciones de salida del reactor tubular Reactor no adiabático Simulación estacionaria: En el nuevo archivo PFR NO ADIABATICO ESTACIONARIO, instale la corriente de energía que considere la remoción de calor para el reactor no adiabático. Nómbrela como Qreactor. Asigne flujos calóricos de 0, 500 y 1740 BTU/h, observe en cada caso las condiciones de salida del reactor para verificar los mostrados en la Tabla 5.2. Haga una copia del archivo con el nombre PFR NO ADIABATICO DINAMICO para introducir el control de flujo de alimento, presión y temperatura de la corriente de salida Este último se justifica, en esta simulación, porque se considera un flujo de calor removido de 1250 BTU/h como requerimiento para un enfriamiento. 42

7 Tabla 5.2 Condiciones en estado Estacionario para los Tres Casos Homogéneos CASO PFR-100 PFR-100 PFR-100 Q (BTU/hr) T out (ºF) Cl 2 a la salida (% molar) Reactor no adiabático Simulación dinámica: Abra el nuevo archivo PFR NO ADIABATICO DINAMICO y coloque el simulador en modo dinámico haciendo los cambios sugeridos. Determine las capacidades de las válvulas de control y calcule las constantes, Ks, en el reactor Estrategias de control Se controlan el flujo de alimento, la presión en la corriente de salida del reactor y se agrega un control de temperatura a esta misma corriente. Primero instale el control de flujo y el de presión con las especificaciones utilizadas anteriormente. Para el control de temperatura proceda de la siguiente manera: Control de temperatura: Instale un control de temperatura de la corriente Salida_PFR manipulando el flujo de calor Qreactor. Asígnele acción directa porque si se aumenta la temperatura se debe aumentar el flujo de calor removido en el reactor. Especifique la ganancia con un valor de 1, tiempo integral de 2 minutos y un intervalo de temperaturas entre 500 y 560 ºF. Presione el botón Control Valve y especifique 0 y 3000 BTU/h los flujos calóricos mínimo y máximo. Despliegue la carátula del controlador y observe durante un breve tiempo el comportamiento en operación manual. Hágalo funcionar en modo automático, desplegando las cartas registradoras de cada uno de los controladores El diagrama de flujo final se muestra en la Figura 5.2 que incluye las carátulas de cada uno de los controladores en donde se observa las variables de proceso en sus valores deseados con aberturas de válvula del 50 %, excepto la correspondiente al lazo de control de temperatura. 43

8 Figura 5.2 Esquema de un Reactor Tubular No Adiabático con Flujo Tapón 4. CASO DE ESTUDIO Despliegue la ventana de especificaciones del control de flujo de alimento y cambie el flujo de 0.85 a 1 lbmol/h. Haga los cambios necesarios en el control de temperatura para alcanzar el nuevo valor deseado de esta con una abertura de válvula mayor que el 20 % 5. BIBLIOGRAFIA Luyben W. Plant wide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control. Marcel Dekker Inc