9. REACTOR TUBULAR CON RECICLO LIQUIDO

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1 9. REACTOR TUBULAR CON RECICLO LIQUIDO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo de líquido purificado mediante destilación, en estado estacionario, y asistido por HYSYS 1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el comportamiento del proceso 1.3. Dimensionar válvulas de control y columnas de destilación mediante la asistencia de HYSYS 2. INTRODUCCION En esta práctica se considerará un reactor tubular con productos y reactivos de volatilidad relativa muy similar, de modo que el proceso de separación se realiza en una columna de destilación. El reactivo que no reacciona retorna al reactor para su posterior procesamiento. La corriente de reciclo de este proceso se encuentra en fase líquida. Esto es muy conveniente porque es más fácil bombear líquidos que comprimir gases. Sin embargo, la reacción ocurre en fase gaseosa, de modo que el reciclo líquido tiene que vaporizarse antes de alimentarlo al reactor. La introducción del alimento al proceso es también diferente en este proceso. El alimento no es un reactivo puro sino una mezcla impura de un reactivo, un producto y un componente inerte. En vez de alimentar este alimento impuro al reactor, se alimenta a la columna de destilación. Con esto se logra una corriente de alimento al reactor que es mas rica en el reactivo, lo que reduce el tamaño del reactor y el flujo del reciclo. 3. PROCESO ESTUDIADO En esta práctica se estudiará el proceso de la isomerización del butano normal a isobutano. Ambos componentes están presentes en los crudos y en los productos de la ruptura catalítica o térmica de una refinería de petróleo. El isobutano es un importante producto químico intermedio. Se usa como reactivo en muchos procesos petroquímicos. Por ejemplo, en el proceso de alquilación, el isobutano y una olefina (butano) reaccionan para formar un componente importante de las mezclas de gasolina (isooctano). De modo que el isobutano es una valiosa materia prima de la petroquímica. El butano, por su parte, es muy valioso. Algo de butano se mezcla con la gasolina, pero su número de octano es bajo y la cantidad que puede mezclarse está limitada por las restricciones de presión de vapor (RVP), particularmente en los meses de verano con sus altas temperaturas. Las refinerías tienen poco isobutano, pero tienen un exceso de butano.

2 3.1. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Propano, i-butano, n-butano ECUACIÓN: Peng Robinson REACCIONES Tipo: Cinético Estequiometría, Temperatura y Presión: La estequiometría de la reacción es de una química sencilla n-c 4 i-c 4 Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25 ºC es de BTU/lbmol. La reacción se efectúa en un reactor tubular adiabático a 400ºF y 320 psia Base: Para ambas reacciones la Base es concentración; el componente base es n- Butano; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son lbmol/pie 3 para la concentración y lbmol/pie 3 -h para la velocidad de reacción Parámetros Cinéticos Se usará la siguiente cinética hipotética que se ajusta para dar una composición de i-c 4 del 73 % molar con un alimento al reactor de 30 % molar en i-c 4. En unidades inglesas de ingeniería: R RT 9 1 = 1x10 * exp( ) C n C4 donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie 3, las concentraciones están en lbmol/pie 3, la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR 3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con el lazo de reciclo líquido DESCRIPCION La conversión por paso es del 60 %, de modo que el n-c 4 que no reacciona tiene que separarse del producto i-c 4. Los puntos normales de ebullición de estos 96

3 isómeros son bastante cercanos (10.9ºF versus 31.1ºF) y la columna de destilación que se necesita para hacer esta separación (la desisobutanizadora, DIB) tiene un número apreciable de platos (50) y utiliza una relación de reflujo bastante alta (5.6). La presión de operación en la columna se fija en 100 psia de modo que pueda usarse agua de enfriamiento en el condensador (la temperatura en el acumulador de reflujo es 125ºF). La corriente producto de este proceso es el destilado de la cima de la columna. La especificación de la impureza del n-c 4 en esta corriente es del 2 % molar. El producto de fondo de esta columna es la corriente de reciclo. Se bombea hasta una presión lo suficientemente alta para retornarlo al reactor que opera a 320 psia. El reciclo líquido tiene que vaporizarse y calentarse hasta la temperatura deseada a la entrada del reactor. En teoría, esto puede hacerse en una etapa. En la práctica, esto se hace en dos operaciones por un mecanismo complejo de transferencia de calor en dos fases. De esta manera el producto líquido del fondo se alimenta a un vaporizador (tipo marmita) donde se usa vapor de agua para hervir el líquido, produciéndose vapor saturado. Esta corriente de vapor se alimenta a un segundo calentador (horno) donde se precalienta. El efluente caliente del reactor se enfría y se alimenta por el plato 20 a la columna de destilación. Hay otro alimento que se introduce en el plato 30 y consiste en una mezcla de propano, isobutano y butano normal que vienen de la unidad de livianos de la refinería. Al alimentar esta corriente en la columna se logra que la impureza del propano no entre al reactor, porque el propano sale por la cima de la DIB. La pureza de la corriente de reciclo del fondo es una importante variable de optimización para el diseño. A mayor concentración de n-c 4, le corresponde un menor tamaño del reactor y un menor flujo del reciclo, pero se necesita de mas energía en la columna. En este ejemplo se utiliza una concentración de 70 % molar del n-c 4 en el producto del fondo. Las válvulas de control se diseñan con caídas de presión razonables y la bomba se diseña para suministrar la presión que se necesita para que la corriente de reciclo retorne con la presión de operación a la entrada del reactor. 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue una convergencia del proceso, comenzando por asumir unas especificaciones para la corriente de reciclo y alimentándola junto con la corriente que viene de una refinería a la columna de destilación. A continuación se construyen secuencialmente las etapas de bombeo, vaporización, reacción y condensación que constituyen el lazo de reciclo. Finalmente, se instala un botón de reciclo que simule el lazo denominado como RECIUno, que debe converger satisfactoriamente Alimentación: Instale la corriente Alimento y asígnele como especificaciones 90ºF. 200 psia, lbmol/h, 2 % molar propano, 25 % molar de isobutano y 73 % molar de n- butano. Conécte esta corriente a la válvula V1 que descarga a la corriente Sale_V1 con 97

4 una caída de presión de 96.3 psi. Instale la corriente SaleCond y asígnele las especificaciones supuestas de ºF, psia, lbmol/h, % molar de i- butano y % molar de n-butano. Columna de destilación: Instale una columna de destilación con el nombre de DIB, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 50 platos y condensador total, conéctela con las corrientes de entrada a Sale_V1 y SaleCond; corrientes de salida Destilado y Fondo y corrientes de energía QCond y QReb. Las corrientes Sale_V1 y SaleCond entran por los platos 20 y 30, respectivamente. Asigne presiones de 100 psia y 108 psia en el Condensador y Rehervidor, respectivamente. La relación de reflujo es 5.6 y el flujo de Destilado es lbmol/h. Haga clic sobre el botón Done del asistente y luego haga clic en el botón Run de la ventana de propiedades de la columna. Sobre el cuadro de aclaración sobre la corriente Sale_V1 haga clic sobre el botón Aceptar y la columna debe converger satisfactoriamente. Instale la válvula V4 que se alimentará con la corriente Destilado y descargará con el nombre de Sale_V4, asignándole una caída de presión de 50 psi Figura 1. Reactor tubular con reciclo líquido Bomba: Instale una bomba con ese nombre, que succione la corriente Fondo y descargue como Sale_Bomba. La corriente de energía nómbrela como HPBomba. Asígnele un incremento de presión de 301 psi. Instale una válvula V3 cuya entrada sea 98

5 la corriente Sale_Bomba y su corriente de salida sea Sale_V3; asígnele una caída de presión de 84 psi Vaporizador: Instale un separador de fases con el nombre de Vaporizador, con entradas las corrientes Sale_V3 y QVap como corriente energética que suministre el calor para la vaporización. Introduzca como corrientes de salida de vapor Ent_Horno y salida de líquido LL. Asígnele un flujo de lbmol/h a la corriente de vapor. El vaporizador convergerá satisfactoriamente. Instale la válvula V5 con caída de presión de 36.9 psi y conexiones LL y Sale_V5 como corrientes de entrada y salida. Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente Ent_Horno, descárguelo con la corriente Sale_Horno y conéctele su corriente de energía QHorno. En la página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 7 psi. En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente Sale_Horno una temperatura de 390.4ºF. Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente Sale_Horno y descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Parámetros de la pestaña Design digite 18.4 psia como caída de presión. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca las dimensiones de 7 pies de diámetro y 18 pies de longitud. Instale la válvula V6 con una caída de presión de psi y corriente de entrada SaleReator y corriente de salida Sale_V6 Condensador: Instale un cooler para simular un condensador con dicho nombre. Aliméntelo con la corriente Sale_V6 y descárguelo con la corriente SSS. Asígnele una caída de presión de 8 psi. Especifiquele a la corriente SSS una Fracción de vapor = 0.0 Botón de reciclo: Instale un botón de reciclo con nombre, RECIUno, conéctelo con SSS como corriente de entrada y SaleCond como corriente de salida. El lazo de reciclo RCIUno convergerá satisfactoriamente. 5. RESULTADOS La Figura 2. muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo 6. CASOS DE ESTUDIO 6.1 Qué cambios sugiere usted para obtener una corriente de destilado con 2 % molar en n-butano en vez de 2.85 %? 6.2 Haga un dimensionamiento de las válvulas para hallar sus coeficientes y compárelos para diferentes tipos de válvulas 6.3 Si elimina la carga calórica transferida al separador de fases, qué cambios se observan en el proceso? 99

6 6.4 Haga los cambios necesarios para conseguir que la corriente de reciclo se concentre lo mas concentrada posible en n-butano 6.5 Como un ejercicio, desarrolle el diseño de la columna de destilación DIB, del separador de fases o VAPORIZADOR y del reactor tubular, acéptelos y transfiéralos al PFD Figura 2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes 100