8. REACTOR TUBULAR CON RECICLO GASEOSO

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1 8. REACTOR TUBULAR CON RECICLO GASEOSO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo de energía, 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 intercambiadores de calor, separadores de fases y reactores tubulares mediante la asistencia de HYSYS 2. INTRODUCCION En esta práctica se estudiará un proceso con múltiples unidades y con tres corrientes de reciclo. El proceso consiste de un reactor, tres intercambiadores de calor, un compresor, una bomba y un tanque separador. El reactor opera a alta temperatura y presión y con reacciones que se realizan en la fase gaseosa. La recuperación de la energía es importante y, por esto, se incorpora en el diseño el precalentamiento del alimento por medio del efluente caliente del reactor. Esta retroalimentación de energía hace más difícil el control del proceso. La conversión por paso es solo moderada y esto ocasiona que se necesite de un gran exceso de los reactivos, lo que ocasiona una gran corriente de reciclo 3. PROCESO ESTUDIADO El ejemplo que estudiaremos es el proceso de hidrodesalquilación del tolueno (HDA) que se ha considerado en profundidad por Douglas ( Conceptual Design of Chemical Processes, McGraw-Hill, 1988). Algunos valores de los parámetros que se usarán son ligeramente diferentes a los de Douglas 3.1. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Tolueno, Hidrógeno, Benceno, Metano y Difenilo ECUACIÓN: Peng Robinson REACCIONES Tipo: Cinético Estequiometría: Tolueno + H 2 Benceno + Metano 2 Benceno Difenilo + H 2 Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25 ºC es de BTU/lbmol para la primera (reacción exotérmica) y de 3500 BTU/lbmol para la segunda (reacción endotérmica)

2 Base: Para ambas reacciones la Base es presión parcial; los componentes bases tolueno y benceno, respectivamente; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son psia para la presión y lbmol/pie 3 -h para la velocidad de reacción Parámetros Cinéticos Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas en Luyben et al. ( Plantwide Process Control, McGraw-Hill). Sin embargo, cuando se usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno. Se tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son: R 1 = 3.68x *exp( ) PT P RT H 2 R 2 = 9.0x *exp( ) P RT 2 B 2.553x *exp( ) PD P RT H 2 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 los tres lazos de reciclo DESCRIPCION Se introducen dos corrientes de alimento al proceso. Un alimento gaseoso de hidrógeno (Fracción de vapor = 1.0, ºR, 591 psia, 484 lbmol/h, 98 % molar de H 2 y 2 % molar de metano) y un alimento líquido de tolueno puro (Fracción de vapor = 0.0, ºR, 591 psia, 370 lbmol/h). Estos se combinan con una gran corriente gaseosa de reciclo, que es una mezcla de hidrógeno y metano. La corriente mixta se calienta en un intercambiador de calor efluente/alimento (FEHE), por donde circula el efluente del reactor y, adicionalmente, en un horno para elevar la temperatura de entrada al reactor a 1150 ºF. La presión de entrada al reactor es de 521 psia. 90

3 El reactor es tubular y adiabático sin catalizador. El recipiente tiene 9.53 pies de diámetro y 57 pies de longitud. El alimento tiene 376 lbmol/h de tolueno y 2132 lbmol/h de hidrógeno. El gran exceso de hidrógeno es necesario para prevenir la coquización dentro del reactor a estas altas temperaturas. El efluente del reactor contiene 106 lbmol/h de tolueno, de modo que la conversión por paso es de 72 %. Se producen 4.8 lbmol/h de difenilo. La primera reacción exotérmica ocasiona que la temperatura adiabática aumente 69 ºF (la temperatura a la salida del reactor es de 1219 ºF). El efluente caliente del reactor se enfría rápidamente a 1130 ºF agregándole un líquido frío (135 lbmol/h) para impedir la coquización. Esta corriente caliente entra a un gran intercambiador de calor (área de pie 2 ) en donde se enfría hasta 252 ºF. El coeficiente de transferencia global Figura 1. Reactor tubular con reciclo de energía del proceso HDA de calor es bajo (20 BTU/h-pie 2 -ºF) porque es un sistema gas-gas. Luego se utiliza un intercambiador de calor enfriado por agua para enfriar la corriente a 113 ºF. Una parte de la corriente se condensa para formar una mezcla formada en su mayor parte por benceno, tolueno y difenilo. 91

4 Las fases líquida y gaseosa se separan en un tanque separador. Una parte del gas se purga (476 lbmol/h) para eliminar el metano que se forma en la reacción. La composición de esta purga es aproximadamente de 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno. El resto del gas (3990 lbmol/h) se comprime y se recicla al comienzo del proceso. La corriente líquida que constituye el producto de este proceso es una mezcla de benceno, en gran proporción, tolueno y difenilo. Esta corriente pasa a un tren de separación que no se incluye en esta simulación. 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue una convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las corrientes de alimento se asumen algunas corrientes y se simula primero el lazo RECIUno, luego el RECIDos y finalmente el RECITres Alimentación: Instale las corrientes Tolueno e Hidrógeno con las especificaciones anotadas en 3.2, instale las válvulas V1 y V2 con caídas de presión de 50 psi para cada una. Instale la corriente ReciGas y asígnele las especificaciones supuestas de ºF, 541 psia, 3990 lbmol/h, 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno. Alimente las tres corrientes al mezclador M1 y denomine como EntInt a su corriente de salida, la cual debe estar completamente especificada junto con el mezclador LAZO DE RECICLO RECIUno: Corriente EntCoraza: Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes especificaciones supuestas: 1103 ºF, 504 psia, 4994 lbmol/h, 10 % molar de Tolueno, 20 % molar de Hidrógeno 50 % de Benceno, 10 % de metano y 10 % de Difenilo. Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo como FEHE. Conecte por los tubos la corriente de entrada EntInt y como corriente de salida EntHorno. Conecte por la coraza la corriente de entrada EntCoraza y como corriente de salida EntConden. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una Caída de presión de 10 psi por lo tubos y 2 psi por la carcasa y seleccione como Heat Exchanger Model el Ponderado (Weighted) y digite BTU/ºF-h al Overall UA (30000 pie 2 *20 BTU/h-ºF-pie 2 ). Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente EntHorno y descárguelo con la corriente EntReactor y conéctele su corriente de energía QHorno. En la página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 10 psi. En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor las especificaciones 1150 ºF y 521 psia. Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Parámetros de la pestaña Design digite 17 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 92

5 la pestaña Rating introduzca las dimensiones de 9.53 pie de diámetro y 57 pies de longitud Mezclador M2: Aliméntelo con las corrientes SaleReactor y Quench y descárguelo con la corriente SaleQuench. Asígnele a la corriente Quench las siguientes especificaciones: Fracción de vapor = 0.0, 113 ºF, 534 psia, 150 lbmol/h, 70 % de Benceno, 20 % de Tolueno y 10 % de difenilo. Botón de reciclo RECIUno: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con SaleQuench como corriente de entrada y EntCoraza como corriente de salida. El lazo de reciclo RCIUno convergerá satisfactoriamente. LAZO DE RECICLO RECIDos: Condensador: Instale un cooler para simular un condensador del mismo nombre. Aliméntelo con la corriente EntConden y descárguelo con la corriente SaleConden, y conéctele una corriente de energía de nombre QConden. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne una caída de presión de 10 psi y en la página Conditions de la pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113 ºF a la corriente SaleConden Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador. Conéctelo con la corriente SaleConden como alimento y las corrientes Gas y Líquido como corrientes de salida Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con la corriente Líquido y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el nombre de HPBomba. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 108 psi como caída de presión Divisor de la corriente de descarga de la bomba: Instale un divisor de corriente con el nombre de T1. Aliméntelo con la corriente Sale_B1 la cual se divide en EntR2 y SaleT1. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne el valor de 0.1 para la fracción correspondiente a EntR2. La corriente SaleT1 después de circular por la válvula V3 (Caída de presión = 50 psi) es el producto de Benceno deseado. Botón de reciclo RECIDos: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con EntR2 como corriente de entrada y Quench como corriente de salida. El lazo de reciclo RECIDos convergerá satisfactoriamente. LAZO DE RECICLO RECITres: Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la corriente Gas y como descarga la corriente denominada Descarga, además de la conexión de la corriente de energía HPComp. Asigne a la corriente Descarga una presion de 542 psia 93

6 Divisor de la corriente Descarga: Instale un divisor de corriente con el nombre de T2. Aliméntelo con la corriente Descarga la cual se divide en GasReciclo y Entra_V4. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne el valor de 0.1 para la fracción correspondiente a Entra_V4. La corriente Entra_V4 después de circular por la válvula V4 (Caída de presión = 50 psi) es la corriente de purga. Botón de reciclo RECITres: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con GasReciclo como corriente de entrada y ReciGas como corriente de salida. El lazo de reciclo RECITres convergerá satisfactoriamente. 5. RESULTADOS La Figura 2. muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo Figura 2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes 6. CASOS DE ESTUDIO 5.1 Qué cambios sugiere usted para aumentar esta calidad del producto del 85 % obtenido al 99 %? 5.2 Qué cambios haría usted para conseguir una disminución en el flujo de la purga? 5.3 Como un ejercicio, desarrolle el diseño del intercambiador de calor FEHE, del separador de fases y del reactor tubular, acéptelos y transfiéralos al PFD 94