simulación hysys amoníaco

8/6/2019 Simulación hysys amoníaco

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b

B

a

A

d

D

c

C d cba

y y

y yKP

)()(

)()()( =−−+(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 yequilibrio 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:

224 3:1 H COO H CH Rxn +→+− 2224 42:2 H COO H CH Rxn +→+−

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:

O H COOCH Rxn 2224 22:3 +→+−

El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación

deseada H2 / N2 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

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reacción es de una conversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3conforman un conjunto denominado “Combustor Rxn Set”

La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor yasegurar 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 decarbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción

222:4 H COO H CO Rxn +↔+−

Esta sola reacción conforma el conjunto “Equilibrio Rxn Set”, debido a que en HYSYS noes 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 oRxn-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

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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, 224 3 H COO H CH +→+ , 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 laFigura 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, 2224 42 H COO H CH +→+ 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, O H COOCH 2224 22 +→+ , 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 %.

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Figura 2. Estequiometría de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set

12. Para introducir la reacción de equilibrio 222 H COO H CO +↔+ seleccione la

opción “Equilibrium” de la ventana “Reactions” y especificando su estequiometríade 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 derechacon el título “Keq Source” que la opción seleccionada, por defecto, es la que dice

“Gibbs Free Energy”

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14. Haga clic sobre la pestaña “Keq”, lea y explique por qué la reacción estácompletamente especificada.

15. Despliegue nuevamente la ventana de la pestaña “Basis” y seleccione las otrasopciones 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 Simulaiónpresione 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 4.

17. El conjunto “Combustor Rxn Set” conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y

Rxn-3 se construye como se observa en la Figura 5

18. 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 Simulaciónresalte 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 desalida 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 %.

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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 VaporTemperatura, °F 700 475

Presión, psia 500

Flujo Molar, lbmol/h 200 520

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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 lapaleta 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-100”

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4. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientesespecificaciones

Inlets Gas, Vapor

Energy QrVapor Outlet Vr

Liquid Outlet 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 queconforman este conjunto.

6. Las dos reacciones en el Reformador son endotérmicas, de tal manera que el calordebe 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 delReformador y las corrientes Aire y VaporC. El aire es la fuente del nitrógeno para la

relación de H2 / N2 requerida para la síntesis del producto final. El oxígeno del aire es

consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se eliminamediante 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”. Introduzcalas siguientes especificaciones para las corrientes “VaporC” y “Aire”

Nombre VaporC Aire

Temperatura, °F 475 475

Presión, psiaFlujo Molar, lbmol/h 200 520

Fracción mol Agua 1.00

Fracción mol Nitrógeno 0.79

Fracción mol Oxígeno 0.21

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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 conversión10. 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 detres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de

nombre “Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-101”


Inlets VaporC, Aire, Vr

Energy Qc

Vapor Outlet VcLiquid Outlet Lc

12. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” introduzca enconjunto “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 enlas 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 laconversión 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”. Seleccioneel 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 lareacción entre el gas de síntesis y el agua. En el reactor de equilibrio R-102, la reacción de

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síntesis que se lleva a cabo es la que ocurriría con las reacciones en el reactor decombustión 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-10215. 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 elicono “Equilibrium Reactor” y nómbrelo como R-102.

16. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes

especificaciones

Inlets VcVapor Outlet Ve2

Liquid Outlet Le2


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 esteconjunto.

Reactor de equilibrio R-103

18. Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R-103.

19. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes

especificaciones

Inlets Ve2

Energy Qe3

Vapor Outlet Ve3Liquid Outlet Le3


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 esteconjunto.

21. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio

botón “Cooling”

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22. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 850 °Fcomo la temperatura de la corriente “Vr3”. HYSYS resolverá el módulo y calculará

el calor requerido para el enfriamiento

Reactor de equilibrio R-104

23. Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R-104.


Inlets Ve3Energy Qe4

Vapor Outlet Gas de Síntesis

Liquid Outlet Le4

25. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione enconjunto “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 reactoresseparados, 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-102.

28. Instale un botón lógico de ajuste “Adjust” y llénelo como indica la Figura 8

29. 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, senecesita calcular la relación en una hoja de cálculo y entonces utilizar una operación de

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ajuste de variables. El Gas de síntesis debería tener una relación molar de hidrógeno anitrógeno 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 CO2.

30. 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 deSíntesis” y a la celda A2 el Flujo molar de hidrógeno en la misma corriente. Laventana 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-102

32. 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”

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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 celdaB4 en la columna encabezada con el título “Cell”. Observe la Figura 11.

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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

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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 nitrógeno2. 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 equilibriosi se encuentran en los valores correspondientes al estado de equilibrio de la

reacción

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