teoria de reactores

7/23/2019 Teoria de Reactores

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REACTORES

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En la Industria de la Refinación del Petróleo, existen muchos tipos deReactores, como por ejemplo los de Hidrotratamiento , Reformación,Hidrocracking, Catalítico de Lecho Fluidisado (FCC), de Isomerizacion, etc.

Los reactores que se van a tratar en este curso corresponden básicamente alos de Hidrotratamiento y los de Hidrocracking.

Las plantas de Hidrotratamiento las podemos dividir en los siguientes tipos:

a) Hidrotratamiento de Naftas.

• Naftas Primarias.

• Naftas de una Planta Catalítica de Lecho Fluidizado.

b) Hidrotratamiento de Destilados Intermedios.

• Turbosina (Jet Fuel).

• Keroseno.

• Diesel.

• Aceite Cíclico Ligero.

c) Hidrotratamiento de Gasóleos.

• Gasóleo Atmosférico (AGO).

• Gasóleo Ligero de Vacío (LVGO).

• Gasóleo Pesado de Vacío (HVGO).

• Lubricantes.

d) Hidrotratamiento de Residuo.

• Hidrotratamiento de Residuo Atmosférica (ARDS)

• Hidrotratamiento de Residuo de Vacío (VRDS)



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HIDROTRATADORA DE NAFTAS

Función:

Producir la Nafta adecuada para ser enviada a la unidad de ReformaciónCatalítica mediante la remoción de impurezas como compuestos con Azufrey/o Nitrógeno, así como la disminución de compuestos unsaturados como lasoelfinas.

Materias Primas.

Hidrogeno, normalmente proveniente de una Reformadora de Naftas.

Nafta proveniente directamente de una unidad de Destilación Atmosférica deCrudo (CDU) y posiblemente de una o mas Unidades de Crackeo Termico oCatalítico.

Productos.

Nafta ligera y Pesada y gas LPG. El LPG es vendido como combustible o bienseparado en Propano y Butano. Las corrientes de Naftas son enviadas al Pool

de Gasolinas muy seguramente después de ser procesadas en una unidad deReformación Catalítica.

Descripción del Proceso.

La Unidad Hidrotratadora de Naftas recibe una alimentación liquidaconsistente de compuestos con un rango en su punto de ebullición de entre32°F hasta acerca de 400°F y contienen pequeñas cantidades de impurezascomo compuestos enlazados con moléculas de S, N y O.

Esta Unidad convierte estos elementos en moléculas mas fáciles de remover de los hidrocarburos como pueden ser moléculas tales como H2S, NH3 yH2O.

Adicionalmente, la naturaleza de algunos hidrocarburos es alterada paraalcanzar los requerimientos de la Gasolina.

Normalmente, la nafta se alimenta a la temperatura ambiente y se envía a untanque de balance, de tal manera que el agua libre sea separada.



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Posteriormente es bombeada hacia la sección de Hidrotratamiento y ahí semezcla con una corriente rica en Hidrogeno y se vaporiza al entrar en unosIntercambiadores de Calor a contracorriente contra el efluente del Reactor y

después al entrar a un Horno, para ser alimentada posteriormente al Reactor de Hidrotratamiento. Unas condiciones típicas en el reactor pueden variar deentre 290 a 450 Psia y 660 a 760°F.

La conversión de la alimentación para alcanzar los requerimientos de losproductos son alcanzadas previa selección del catalizador y condiciones deoperación del Reactor. Las reacciones principales que ocurren son:

• Remoción de Azufre, Nitrógeno y Oxigeno por la reacción con

Hidrogeno para formar H2S, NH3 y H2O.• La hidrogenación de Olefinas y Di-olefinas a Parafinas y Naftenos.

El efluente del reactor, después de intercambiar calor con la alimentación, esenfriado y flasheado en un separador de alta presión. Los vapores flasheados,que consisten principalmente de Hidrogeno que no reacciono, soncomprimidos y reciclado al Reactor, mientras que el liquido en enviado a unseparador de baja presión. El vapor de este separador, consiste de C2's conH2S y NH3, es usado como combustible de la refinería después de endulzarsey el liquido es enviado a una debutanizadora.

El fraccionamiento bajo presión separa LPG y Gas de Refinería comoproductos del Domo de la columna de la nafta estabilizada.

La nafta estabilizada es separada en fracciones ligeras y pesadas en unSeparador de Nafta (Naphtha Splitter) operando a 50 Psia. El LPG y el Gas deRefinería contienen una cantidad importante de H2S y NH3 por lo que tienenque ser tratados posteriormente , pero la nafta no requiere ningún tratamientoprevio para ser enviada a la Reformadora de Naftas.

La nafta ligera que sale del separador de Naftas, es de una calidad aceptablepara ser enviada o bien al Pool de Gasolina, o bien a un Hidrotratamientoprevio para mejorar sus propiedades antidetonantes. Cuando esto esnecesario, se envía a procesamiento a una Unidad de Isomerizacion C5/C6.La nafta pesada es enviada normalmente a una Unidad de ReformaciónCatalítica de Naftas.



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Las Unidades de Reformación Catalítica producen una corriente secundaria degas rico en Hidrogeno, el cual usualmente es usado por la unidadHidrotratadora. Esto establece un fuerte vinculo entre estas dos Unidades.

Esquema de Hidrotratamiento de Destilados Intermedios.

OIL FEED

MAKE UP H2

FEED / EFFLUENTHEAT EXCHANGER

FURNACE

BED 1

BED 2

REACTOR

COMPRESSOR PURGE GAS

H2S

WASH WATER

OFF GAS

QUENCHH2

AMINETREATING

H. P. SEP

RECYCLE H2

L. P. SEP

UNSTABILIZED

NAPHTA

PRODUCT



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HYDROCRACKER

Función:

Conversión de fracciones pesadas del petróleo en productos de menor puntode ebullición, esto es, productos mas valiosos.

Materias Primas.

Gasóleos tanto atmosférico como de Vacío, Residuo de Vacío deasfaltado,Hidrogeno.

Productos.

LPG, Gasolina, Diesel, Jet Fuel.

Descripción del Proceso.

La Unidad de Hidrocracking es la mas versátil de todos los procesos deRefinación, capaz de convertir cualquier fracción, desde Naftas hasta residuo

de Vacío deasfaltado, en productos con un menor peso molecular que el de laalimentación. Al mismo tiempo, el Azufre, el Nitrógeno y Oxigeno es convertidocasi en su totalidad en H2S, NH3 y H2O, eliminando con esto un posible post-tratamiento para la eliminación de estos compuestos.

El Hidrogeno es consumido en estas unidades en cantidades muy grandes,por lo que en toda planta de Hidrocracking es requerida la instalaciónadyacente de una planta de Hidrogeno.

En las reacciones de Hidrocracking los enlaces Carbono-Carbono desde lasParafinas hasta las moléculas Naftenicas, son rotas mediante el empleo decatalizadores adecuados y las fracciones de estas moléculas son saturadascon Hidrogeno para formar dos o tres compuestos con un peso molecular menor. También los compuestos aromáticos policiclicos son parcialmentesaturados así como la apertura parcial del anillo aromático, dando compuestoslos cuales son una mezcla de Parafinas puras, Naftenos y Aromáticos.



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Existe un muy variado numero de esquemas de flujo de las plantas deHidrocracking, y la selección del esquema optimo se inicia como una funcióntanto de la alimentación como de los productos requeridos. Un esquema muy

común es el sistema de dos etapas

La alimentación a la Unidad es precalentada contra el efluente de la primer etapa del reactor combinada con el Hidrogeno de recirculacion y el derepuesto (Make up) para después terminar de alcanzar la temperatura dealimentación al reactor en un calentador a fuego directo (Horno). En el reactor se obtiene la conversión de los productos nitrogenados y azufrados, lasaturación de Olefinas y la saturación parcial de compuestos aromáticospoliciclicos. El grado de conversión depende del tipo de catalizador y lascondiciones del reactor y esta conversión llega a alcanzar hasta un 70%. Lapresión y temperatura del reactor llegan a alcanzar los 2400 Psia y los 800°F.

El efluente del reactor, después de ser enfriado, es enviado a un separador dealta presión de donde el Off Gas es recirculado a el reactor y el liquido esenviado a un separador de baja presión.

El vapor proveniente del separador de baja presión, es usado previotratamiento en la unidad de Aminas como gas combustible para uso interno enla Refinería, mientras que el liquido que conforma el producto neto del

Hidrotratamiento, es enviado a la sección de fraccionamiento. Ya en la secciónde Fraccionamiento, el residuo que no reacciono es enviado a la segundaetapa del Reactor. Esta etapa del Reactor opera bajo condiciones muysimilares a las del la primer etapa, pero normalmente contiene otro tipo decatalizador. Las reacciones en ambas etapas son altamente exotérmicas por loque la operación de estor reactores es bajo un estricto control de temperaturamediante la inyección de una corriente fría de Hidrogeno entre cada cama olecho del reactor. El efluente del reactor después de ser mezclado con elefluente de la primer etapa, es enfriado y enviado a un separador de alta

presión y eventualmente a la sección de fraccionamiento.

El diseño de la sección de fraccionamiento depende de la naturaleza de losproductos obtenidos en la reacción de Hidrocracking , así como en lasespecificaciones requeridas de los productos. Típicamente el producto liquidodel separador de baja presión es flasheado en la Columna Principal deFraccionamiento, operando prácticamente a la presión atmosférica y esdestilado en: Nafta mas gases en el domo de la columna, keroseneo y



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gasóleo atmosférico como extracciones laterales y finalmente el residuo de losfondos de la columna consistente en gasóleo pesado mas residuo noconvertido. Los domos de la columna son separados en gas para la refinería,

LPG, Nafta ligera y Nafta pesada. El keroseno y el Gasóleo Atmosférico esprocesado en agotadores laterales y obtenidos como productos, y finalmentelos fondos de la columna son alimentados a una columna de destilación aVacío. En esta sección, los gasóleos son separados del residuo que no seconvirtió y este ultimo es enviado a la segunda etapa del reactor.

Como una alternativa, es posible eliminar la columna de vacío y en su lugar,se recircularia todo el residuo atmosférico del Fraccionador Principal a lasegunda etapa del reactor. La cantidad de Residuo recirculado depende delgrado de conversión y de la cantidad de Fuel Oil (Combustoleo) requerido.En algunos casos la recirculacion puede ser muy pequeña o bien ser eliminada por completo lo que nos daría como resultado la eliminación de lasegunda etapa del reactor y el esquema seria de una sola etapa.

El sistema de reacción de una etapa es muy similar al de dos etapas, pero conla diferencia de que la recirculacion proveniente de la sección defraccionamiento se mezclaría con la alimentación (Carga fresca) y sealimentaria a la primer etapa. De esta forma, la segunda etapa del reactor, elhorno de gas y el intercambiador "Feed / Efluent" serian eliminados. También

es posible el tener mas de un reactor en serie para cada etapa, es muy comúnel tener dos reactores. De acuerdo a lo anterior, un esquema de dos etapastendría cuatro Reactores, dos en serie en la primer etapa y dos en serie en lasegunda etapa. En un esquema de una etapa con dos reactores en serie, larecirculacion proveniente de la sección de fraccionamiento es mezclada con elefluente del primer reactor en serie y alimentada al segundo reactor.

La selección del tipo de sistema es determinado principalmente por el tipo dealimentación, particularmente por el contenido de metales, asfáltenos y

contenido de Nitrógeno y finalmente por el grado de flexibilidad en el tipo deproductos que sean requeridos. El sistema de dos etapas es mejor si se tieneuna alimentación con un alto grado de impurezas, en donde la primer etapa esusada para efectuar la limpieza de la alimentación y solo se efectúa un parcialrompimiento (Partial Hydrocracking) de moléculas, y en la segunda etapa sepuede completar la conversión usando una alimentación recirculada maslimpia. La selección del catalizador de la segunda etapa es por lo tantodominada por consideraciones tales como la denitrificacion y desulfurizacion,



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pero puede ser optimizada para ajustar la conversión hasta un deseado rangode ebullición de los productos. Consecuentemente, este es un sistema masflexible en términos de respuesta a cambios en la alimentación o

requerimientos de los productos. Cuando un residuo de vacío forma parte de laalimentación de una planta de Hidrocracking, esta deberá de ser tratada enuna unidad deasfaltadora con solventes (Típicamente Butano o Pentano) parareducir el contenido de compuestos asfáltenos y contenido de metales hastareducir este contenido a un nivel aceptable por la unidad de Hydrocracking.Con este tipo de alimentación, el esquema de Hidrocracking con dos etapases mas común.

HYDROCRACKER. Esquema de una Etapa

OIL FEED

MAKE UP H2

FEED / EFFLUENTHEAT EXCHANGERS

FURNACE

BED 1

BED 2

REACTOR

COMPRESSOR

PURGE G

H

WASH WAT

OFF G

TO FRACTIONATO

QUENCH

H2 AMINE

TREATING

L. P. CO

L. P. HOT

H. P. HOT

H. P. COLD

RECYCLE H2



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HYDROCRACKING

ALGUNAS CARACTERISTICAS.

MEJORES RENDIMIENTOS QUE UNA PLANTA FCC

UNO DE LOS PROCESOS MAS VERSATILES DEUNA REFINERIA.

UNA GRAN FLEXIBILIDAD PARA UNA AMPLIA GAMADE ALIMENTACIONES Y CONDICIONES DEOPERACION.

PRODUCTOS: GAS, NGL, GASOLINA, DIESEL, GASOIL

ALTA RELACION H2/OIL EN EL REACTOR.

EL CONSUMO DE H2 DEPENDE DE LASCONDICIONES DE OPERACION

(Usualmente requiere una fuente externa de suministro deHidrogeno, generalmente una Planta de H2 adyacente)

CONDICIONES TIPICAS DE OPERACION:

600 - 800°F 1000 - 2400 PsigH2/HC al Reactor 1500 - 4000 SCF/BBLConsumo de H2 200 - 534 SCF/BBL



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TECNICAS DE SIMULACION

METODOLOGIA

1. COMBINE LOS PRODUCTOS (DEL PAQUETE DEINGENIERIA BASICA DEL LICENCIADOR) PARAPRODUCIR EL EFLUENTE DEL REACTOR

NOTA: Usar una serie diferente de cortes para efectuar

la caracterización de la alimentación.

2. FORCE UN BALANCE DE MATERIA ALREDEDORDEL REACTOR

PRODUCTOS (Wt) = ALIMENTACION (Wt) +H2 CONSUMIDO (Wt)

NOTA: Un reactor tipo caja negra puede ser usadopara convertir los componentes hipotéticos dela alimentación.en los hipoteticos de losproductos.

3. USAR LA CORRIENTE DE ENTRADA ALCOMPRESOR COMO LA CORRIENTE DE CORTEPARA INCLUIR UN ARECIRCULACION.

FIJE QUE LA SEPARACION DE HIDROGENO SEATAL QUE CUMPLA CON LA RELACION H2/HCREQUERIDA EN EL REACTOR



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4. CALCULE EL FLUJO DE LA CORRIENTE DEQUENCH PARA CONTROLAR LA TEMPERATURADE SALIDA DEL REACTOR. (USE EL CALOR DE

REACCION PROPORCIONADO POR ELLICENCIADOR).

5. SIMULE EL DECANTADOR CON EL AGUA DELAVADO EN UN SUBDIAGRAMA DE FLUJO,DEFINA UN SEPARADOR DE 3 FASES Y USE ELPAQUETE TERMODINAMICO DE AGUAS

AMARGAS EN ESTE SEPARADOR

6. SIMULE LA UNIDAD TRATADORA DE AMINASCOMO UNA SEPARACION DEFINIDA DE UNCOMPONETE. REMUEVA EL H2S Y SATURE DE

AGUA LA CORRIENTE DE HIDROGENO COMO LOHARIA CUALQUIER UNIDAD DE ENDULZAMIENTOCON AMINAS.

7. CALCULE EL FLUJO DEL GAS DE PURGAS TAL

QUE EL H2 SEA BALANCEADO POR ELDIAGRAMA DE FLUJO.

NOTA: Purga = Makeup - Consumido - Disuelto en liq.- Off Gas.

Si es deseable fijar el flujo de purgas, el flujo derecirculacion deberá ser variable durante lasimulación.

8. SOLUBILIDAD DE H2 EN LIQUIDOS.

USE EL METODO TERMODINAMICO APROPIADOPARA ESTE CASO.



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9. CONVERGENCIA DE LA SIMULACION

• Use la alimentación al compresor como punto de corte

para incluir una recirculacion.

• Fije el flujo de recirculacion deseado.

• Use un adjust con retroalimentacion hasta que el flujodeseado de quench sea alcanzado.

• Use el método de wegstein para acelerar la convergencia

de nuestra recirculacion.

10. SIMULACION DE REACTORES DE HIDROCRA-CKING CON EL SIMULADOR DE PROCESOS"HYSYS".

(a) Crear el efluente del reactor basado en losrendimientos.

Compo-

Gas sición delLt. Ends Producto Net ProductsGasolina

Diesel (100 lb/hr)Gas Oil

Dummy

(b) Efectuar un Balance de Materia en el Reactor para

fijar el flujo de los productos.

AlimentaciónNet Products

Consumo de H2

Balance

Molar

BalanceDe

Masa



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(c) Determine el H2 a la salida del Reactor (que noreacciona.

Recirculacion H2 Consumo H2

Make up H2 H2 No Reac.

(d) Efectuar un Balance de Energía en el Reactor

Net ProductsUnreacted H2 Efluente del

Quench H2 Reactor Heat f Reaction

(e) Efectuar un Balance de Purgas de H2

RX Consumo

Liquido 11Make Up H2

Liquido 16A

Purga

NOTAS: El calor de Reacción es una corriente deenergía definida en base a datos del licenciador

BalanceDe

Masa

Balancede

Energía

BalanceDe

Purgas



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Fijar la presión del efluente del Reactor al valor deseado

Fije la Presión y Temperatura de las corrientesNet_Products y Unreacted_H2 a lascondiciones de entrada del Reactor.

Ajuste el Flujo de la corriente de Quench comosea requerido para controlar la temperatura a lasalida del Reactor.

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