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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”
11. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientesespecificaciones
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
17. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en
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
20. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en
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.
24. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientesespecificaciones
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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