Modelacion y Simulacion Dinamica de Reac

7/25/2019 Modelacion y Simulacion Dinamica de Reac

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MODELACION Y SIMULACION DINAMICA DE REACTORES DE

HIDROTRATAMIENTO CATALITICO

Fabin S. Mederos1, Jorge Ancheyta*1,2,Enrique Arce2

1Instituto Mexicano del Petrleo, Eje Central Lzaro Crdenas Norte 152,Col. San Bartolo Atepehuacan, Mxico D.F. 07730, Email: [email protected]

2ESIQIE-IPN, UPALM, Mxico D.F. 07738

Resumen

En este trabajo se describe un modelo dinmico heterogneo unidimensional de reactores de

hidrotratamiento de destilados del petrleo. Se consideran las principales reacciones:

hidrodesulfuracin (HDS), hidrodesnitrogenacin (HDN) e hidrodesaromatizacin (HDA). El

modelo dinmico se valid primero con datos experimentales obtenidos en un reactor piloto

isotrmico, y posteriormente se aplic para predecir el comportamiento dinmico de un reactor

industrial adiabtico. Los resultados de la simulacin se analizan en trminos de cambios en

perfiles de concentraciones, presiones parciales y temperaturas en funcin de la posicin axial en

el reactor y del tiempo, y concuerdan de manera adecuada con la informacin experimental

obtenida en estado estacionario.

1. Introduccin

El hidrotratamiento cataltico (HDT) es sin duda uno de los procesos ms importantes en la

industria de refinacin del petroleo desde los puntos de vista tcnico, econmico y ambiental. El

proceso de HDT se ha utilizado desde hace ms de 60 aos para reducir el contenido de

impurezas (azufre, nitrgeno, aromticos, etc.) en los combustibles y con esto cumplir las normas

legales en cuanto a emisiones a la atmsfera. Las regulaciones para el futuro cercano indican que

se tendrn que producir los llamados combustibles de ultra-bajo azufre (30 ppm en gasolina y 15

ppm en diesel) [1], para lo cual, aparte de otros cambios en reactores y catalizadores, se deber

1

IMIQ - 2006 SECCIN 2-3


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incrementar la severidad de la planta de HDT [2-4]. Esto alterar el comportamiento de los

reactores de HDT, y es aqu donde la disponibilidad de informacin experimental detallada y/o

modelos matemticos de simulacin, resulta primordial para entender los fenmenos que ocurren

en los reactores, con el propsito principal de establecer las condiciones de operacin ms

adecuadas.

Basado en esta necesidad, el objetivo del presente trabajo es describir e ilustrar el uso de un

modelo dinmico de reactores de hidrotratamiento cataltico.

2. Modelo del reactor de HDT

Se utiliz un modelo heterogneo unidimensional de tres fases que se basa en la teora de dos

capas. Se emplean diferentes correlaciones reportadas en la literatura para determinar coeficientes

de transferencia de masa y calor, solubilidades y propiedades de lquidos y gases bajo

condiciones de reaccin [5].

El modelo del reactor considera que no existen reacciones en la fase gas, slo en el lecho

cataltico. Las ecuaciones dinmicas fundamentales son las siguientes.

Balance de materia.

Compuestos gaseosos:

=

Li

i

G

iL

L

i

G

iG

G

iG CH

pak

z

p

RT

u

t

p

RT

(1)

parai=H2,H2S, NH3.

Compuestos gaseosos en la fase lquida:

( SiLiSSiLii

G

iL

L

i

L

iL

L

iL CCakC

H

pak

z

Cu

t

C

+

=

) (2)

parai=H2,H2S, NH3.

2


3/9

Compuestos lquidos:

( SiLiSSiL

iL

L

iL CCak

z

Cu

t

C

=

) (3)

para i= S,HC,NB,NNB,A

Reaccin qumica:

( ) ( ) ( SSijjBSiLiSSiS

ip TCrCCak

dt

dC,...,1 = ) (4)

para i=H2,H2S,NH3, S,HC,NB,NNB,A

j=HDS,HDNNB,HDNB,HDA

Balance de energa

Fase lquida

( SLSLSL

pLLLL

pLLL TTahz

Tcu )

t

Tc

=

(5)

Fase slida

( ) ( ) ( )( ) +=

j

jRSSijjBSLSLS

SpSS HTCrTTah

t

Tc ,...,1 (6)

Cintica de las reacciones

Hidrodesulfuracin

)(2)()(2)( 22 GasSHLiqHCGasHLiqSSHHCHS ++ (7)

Hidrodesaromatizacin

BAr

f

k

k

(8)

Hidrodesnitrogenacin

3NHHCNNBHDNNBHDN

k

B

k

NB + (9)

3


4/9

Las expresiones cinticas para estas reacciones se presentan en la Tabla 1 [6-7] .

Tabla 1. Modelos cinticos para reacciones de HDS, HDA, HDNNBy HDNB

Reaccin Modelo cintico

HDS ( )( )( )2

45.0

22

2

1 S SHSH

S

H

S

S

HDSHDS

CK

CCkr

+=

HDA SAr

S

AHfHDA CkCpkr = 12

HDN

Nitrgeno no bsico

Nitrgeno bsico

( ) 5.1SNHDNHDN NBNBNB Ckr =

( ) ( ) 5.15.1 SNHDNSNHDNHDN BBNBNBB CkCkr =

3. Resultados y discusin

3.1Modelacin dinmica del reactor piloto isotrmico

La Figura 1 muestra el perfil de contenido de azufre en el producto a la salida del reactor en

funcin del tiempo. Los perfiles para las otras impurezas son similares. Una cantidad pequea del

producto hidrotratado se detecta a la salida del reactor a 250 s (0.07 h), que corresponde al tiempo

medio de residencia dado por la velocidad intersticial de la fase lquida (uL= uL/L); despus de

esto, las concentraciones empiezan a incrementar y finalmente alcanzan el estado estacionario a

2300 s (0.64 h). El valor experimental obtenido se muestra con el smbolo . Al comparar los

valores predichos con los experimentales se determinaron errores absolutos promedio menores a

1.5%.

Los resultados del estado estacionario obtenido por simulacin dinmica usando el modelo

desarrollado en este trabajo, corresponden adecuadamente a los determinados experimentalmente

a la salida del reactor, por lo que queda demostrado que el modelo representa de manera

apropiada los resultados experimentales obtenidos a escala piloto en operacin isotrmica.

4


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.2 Modelacin dinmica del reactor comercial adiabtico

Una rimental

mico de un reactor industrial. La

Fi

Modelacin dinmica del reactor comercial adiabtico

Una rimental

mico de un reactor industrial. La

Fi

0.0E+00

1.0E-06

2.0E-06

3.0E-06

4.0E-06

5.0E-06

6.0E-06

7.0E-06

8.0E-06

9.0E-06

1.0E-05

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Tiempo, s

Azufre,mol/cm

3

0.0E+00

2.0E-08

4.0E-08

6.0E-08

8.0E-08

1.0E-07

1.2E-07

1.4E-07

0 100 200 300 400 500 600

0.0E+00

1.0E-06

2.0E-06

3.0E-06

4.0E-06

5.0E-06

6.0E-06

7.0E-06

8.0E-06

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Tiempo, s

Azufre,mol/cm

3

9.0E-06

1.0E-05

0.0E+00

2.0E-08

4.0E-08

6.0E-08

8.0E-08

1.0E-07

1.2E-07

1.4E-07

0 100 200 300 400 500 600

Figura 1. Contenido de azufre en el producto a la salida del lecho cataltico en el reactor piloto

en funcin del tiempo (z=31.58 cm, 380C, 5.3 MPa, uL=1.7510-2cm/s, uG=0.28 cm/s).

3

vez que el modelo dinmico del reactor de HDT se valido con informacin expevez que el modelo dinmico del reactor de HDT se valido con informacin expe

de planta piloto, se aplico para predecir el comportamiento dinde planta piloto, se aplico para predecir el comportamiento din

gura 2 ilustra los resultados de simulacin dinmica del reactor comercial para la reaccin de

HDS, en donde tambin se incluyen los resultados para el reactor piloto. Se puede observar que el

estado estacionario en el reactor comercial se alcanzar ms rpido que en el reactor piloto, lo cual

se debe a las condiciones de reaccin, particularmente el LHSV y la relacin uG/uL. Existen

algunas diferencias en los perfiles de concentracin de azufre en ciertos periodos de tiempo antes

de que se alcance el estado estacionario en el reactor piloto y en el reactor comercial, las cuales se

pueden atribuir a la temperatura constante en el primero (operacin isotrmica) y a la temperatura

variable en el segundo (operacin adiabtica).

gura 2 ilustra los resultados de simulacin dinmica del reactor comercial para la reaccin de

HDS, en donde tambin se incluyen los resultados para el reactor piloto. Se puede observar que el

estado estacionario en el reactor comercial se alcanzar ms rpido que en el reactor piloto, lo cual

se debe a las condiciones de reaccin, particularmente el LHSV y la relacin uG/uL. Existen

algunas diferencias en los perfiles de concentracin de azufre en ciertos periodos de tiempo antes

de que se alcance el estado estacionario en el reactor piloto y en el reactor comercial, las cuales se

pueden atribuir a la temperatura constante en el primero (operacin isotrmica) y a la temperatura

variable en el segundo (operacin adiabtica).

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origina una reduccin de temperatura del mismo. A 1000 s se obtuvieron resultados similares,

pero en este caso el decremento en temperatura se observa a mayor longitud del reactor. Para

tiempos mayores a 1000 s este comportamiento ya no se present.

0.0E+00

5.0E-06

1.0E-05

1.5E-05

2.0E-05

2.5E-05

3.0E-05

3.5E-05

4.0E-05

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Longitud del Reactor z , cm

Azufre,mol/cm

3

Figura 3. Contenido de azufre en el producto en funcion del tiempo y longitud del reactor.

(lneas) simulacin reactor comercial, () reactor piloto

---- 60s, ---- 500 s ---- 1000 s 2000 s

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

200

400

600

800

1000

375

380

385

390

395

400

Tiempo,s

CoordenadaAxial,cm

Temper

aturadelafaselquida,

C

0

1000

2000

3000

4000

5000

0

200

400

600

800

1000

375

380

385

390

395

400

Tiempo,s

CoordenadaAxial,cm

Temper

aturadelafaselquida,

C

Figura 4. Variacin de la temperatura del reactor comercial en funcin

del tiempo y longitud del lecho cataltico

7


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Conclusiones

Se desarroll un modelo de tres fases heterogneo unidimensional para la simulacin dinmica

de reactores de hidrotratamiento, que incluye las principales reacciones de hidrotratamiento:

H

obtenidos a escala piloto, encontrndose desviaciones promedio menores a

1.

mos resultados del modelo dinmico, este ltimo corrindolo a tiempos prolongados. Se

en

eratura axiales en el reactor. Este fenmeno causo una reduccin en

la

)Kemsley, J. C&EN, Oct. 27 2003, 40 41.

L.; Varraveto, D. M.Ptq Summer1999, 37 44.

, J.Ptq Summer2001, 51 56.

. 7 2004, 15 18.

, 20, 936 - 945.

DS, HDN y HDA.

El modelo dinmico es capaz de simular modos de operacin isotrmico y no-isotrmico, y se

valid con resultados

5 %.

La solucin del modelo considerando slo las ecuaciones en estado estacionario proporcion

los mis

contr que el estado estacionario fue ligeramente mayor para el reactor piloto (2300 s) que para

el reactor comercial (2000 s).

Para tiempos cortos (< 1000 s), se observ el comportamiento wrong-way cuando se

simularon los perfiles de temp

temperatura del reactor en la parte final del mismo. Para tiempos cercanos o mayores al del

estado estacionario, este comportamiento no se observ.

Referencias

(1

(2)Irvine, R.

(3)Lamourelle, A. P.; Nelson, D. E.; McKnight

(4)Palmer, R. E.; Torrisi, S. P.Ptq Revamps & Operations, Feb

(5)Mederos, F.S.; Rodrguez, M.A.; Ancheyta, J.; Arce, E.,Energy Fuels 2006

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(6)Yui, S. M.; Sanford, E. C. 1985 Proceedings Refining Department: 50th Midyear Meeting

(7) ai, A. K.; Adjaye, J.Energy Fuels2001, 15, 377 383.

(Kansas City, MO, May 13-16, 1985); American Petroleum Institute: Washington, DC, 1985;

pp 290 297.

Bej, S. K.; Dal

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