DISEÑO DE UN REACTOR PARA HIDRODESULFURACIÓN

PRESENTADO POR:JOSE DAVID GARCÍA GAMARRA código 2083090SAMANTA MACHADO CEPEDA código 2093104

DUWAL ALBERIO BAUTISTA PEÑA código 2082364LADY VIVIANA PINZÓN BELTRÁN código 2082332

GRUPO D1

PRESENTADO A:LUIS MARIANO IDARRAGA

DISEÑO DE REACTORES

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFALCULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUIMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICABUCARAMANGA

2013

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, la industria lleva a cabo diferentes procesos químicos siendo uno de los más importantes la refinación del petróleo, la extracción y dependencia desmedida hacia este recurso, ocasionando que las reservas de los países productores disminuyan drásticamente, esta realidad se ve reflejada en la calidad del hidrocarburo ya que en los últimos años no es tan buena como en los inicios de su extracción. En el ámbito industrial a estos crudos de menor calidad se le denominan crudos pesados.Los crudos pesados contienen gran cantidad de compuestos sulfurados que en los procesos de refinación liberan el azufre permitiendo la formación de H2S, este compuesto además de ser mortal para los seres vivos también es muy corrosivo ocasionando el deterioro de las tuberías de la refinaría, de allí la importancia de su separación para luego disponer algún tipo de tratamiento o como en la mayoría de las empresas lo disponen para ser quemado pero en el proceso de combustión de este tipo de hidrocarburos se debe tener en cuenta que el crudo también está constituido por antidetonantes que son contaminantes al medio ambiente y la salud humana es por ello que se pretende buscar un método de extracción o una forma de minimizar el impacto de los compuestos sulfurados mediante el diseño de catalizadores que aumenten la eficiencia del tratamiento del crudo pesado.

MARCO TEÓRICO

Las principales razones para retirar el azufre de las fracciones del petróleo:

Los compuestos de azufre generan SOx durante su combustión, Son precursores de la lluvia ácida.

Evitar el envenenamiento del catalizador en procesos subsecuentes. Producción de fracciones de petróleo que tengan un olor aceptable. Reducción o eliminación de la corrosión durante las operaciones de refinación,

manejo o almacenamiento de las fracciones que se obtengan. Incremento del desempeño (octanaje), resistencia a la formación de gomas y la

estabilidad de color de las gasolinas. Son compuestos bastante inestables en presencia de peróxido de hidrogeno, acido

nítrico, hipocloritos, ácidos y bases principalmente lo que hace que el proceso de tratamiento de las fracciones de petróleo sea más costoso si se tienen compuestos sulfurosos.

Secuencia de la reacción

1. Adsorción (coordinación) del compuesto de azufre en el sitio activo.2. Hidrogenación de enlaces insaturados C=C.3. Ruptura de dos enlaces C-S (secuencial o simultáneo).4. Adición del Hidrógeno en ambos enlaces rotos de C-S.5. Liberación del producto hidrocarburo del sitio catalítico.6. Liberación del H2S del sitio activo.

Reacción ΔHR° *

Benzotiofeno + 3H2 etilbenceno + H2S -203

Las variables de operación de mayor importancia, que influyen considerablemente en el buen funcionamiento tanto del catalizador como de la planta son:

Temperatura. Presión. Espacio-Velocidad (LHSV). Relación H2/HC.

Sobre los Catalizadores

A nivel industrial los catalizadores de hidrotratamiento comprenden a los óxidos de cobalto y molibdeno sobre alúmina, óxido de níquel, tiomolibdeno de níquel, sulfuros de tungsteno y níquel, y óxido de vanadio. Los catalizadores de óxidos de cobalto y molibdeno sobre alúmina son los que se usan generalmente, ya que han probado ser altamente selectivo, fáciles de regenerar y resistentes al envenenamiento. Los catalizadores están compuestos por dos partes: el soporte y la fase activa, los primeros son materiales cuya base está comprendida por alúminas y estos se han modificado en su forma. Los metales, son utilizados para hidrotratar las corrientes destinadas a la formulación del diesel con el Molibdeno (Gary, 1994).

El primer catalizador para el hidrotratamiento de corrientes para la producción de Diesel fue del tipo Molibdeno-Níquel, de forma esférica y denominado IMP-DSD-1. Actualmente, el IMP cuenta con nuevas generaciones identificadas a la fecha como IMP-DSD-10, 11 y 14; estos son de forma trilobular, diseñados por computadora y probados a nivel de planta piloto, sus metales activos son Molibdeno y Cobalto que son los que se utilizan en la producción del Diesel en la industria nacional de definición. Sin embargo, la combinación Molibdeno y Níquel también esta siendo utilizada porque es resistente a altas presiones, a pesar, de alto consumo de hidrógeno que genera.

La eliminación de nitrógeno tiene una importancia significativa, los catalizadores formados por compuestos de Níquel – Cobalto – Molibdeno o de Níquel – Molibdeno, con soporte de alúmina, son los más eficaces. El nitrógeno normalmente es más difícil de eliminar de las corrientes de hidrocarburo que el azufre y cualquier tratamiento que reduzca el exceso de concentración de nitrógeno a un nivel satisfactorio, eliminará efectivamente el exceso de azufre.

En definitiva, los catalizadores de hidrotratamiento deben presentar una alta funcionalidad catalítica, lo cual dependerá de las necesidades del refinador (especificaciones del producto final), los intervalos de las condiciones de operación factibles y de la naturaleza y reactividad de la carga.

SIMULACIÓN DEL REACTOR DE LECHO EMPACADO.Como se referencio anteriormente este tipo de reactor se puede simular como un reactor de flujo pistón.

Se escogen los componentes de la reacción.

Crear el Fluid Package. Dado que estos compuestos son hidrocarburos, se puede usar el paquete termodinámico Peng-Robinson o PRSV.

Hacer clic en la etiqueta Rxns para definir las reacciones, Retornar al Simulation Basis Manager haciendo clic en la etiqueta Reactions. Y se le da add Rxn. Escogemos el tipo de reacción catalítica heterogénea porque es la que representa mejor el modelo de velocidad de reacción.

Se abre la etiqueta Stoichiometry y en la matriz Stoichiometry and Rate Info, se selecciona la columna Component. se ingresar en esta columna los componentes que intervienen en la reacción, automáticamente aparece la columna Mole Wt. Luego se coloca los valores de los coeficientes estequiométricos en la columna Stoich Coeff, considerando valores negativos para los reactantes y positivos para los productos.

DETERMINACIÓN DE LAS CONSTANTES Y FACTOR DE FRECUENCIA

Donde:: Constante cinética (dependiente de la temperatura)

: Factor preexponencial o factor de frecuencia. Indica la frecuencia de las colisiones.: Energía de activación, expresada en J/mol.

: Constante universal de los gases. Su valor es 8,3143 J·K-1·mol-1

: Temperatura absoluta [K]

kB KB KH2 KH2S

E 63209,78505-334709,6701 -334584,4185 -334729,122

A 104,1550213 3,03685E-32 5,79461E-34 3,30554E-31Tabla 1

T kB KB KH2 KH2S533 6,65E-05 19,3 0,358 211573 1,80E-04 9,90E-02 1,84E-03 1,08E+00Tabla 2

E se calcula directamente partiendo de parejas adyacentes de k y T, resolviendo simultáneamente dos conjuntos de la ecuación de Arrhenius

Seg un las 2 ecuaciones

A=104,1550213∗( molgcat∗s ) 103gcat

kgcat ( 2146m3cat )(1−0.3)m3 cat

m3R ( m3R0.445m3gas ) 1m3 gas

103 Lgas

A=521538,9098(molL∗s )Que son las unidades con que trabaja hysys

Para el numerador, El E que se ingresa es la suma de las tres energías de activación que se deducen al despejar de kB, KB, KH2.

E=E(kB)+E (KB)+E(KH 2)

E=63209,78505−334709,6701−334584,4185=−606084.3036

Para el numerador, El E que se ingresa el producto de los tres factores preexpoenciales que se deducen al despejar de kB, KB, KH2.

A=A (kB )∗A (KB )∗A(KH 2)A=521538,9098∗3,03685E-32∗5,79461E-34=9,1777E-60

Para el denominador se ingresan al programa los valores de la tabla 1 con el respectivo coeficiente exponencial.

Numerador

Denominador

Se agrega el set de reacción y se entra al ambiente gráfico.

DETERMINACION DE LA CAIDA DE PRESIÓN

Suponiendo esferas catalizadas, teniendo en cuenta los siguientes datos:

α=0,34 1kg

Po=202,6 kPaL = 5φ=0,03cm=3∗10−4m

Ac=4 π∗r2=π∗D2

4=2.0106∗10−6m2

ρc=2146 kgm3

∅=0,30

β=α∗Ac (1−∅ )∗ρc∗Po2

β=0.0520 kPam

P=(1−2 βLPo )

12∗Po

P=201.8049077 kPa∆ P=Po−P

∆ P=0.52009 kPa

Simulación de un reactor lecho fijo adiabático

Información de la corriente de Benzotiofeno

Nombre de la corriente

Benzotiofeno

Fracción en fase vapor 1Presión 101.325 kpa

Flujo molar 20mol/hTemperatura de

entrada260º C

composición 1

Información de la corriente de hidrogeno

Nombre de la corriente

hidrogeno

Fracción en fase vapor 1Presión 101.325 kpa

Flujo molar 60mol/hTemperatura de

entrada260º C

composición 1

Se realizaron diferentes simulaciones cambiando las variables como presión, diámetro y longitud.

longitud[m]

diámetro[m]

presión [kpa]

conversión [%] Tout[ºC] Bo

caída de presión [kpa]

6 2 101,325 15,87 332,34 0,05202582 0,3126372656 1 202,65 17,53 339,1 0,10405165 0,625274535 2 101,325 15,68 331,5 0,05202582 0,2604638935 1 202,325 17,33 338,2 0,10388478 0,520092348

Se puede evidenciar que las conversiones no son altas, segundo que a lo largo del reactor se va aumentando la temperatura lo que me ocasiona una disminución en las velocidades de reacción. También se observa que las temperaturas de salida del reactor son más altas al valor con que se trabajan los procesos de hidrodesulfuración (325ºC) lo cual me puede producir daños en el catalizador o formación de coque. También se simulo un aumento en exceso de la alimentación de hidrógeno de 120 mol/h y me entrega una conversión de 25.69%, aunque hay un aumento no es significativo para el diseño de un reactor a nivel industrial.

Simulación de un reactor de lecho fijo isotérmico

Los datos de las corrientes de alimentación se mantienen igual que para el anterior caso, pero se simula para diferentes valores de presión, longitud, razón molar, diámetro.

longitud[m]

diámetro[m] presión [kpa]

conversión [%]

4 0,09 101,325 99,324 0,05 202,65 99,9993 0,09 101,325 98,363 0,05 202,65 99,992 0,09 101,325 95,782 0,05 202,65 99,991 0,03 202,65 44,57

Bo caída de presión de salida

presión0,05202582 0,20831744 101,11668260,10405165 0,416634881 202,23336510,05202582 0,156197866 101,16880210,10405165 0,312395733 202,33760430,05202582 0,104105129 101,22089490,10405165 0,208210259 202,44178970,10405165 0,104078375 202,5459216

Grafica para un diámetro 0.09m, una longitud de 4 metros y una presión de 2 atm

Grafica para un diámetro 0.03m, una longitud de metro y una presión de 2 atm

Se puede notar en las gráficas y tablas anteriores que en este tipo de reactor es más eficiente generando mayores conversiones, Si aumentamos la longitud del reactor el porcentaje de la conversión aumenta un poco y el costo por el beneficio de agregarle unos metros más no se justifica, lo mismo sucede con el número de tubos.

SIMULACIÓN DE LECHO FLUIDIZADO EN UN CSTR

Longitud

Diámetro Presión

Conversión

[%]

T out Bo

[kPa/m]

Caída de presión[kPa]

Presión de salida[kPa][m] [m] [kPa] [K]

6 3 101,325 14,64 326,8 0,05 0,112 101,016 3 202,65 17,6 339,1 0,1 0,223 202,026 2 101,325 13,85 323,2 0,05 0,112 101,015 3 101,325 14,46 326 0,05 0,093 101,065 3 202,65 17,41 338,7 0,1 0,186 202,135 2 101,325 13,68 322,4 0,05 0,093 101,068 3 101,325 14,92 328,1 0,05 0,149 100,918 2 202,65 17,06 337 0,1 0,298 201,8210 2 101,324 14,37 325,7 0,05 0,186 100,810 3 101,325 15,13 329 0,05 0,372 100,810 2 202,65 17,28 338,1 0,1 0,186 201,61Tabla. Reactor CSTR Al realizar la simulación del reactor CSTR , se identifica que la conversión en este tipo de reactor es relativamente baja y no cambia representativamente al perturbar las variables, tales como es la longitud , el diámetro y la presión.Observando así que al aumentar la presión de entrada, la conversión crece en un 3% aproximadamente, siendo un incremento insignificante .También se observa que las

temperaturas de salida en la mayoría de los casos no se encuentra en el intervalo de operación, ya que la reacción es exotérmica y existe un incremento en la temperatura del reactor, que es función del tipo de carga y de la concentración de contaminantes presentes.

Se realizó otra simulación con un diámetro de 1 metro, longitud de 10 metros, presión de 2 atmosferas y una relación de benzotiofeno: hidrogeno de 1:3 dando como resultado una conversión de 24,3%.

Simulación De Un Reactor De Lecho Fluidizado Isotérmico

longitud[m]

diámetro[m]

presión [kpa]

conversión [%] Bo caída de P P de salida

2 1 101,325 82,140,05202582

0,000546491 101,2208949

2 1 202,65 89,940,10405165

0,001092982 202,4417897

4 0,5 101,325 79,360,05202582

0,001092985 101,1166826

4 0,5 202,65 88,380,10405165

0,002185971 202,2333651

6 0,3 101,325 76,530,05202582

0,001639483 101,0123627

6 0,3 202,65 86,790,10405165

0,003278965 202,0247255

8 0,2 101,325 73,820,05202582

0,002185983 100,9079351

8 0,2 202,65 85,260,10405165

0,004371965 201,8158701

Se realizó otra simulación con un diámetro de 1 metro, longitud de 2 metros, presión de 2 atmosferas y una relación de benzotiofeno: hidrogeno de 1:6 dando como resultado una conversión de 99.88%.Se puede observar de la tabla anterior que al variar diámetro, longitud y presión la conversión se ve favorecida por altas presiones y longitudes no muy grandes al igual que

los diámetros, el proceso isotérmico es mucho más eficiente que el adiabático, aunque para funcionar necesita un sistema de enfriamiento que retire el calor necesario para que la temperatura de entrada sea la misma que la de salida.

Tipo De Reactor

Se simulo dos tipos de reactores de lecho fijo y de lecho fluidizado, los reactores de lecho fijo tienen la ventaja de que presenta menor caída de presión, Esta baja caída depresión permite mantener una presión parcial del gas reactante. Los procesos de transferencia de masa son generalmente más rápidos en estos reactores. Los fluidizados tienen mayor eficiencia en las transferencias de calor y masa, y una distribución uniforme de catalizador, aunque el desgaste del mismo puede ser significante. Por otro lado, los requerimientos de energía son mayores, en base a lo anterior y a los datos analizados en las gráficas se puede decir que si se quiere altas conversiones se debe escoger un reactor de lecho fijo.

Operación Isotérmica Vs Adiabatica

Según lo visto, las operaciones isotérmicas siempre generaron mayores conversiones que las adiabáticas, las cuales ocasionaron problemas de elevación de la temperatura excesiva provocando disminución en las conversiones, afectando las velocidades de reacción. Las operaciones isotérmicas necesitan un sistema de enfriamiento pero en este caso es necesario para alcanzar un grado óptimo de producción de productos deseados.Si se compara las dos simulaciones Isotérmica y Adiabática con las mismas condiciones de flujos de entrada se llega a los siguientes datos de conversión:

% de ConversiónReactor Isotérmico Mayor a 90Reactor Adiabático Menor a 18

Temperaturas y Presión Del Reactor

Se escogieron las siguientes condiciones de temperatura y presión debido a que con ellas se lograron las mayores conversiones en relación con el diámetro y la altura del reactor. Se trabaja con estos datos debido a que las reacciones de hidrodesulfuración suceden más o menos a este rango.Temperatura: 260 °C Presión: 2 atm

Relación de hidrogeno a Benzotiofeno en la alimentación

Con la relación estequiometria se alcanza una conversión del 67% Para llegar a una conversión cercana al 90% la relación se puede ajustar de la forma hidrogeno: Benzotiofeno 2:1, se obtiene otros datos de 4:1 un conversión del 100%.

Condiciones Del Afluente Y Composiciones

Condiciones

Composiciones

Peso del Catalizador:

El peso es 2.95 kg tomando en cuenta que la densidad supuesta para el catalizador es de 2145 kg/m3 (Se tomó como referencia este dato debido a que no lo daban como información, este valor es aproximado a las densidades de catalizadores con este tamaño de partícula).

Kg/h de Benzotiofeno= 2.684Kg/h de hidrogeno =0.2419Para un volumen del reactor se 1.96e-3m3

Forma y dimensiones del reactor:

Se realizaron diferentes simulaciones, variando el diámetro y la longitud del reactor con lo cual se determinó el diámetro de 0.050m y longitud de 1m.

Materiales De Construcción.

Los materiales estructurales de las plantas hidrodesulfurantes están normalmente compuestos de aceros inoxidables, una propuestas de aplicación de este tipo de aceros es utilizar el acero 304 y 316L en estos sistemas. De acuerdo a su composición los aceros inoxidables se consideran ferriticos, contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a las herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos, algunos aceros inoxidables son muy duros ; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos

periodos a temperaturas extremas . Se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas

Calculo del espesor de las paredes

Se tomó la concha cilíndrica

Se escogió el tipo de soldadura puntual en x , valor 0,85

Condición representada en el diagrama, lo cual indica que se puede emplear cualquier tipo de acero al carbón con o sin aleación , pero por economía se escogió acero al carbón.

Leyendo en tablas

S=17500 lbft2

=837721,3978 Pa

P=Po(1+0.1)

P=202,650 (1+0.1 )=222915Pa

t= 222915 Pa∗0.05m837721,3978Pa∗0.85−0.6∗222915 Pa

=0,01927m=1,927cm

Aspecto ambientalDurante la operación normal, parada y mantenimiento de la unidad se producen desechos que constituyen un peligro para la salud y el medio ambiente, por lo que el correcto manejo y tratamiento de estos desechos es de suma importancia.Debido al alto riesgo que representa el sulfuro de hidrógeno, y para prevenir la contaminación ambiental, la unidad cuenta con diferentes sistemas de tratamiento de los efluentes líquidos, especialmente diseñados para este tipo de unidad.Estos sistemas de tratamiento permiten cumplir con la normativa vigente.Durante los períodos de parada, mantenimiento o durante problemas operacionales de la unidad, se originan gases tóxicos y combustibles que no pueden ser venteados directamente a la atmósfera, debido a las restricciones ambientales y de seguridad.Estas emisiones (alivios y venteos), generados en equipos y líneas de la unidad, son recolectados y enviados al mechurrio (antorcha de gas) ácido de la Refinería.La unidad no representa ningún problema de contaminación ambiental por ruido ya que los niveles de ruido dentro de la misma se mantienen por debajo del nivel máximo de ruido 85 db, recomendado por la normativa COVENIN.

Además de las emisiones líquidas y gaseosas anteriormente mencionadas, la unidad produce otros desechos durante la carga y descarga de catalizadores. Estos desechos son principalmente:• Catalizador gastado• Alúmina activada gastada.

Conclusiones

El proceso de Hidrodesulfuración permite reducir los compuestos de azufre, nitrógeno y aromáticos presentes en el crudo pesado, garantizando fracciones de petróleo con una menor cantidad de impurezas, que pueden llegar a envenenar el catalizador de otros procesos.

Por la habilidad para establecer las características del proceso y el ajuste de los datos obtenidos en la simulación, se afirma que el simulador ASPENHYSYS V7.0 tiene una metodología válida y aceptable para el diseño de las unidades simuladas dentro de la Unidad de Hidrodesulfuración.

Se obtuvo información de los resultados de acuerdo a la comparación de los equipos obtenidos, presentando consistencia debido a que alcanzaron niveles de valor semejantes, pudiéndose tomar como referencia a la simulación para variación de variables del proceso o para posibles modificaciones dentro de la unidad siempre y cuando se consideré como punto de referencia los diagramas de flujo de la Unidad.

Se estudió el efecto de las variables del proceso (flujo de aceite alimentado, presión en el reactor, relación hidrógeno/benzotiofeno, diámetro , altura y temperatura máxima de salida entre lechos ) sobre las condiciones de operación del reactor, lo cual permite mantener la eficiencia del mismo durante su operación real. Los resultados obtenidos reproducen los valores del reactor industrial evaluado, y así es la metodología puede ser utilizada para evaluar reactores industriales de hidrodesulfuración de fracciones petroleras.

BIBLIOGRAFIA