reformador secundario

TEMA: DETERMINACIÓN DE TEMPERATURA DE DISEÑO DE METAL PARA UN REFORMADOR

SECUNDARIO

Charlas TécnicasDpto. Técnico GRYD

PREPARADO POR: JOSÉ CARLOS ROJAS GONZALESUNIDAD DE PROYECTOS – DPTO. TÉCNICO GRYD

11/06/2014

AGENDACharlas Técnicas

Dpto. Técnico GRYD

1. Presentación del Problema.

2. Reformador Secundario y Funciones.

3. Típica Configuración de Reformador Secundario

4. Industria del amoniaco.

5. Metodología Aplicable.

En un caso de estudio reciente, un Reformador Secundario en una planta de amoniaco, usando una instalación de aire ardiente registraba una temperatura interior de 1373°C en la parte alta.

Un sistema de quema de aire debe ser diseñado de modo que no haya mantenimiento requerido entre paradas cada dos años.

1. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMACharlas Técnicas

Dpto. Técnico GRYD

2. REFORMADOR SECUNDARIO Y FUNCIONES.Charlas Técnicas

Dpto. Técnico GRYD

Un Reformador Secundario es un horno reactor cuyas funciones son:

• Principalmente, añadir el nitrógeno necesario para la síntesis y para

completar la conversión de la alimentación del hidrocarburo.

• Complementar el proceso de reformación del metano que no ha

reaccionado y que se inició en el reformador primario.

• Producir y ajustar la cantidad de gases de hidrógeno y nitrógeno.

• Reducir el deslizamiento de metano a niveles muy bajos (0.3 -0.5%

mol seco

• Proporcionar para las plantas de amoniaco punto de alimentación

para el nitrógeno necesario para la síntesis de amoníaco.

• Generar calor para la transferencia de vapor de alta presión en la

caldera de calor residual.

3. TÍPICA CONFIGURACIÓN DE REFORMADOR SECUNDARIO


A. Entrada de gas

- CH4 - CO - Ar

- H2O - CO2

- H2 - N2

B. Entrada de aire

- N2 - O2 - CO2

- H2O - Ar

C. Gases productos

- CH4 - H2O - H2

- CO - CO2 - N2

- ArA

C

B

4. INDUSTRIA DEL AMONIACOCharlas Técnicas

Dpto. Técnico GRYD

NH3

El amoniaco a temperatura ambiente es un gas incoloro, con un color muy penetrante e irritante. Se emplea con frecuencia en solución acuosa. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Es fácilmente soluble en agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida. Es fácilmente biodegradable y es un nutriente muy importante para el desarrollo de las plantas. También se utiliza en medidas de protección para el medio ambiente y como refrigerante

Nitruro de Hidrógeno Nitruro de Tri-hidrógeno Gas de amonio Espíritus de Hartshorn Nitro-Sil Vaporole AM-FOL Corna’e Sierbo

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: SINTESIS INDUSTRIAL


El NH3 se obtiene exclusivamente por el método denominado Haber-Bosh (Fritz Haber y Carl Bosh). El proceso consiste en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos.

Es una reacción exotérmica por lo que un excesivo aumento de temperatura no favorece la formación de amoniaco.Los estudios sobre el mecanismo de la reacción indican que la etapa determinante de la velocidad de la reacción es la ruptura de la molécula de N2 y la coordinación a la superficie del catalizador. El otro reactivo, H2, se activa más fácilmente. Se producen una serie de reacciones de inserción entre las especies adsorbidas para producir el NH3

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: MÉTODOS DE SINTESIS


Existen numerosos métodos en la síntesis actual del amoniaco, pero todos ellos derivan del proceso Haber-Bosch original. Las modificaciones más importantes están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoniaco.

El 77% de la producción mundial de amoniaco emplea Gas natural como materia prima. El 85% de la producción mundial de amoniaco emplea procesos de reformado con vapor.

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: PROPIEDADES FÍSICO QUÍMICAS Y TERMODINÁMICAS DEL

AMONIACO


• Temperatura de solidificación -77.7ºC

• Temperatura normal de ebullición -33.4ºC

• Calor latente de vaporización a 0ºC 302Kcal/Kg

• Presión de vapor a 0ºC 4.1 atm

• Temperatura crítica 132.4ºC

• Presión crítica 113atm

• Densidad del gas (0ºC y 1atm) 0.7714 g/L

• ΔHº GAS -45.9 KJ/mol

• ΔHº LIQ -40.2 KJ/mol

• Sº GAS, 1 BAR 192.77 J/mol.K

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO - APLICACIONES


Actualmente, en torno a un 80% del amoniaco que se produce en todo el mundo se utiliza como fuente de nitrógeno para fabricar fertilizantes, mientras que el 20% restante se emplea en distintas aplicaciones industriales:

80%

20%

Aplicaciones

Fertilizantes

Aplicaciones Industriales

• Fertilizantes:-Aplicación directa al subsuelo.-Úrea-Ácido Nítrico-NH4NO3 Nitrato de amonio-Fósforo mono y di-amónico.-Sulfato de Amonio

• Industrial:-Nitrato de Amonio grado explosivo.-MAP Industrial (extintores).-Textiles, plásticos.-Producción de pulpa de papel.-Productos de limpieza domésticos.-Refrigerantes.-Sales aromáticas.

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: PROCESOS Y MATERIAS PRIMAS APLICADAS EN LA

PRODUCCIÓN


Materia Prima ProcesoPorcentaje de la

capacidad mundial

Gas Natural Reformado con vapor 77%Nafta, LPG, gas de refinería Reformado con vapor 6%Fracciones de hidrocarburos pesados Oxidación Parcial 3%Coque, Carbón Oxidación Parcial 13.50%Agua Electrólisis acuosa 0.50%

Materia Prima ProcesoConsumo energético primario

neto GJ/t NH3 (LHV)Inversión Relativa

Gas natural Reformado con vapor 28* 1Hidrocarburos pesados Oxidación Parcial 38 1.5Carbón Oxidación Parcial 48 2-3

*Mejores Resultados

La mejor fuente de nitrógeno es el aire atmosférico. Por su parte, el hidrógeno necesario puede obtenerse de distintas materias primas, pero actualmente se deriva principalmente de combustibles fósiles.

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: ETAPAS DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN


Reformado convencional con vapor

R−SH+H 2 H2S+RHH2S+ZnO ZnS+H2O

∆ H 0=206 KJ /mol

∆ H 0=−41KJ /mol

CO+3H2 CH 4+H 2OCO2+4H 2 CH 4+2H2O

∆ H 0=−206KJ /mol∆ H 0=−165KJ /mol

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: DIAGRAMA DE FLUJO DE PRODUCCIÓN


CO+3H2 CH 4+H2OC𝑂2+4H 2 CH 4+2H 2O

4. INDUSTRIA DEL AMONIACO: NIVELES DE CONSUMO ENERGÉTICO RELATIVO A LA

PRODUCCIÓN


Ejemplo de flujos de energía de una planta de producción de amoniaco de 1350 t/d (Barton and Hunns, 2000)

5. METODOLOGÍA APLICABLE AL PROBLEMACharlas Técnicas

Dpto. Técnico GRYD

Los supuestos básicos para el estudio incluyen:- Un cálculo se ha realizado para evaluar la transferencia de calor desde una

pared cilíndrica de múltiples capas a través de la conducción, así como la convección desde la superficie de acero al carbón al agua con la velocidad adecuada.

- La temperatura del agua se mantiene constante a lo largo de la cubierta de agua a 110ºC haciendo circular el agua con velocidad adecuada.

- La conductividad térmica del acero al carbono se toma de la sección ASME 2, Parte D, mientras que la conductividad térmica del material refractario se confirma por el proveedor refractario.

- El coeficiente de película convectiva del agua se ha asumido.- La temperatura no debe superar el valor utilizado en el cálculo.- El valor de la conductividad térmica de los materiales refractarios se restringe

a determinar la temperatura de diseño del metal deseado.- Cuando la conducción de calor a través de una pared cilíndrica de material

compuesto para una condición de estado estacionario, el flujo de calor a través de cada capa es el mismo y puede ser descrita por las ecuaciones:


Dpto. Técnico GRYD

𝑄=2∗𝜋 ∗𝐾 1∗𝐿∗(𝑡1−𝑡2) log𝑒 ¿¿¿

(1)

𝑄=2∗𝜋 ∗𝐾 2∗𝐿∗(𝑡2−𝑡 3) log𝑒 ¿¿¿

(2)

Ó

(𝑡¿¿1− 𝑡2)=𝑄𝑙𝑜𝑔𝑒 ¿¿¿

(𝑡¿¿2−𝑡3)=𝑄𝑙𝑜𝑔𝑒¿¿¿

(3)

(4)


Dpto. Técnico GRYD

La transferencia de calor por convección, a partir de acero de carbono al agua dentro de la camisa de agua, se muestra en las Ecuaciones 5-6:

𝑄=h∗ 𝐴∗(𝑡 3− 𝑡4) (5)

Donde:

𝐴=2∗𝜋∗𝑟 3∗𝐿O:

(𝑡¿¿3−𝑡 4)=𝑄

(2∗𝜋∗𝑟 3∗𝐿 )∗h¿ (6)


Dpto. Técnico GRYD

Una sección con un ID de 1770mm, una longitud de 2624mm y un espesor de 50mm se examina en un reformador secundario para la determinación de la temperatura de diseño de metal.


Dpto. Técnico GRYD

Mediante la adición de las Ecuaciones (3), (4) y (6), se pueden hacer los siguientes cálculos:

(𝑡 1−𝑡 4 )= 𝑄2𝜋 𝐿

¿(7)

𝑄=(𝑡1−𝑡 4 )2∗𝜋 ∗𝐿

¿ ¿(8)

¿(1,373−110 )∗2∗2.264∗𝜋

¿¿(9)

𝑄=831,302.22𝑊


Dpto. Técnico GRYD

El valor de Q puede ser sustituido para determinar la temperatura

(𝑡¿¿1− 𝑡2)=𝑄𝑙𝑜𝑔𝑒 ¿¿¿ (10)

(1 ,373−𝑡 2)=831,302.22∗𝑙𝑜𝑔𝑒¿ ¿1,373−𝑡 2=1,169.65

C

5. METODOLOGÍA APLICABLE AL PROBLEMA - CONCLUSIÓN


La temperatura del metal determinado se utiliza como la temperatura de diseño para el diseño de las piezas de presión en el reformador secundario, bajo la máxima temperatura del gas de funcionamiento continuo.

También se utiliza para determinar la presión de diseño y todas las cargas combinadas (tales como la actividad sísmica viento)

TEMA: DETERMINACIÓN DE TEMPERATURA DE DISEÑO DE METAL PARA UN REFORMADOR

SECUNDARIO


JOSÉ CARLOS ROJAS GONZALESUNIDAD DE PROYECTOS – DPTO. TÉCNICO GRYD

reformador secundario

Documents