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Page 1: TesisPulgarin

1

SIMULACIÓN DEL REFORMADO DE METANO PARA LA PRODUCCIÓN

DE HIDRÓGENO

JONATHAN PULGARÍN LEÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLÍN

FACULTAD DE MINAS

MEDELLÍN

2009

Page 2: TesisPulgarin

2

SIMULACIÓN DEL REFORMADO DE METANO PARA LA PRODUCCIÓN

DE HIDRÓGENO

JONATHAN PULGARÍN LEÓN

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Químico

Director:

ALEJANDRO MOLINA OCHOA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLÍN

FACULTAD DE MINAS

MEDELLÍN

2009

Page 3: TesisPulgarin

3

A todos aquellos que me acompañaron y ayudaron durante toda mi formación académica

de una u otra forma: Familiares, Amigos,

Compañeros, Profesores… A mi familia que con todo el esfuerzo y el amor que la caracteriza me brindó

todos los medios y la energía para alcanzar este logro…

Gracias...

Page 4: TesisPulgarin

4

AGRADECIMIENTOS

Primero que todo a Dios y a mi familia, por ser la columna inconfundible en mi vida.

A mi padre, un hombre con corazón, que me ha señalado el horizonte con optimismo y

confianza.

A mi madre, le agradezco todos mis éxitos en esta vida guiada por la enseñanza moral,

intelectual y física que recibí de ella.

A mis hermanos, por su apoyo incondicional en todas las situaciones más adversas por

las que he atravesado.

Agradecemos a Aspen Technology ® por haber concedido un permiso especial para el

uso del software ASPEN Plus bajo las condiciones de licencia académica.

Al director de este trabajo, Alejandro Molina Ochoa, por ser un verdadero maestro y por

la orientación y paciencia brindada a lo largo de este trabajo. En general al grupo de

investigación Bioprocesos y Flujos Reactivos por el apoyo y ánimo durante esta

investigación.

A la ingeniera Rosa Imelda Rueda Velásquez y la Magíster Jacqueline Saavedra Rueda

del ICP (Instituto Colombiano del Petróleo-Ecopetrol S.A.), por el apoyo y confianza

depositada.

A la Dra. Lina María González R. y el señor Carlos Duque del grupo Catálisis

Ambiental de la Universidad de Antioqiua, por su aporte y guía en la simulación.

A los profesores de la Escuela de Procesos y Energía, a la Facultad de Minas y a la

Universidad Nacional de Colombia en general, por la formación recibida durante mi

trayectoria académica.

A mis amigos y compañeros de la U, por los momentos alegres y tristes que vivimos,

por las derrotas en los partidos de fútbol que se celebraban mejor que las victorias, por

las lecciones a los compañeros de TKD, quienes a través de correcciones y acrobacias

luchábamos por el autocontrol y el domino del cuerpo, y a todos aquellos que regalaron

su apoyo durante esta etapa de mi vida….

"La gratitud es la memoria del corazón" (Jean Baptiste Massieu).

Page 5: TesisPulgarin

5

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN .................................................................................................................... 9

ABSTRACT ................................................................................................................ 10

1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 11

1.1 GENERALIDADES DEL HIDRÓGENO ....................................................... 12

1.1.1 Propiedades del hidrógeno ........................................................................ 12

1.1.2 Consumo de hidrógeno ............................................................................. 14

1.1.3 Producción de hidrógeno........................................................................... 15

1.2 SIMULACIÓN DE PROCESOS ..................................................................... 18

1.2.1 Simulación de procesos químicos ............................................................. 18

1.2.2 Simuladores ............................................................................................... 18

1.2.3 Generalidades de ASPEN Plus ................................................................. 19

1.2.4 Simulación de reactores con ASPEN Plus ................................................ 19

1.3 REFORMADO CATALÍTICO DE METANO ............................................... 22

1.3.1 Craqueo o reformado................................................................................. 22

1.3.2 Tipos de reformador .................................................................................. 22

1.3.3 Características del horno ........................................................................... 23

1.4 Modelos de reformadores de metano con vapor de agua ................................. 24

2 OBJETIVOS ........................................................................................................ 29

3 MODELO ............................................................................................................ 30

3.1 Ecuación de balance molar para el CH4 en el reactor ...................................... 30

3.1.1 Modelo cinético ......................................................................................... 32

3.1.2 Mecanismo de reacción ............................................................................. 33

3.2 Simulación en ASPEN Plus ............................................................................. 36

4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................ 38

4.1 Validación expresión cinética - MATLAB ...................................................... 38

4.2 Validación del modelo con la literatura............................................................ 38

4.3 Reformador Industrial ...................................................................................... 40

4.3.1 Perfiles de temperatura y presión .............................................................. 41

4.3.2 Análisis del equilibrio termodinámico y de la cinética ............................. 43

4.3.3 Análisis de sensibilidad ............................................................................. 43

4.3.3.1 Temperatura en el reactor .................................................................. 45 4.3.3.2 Relación vapor/carbón en la alimentación ......................................... 46

Page 6: TesisPulgarin

6

4.3.3.3 Variación del tiempo espacial en el reactor. ...................................... 48 5 CONCLUSIONES ............................................................................................... 49

6 RECOMENDACIONES ....................................................................................... 50

7 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 51

ANEXO A. Nomenclatura. ........................................................................................... 54

ANEXO B. Programas comerciales útiles en diseño de procesos. .............................. 56

ANEXO C. Subrutina en Matlab. ................................................................................. 57

ANEXO D. Subrutina en Fortran. ................................................................................ 60

Page 7: TesisPulgarin

7

LISTA DE TABLAS

PÁG.

Tabla 1. Principales propiedades físicas y químicas para el hidrógeno y el metano ... 13

Tabla 2. Evaluación de los Costos de Producción de hidrógeno ................................. 18

Tabla 3. Modelos de Reactores en ASPEN Plus......................................................... 20

Tabla 4. Desarrollo de modelos de reformado de metano ........................................... 25

Tabla 5. Reacciones involucradas en el reformador de metano con vapor de agua

reportadas por Xu y Fromment (Xuy Froment 1989) ................................................... 33

Tabla 6. Constantes Cinéticas usadas en el modelo. .................................................. 35

Tabla 7. Constantes de Adsorción usadas en el modelo. ............................................ 35

Tabla 8. Constantes de Equilibrio usadas en el modelo. ............................................. 35

Tabla 9. Detalles Simulación ASPEN Plus. ................................................................. 37

Tabla 10. Especificaciones del reactor de Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al.

2008) .......................................................................................................................... 39

Tabla 11. Especificaciones del reactor industrial......................................................... 41

Tabla 12. Comparación de la concentración de salida (fracción mol) de un reformador

industrial con las predichas por el modelo. ................................................................. 43

Page 8: TesisPulgarin

8

LISTA DE FIGURAS

PÁG.

Figura 1. Tipos de energías renovables y no renovables ............................................ 12

Figura 2. Consumo de hidrógeno según el tipo de aplicación ..................................... 14

Figura 3. Consumo de hidrógeno por parte de la industria química y petroquímica en

el 2005 ........................................................................................................................ 15

Figura 4. Fuentes fósiles de producción de hidrógeno ............................................... 16

Figura 5. Principales Refinerías Productoras de Hidrógeno ....................................... 17

Figura 6. Horno de reformado de metano para la producción de hidrógeno ............... 23

Figura 7. Esquema de un reactor de flujo pistón en el cual se convierte metano ....... 31

Figura 8. Comparación de los perfiles de concentración para el modelo descrito por

Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y para el presente trabajo. (a)

CH4, (b), H2O, (c) H2 y (d) CO. .................................................................................... 40

Figura 9. Comparación de perfiles de temperatura a lo largo del reactor. Datos de

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y este trabajo. ....................................................... 42

Figura 10. Comparación de perfiles de presión a lo largo del reactor. Datos de

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y este trabajo. ....................................................... 42

Figura 11. Distribución de productos comparados con el equilibrio ASPEN Plus – Gas-

Eq. (a) CH4, (b), H2, (c) CO2, (d) H2O, (e) CO y (f) N2. ................................................. 44

Figura 12. Predicción de la variación de la conversión de metano 4CHX y el

rendimiento fraccional de hidrógeno 42 CHH con los cambios en la temperatura

máxima del reactor. La figura muestra predicciones con el modelo de ASPEN Plus

(blanco y negro) y con el equilibrio (color)................................................................... 45

Figura 13. Predicción de la variación del rendimiento fraccional de monóxido de

carbono 4CHCO y del dióxido de carbono

42 CHCO con los cambios en la

temperatura máxima del reactor. La figura muestra predicciones con el modeló de

ASPEN Plus (blanco y negro) y con el equilibrio (color). ............................................. 46

Figura 14. Predicción de la variación de la conversión de metano 4CHX y el

rendimiento fraccional de hidrógeno 42 CHH con los cambios en la relación vapor-

carbono in

CV . ........................................................................................................ 47

Figura 15. Variación prevista del flujo másico de hidrógeno 2Hm con los cambios en la

relación vapor – carbono in

CV . .............................................................................. 47

Figura 16. Variación prevista de la conversión de metano 4CHX y el rendimiento

fraccional global del hidrógeno 42 CHH con el tiempo de residencia en el reactor.

................................................................................................................................... 48

Page 9: TesisPulgarin

9

RESUMEN

Actualmente la tecnología más económica y más utilizada para la producción de

hidrógeno es el reformado catalítico de metano con vapor. Si bien esta tecnología se ha

utilizado por muchos años, un mejor entendimiento del proceso permitiría mejorar la

eficiencia del mismo, disminuir costos y mitigar su impacto ambiental. En este trabajo

de grado se desarrolló un modelo de un reactor de craqueo catalítico de metano para la

producción de hidrógeno utilizando un mecanismo que simplifica las múltiples

reacciones heterogéneas que suceden en el reformado catalítico con tres reacciones que

incluyen la adsorción en sitios activos y el equilibrio químico. El modelo considera al

reactor como un lecho empacado en una dimensión y simplifica la transferencia de masa

en el catalizador considerando las reacciones como pseudohomogéneas. Para el

desarrollo del modelo se utilizó el software comercial ASPEN Plus y se escribió un

módulo de usuario que utiliza una rutina en FORTRAN escrita específicamente para

representar la cinética química. Las predicciones del modelo son similares a las

tendencias reportadas en la literatura y en un reformador industrial. Finalmente el

modelo se utilizó para entender el efecto de la variación de la temperatura, relación

vapor/carbono y tiempo de residencia sobre la conversión y el rendimiento fraccional

global para el hidrógeno.

Palabras Claves: Reformado de metano, Gas natural, Hidrógeno, ASPEN Plus.

Page 10: TesisPulgarin

10

ABSTRACT

Up to date the most economical and used technology for hydrogen production if

methane steam reforming. Even though this is a rather well-known technology, a better

understanding of the physical and chemical phenomena associated to it would improve

its efficiency, reduce cost and mitigate its environmental impact. In this study, a model

that predicts the conversion in a methane steam reformer for hydrogen production was

developed. The model makes use of a three-reaction mechanism that includes

adsorption on catalyst active sites and chemical equilibrium and simplifies the multiple

heterogeneous reactions involved in reforming. The model considers the reformer as a

1-D packed bed and simplifies mass transfer in the catalyst by considering reactions as

pseudohomogeneous. The model includes a FORTRAN subroutine specially written for

the reformer that was linked to the commercial software ASPEN Plus. Model

predictions are similar to experimental data found in the literature and from an industrial

reformer. A sensitivity analysis that uses the model allowed the understanding of the

effect that the variation of temperature, steam-to-carbon ratio and residence time have

on methane conversion and on the fractional conversion of hydrogen.

Keywords: Methane steam reforming, Natural Gas, Hydrogen, ASPEN Plus.

Page 11: TesisPulgarin

11

1 INTRODUCCIÓN

El hidrógeno es un combustible de gran interés gracias a que por sus propiedades físicas

y químicas se considera un excelente medio de transporte de energía. Dependiendo de

la tecnología utilizada para producir el hidrógeno, su uso podría ser más amigable con el

ambiente que el de los combustibles fósiles.

Los métodos de obtención de hidrógeno se clasifican de acuerdo a la fuente energética

empleada para su producción en no renovable (comparados a la duración de la vida de

un ser humano) o renovable. Ejemplos de métodos no renovables son la energía nuclear,

el petróleo, el gas natural y el carbón. Dentro de las energías no renovables se

encuentran la mareomotriz, hidráulica, eólica, solar y la biomasa, etc.

Los métodos de producción de hidrógeno más conocidos son:

Hidrógeno a partir de combustibles fósiles.

Reformado de gas natural con vapor de agua

Gasificación de carbón

Reformado en seco a partir de CO2

Hidrógeno a partir de la ruptura del agua.

Electrólisis del agua a partir de energía eléctrica o solar.

Producción biológica

Ruptura termoquímica del agua

Gasificación de Biomasa.

Según (Kothari et al. 2008) los actuales progresos tecnológicos permitirían utilizar el

hidrógeno como combustible produciendo baja contaminación siempre y cuando se

garanticen nuevos métodos para su producción y almacenamiento. Desafortunadamente,

los resultados existentes muestran que las energías renovables no pueden satisfacer

totalmente la demanda energética, lo que da importancia al mejoramiento de procesos

actuales, aún si con base en energías no renovables, para la producción de hidrógeno.

La Figura 1 muestra cómo se divide la energía en primaria y secundaria de acuerdo con

el procesamiento al cual ha sido objeto. Fuentes en su forma original, como el petróleo

crudo o la leña se consideran energía primaria mientras que fuentes procesadas como el

kerosene y el carbón vegetal se clasifican como energías secundarias. La energía

primaria a su vez se divide en renovable o no como se explicó anteriormente.

Page 12: TesisPulgarin

12

Figura 1. Tipos de energías renovables y no renovables

ENERG Í A

ENERGIA PRIMARIA

FUENTES RENOVABLES

Hidroenergia

Geotérmica

Eólica

Leña

Productos de Caña

OtrasFUENTES NO RENOVABLES

Petróleo Crudo

Gas Natural

Carbón Mineral

Nuclear

ENERGIA SECUNDARIA

Electricidad

Gas Licuado

Gasolina/ Alcohol

Kerosene y Turbo

Diesel Oíl

Fuel Oíl

Coques

Carbón Vegetal

Gases

Otros

1.1 GENERALIDADES DEL HIDRÓGENO

1.1.1 Propiedades del hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo pues conforma el 75% de la

masa de toda la materia visible en estrellas y galaxias. El hidrógeno puro es inodoro, no

tiene color y es insípido. El hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles viene

acompañado generalmente por nitrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono y

otros gases en menor concentración. Todos ellos son también, en la mayoría de casos

inodoros, incoloros e insípidos. En la Tabla 1 se comparan las principales propiedades

físicas y químicas para el hidrógeno y el metano (García P. J. M. et al. 2006) y

(AirLiquide 2009) principal componente del gas natural. Llama la atención en la

comparación el menor poder calorífico del hidrógeno por unidad de volumen lo cual

hace su almacenamiento un punto crítico en el uso del mismo.

Page 13: TesisPulgarin

13

Tabla 1. Principales propiedades físicas y químicas para el hidrógeno y el metano

PROPIEDAD METANO(CH4) HIDRÓGENO (H2)

Peso molecular 16.042 kg/kmol 2 kg/kmol

Punto de fusión [°C] -182 -259

Punto de ebullición [°C] -161 -253

Densidad relativa del gas

(aire=1) 0.6 0.07

Volumen estequiométrico

de aire 9.52 m

3 aire/m

3 gas 2.38 m

3 aire/m

3 gas

Masa estequiométrica de

aire 17.19095 kg aire /kg gas 34.2007 kg aire /kg gas

Volumen de humos

húmedos 10.52 m

3 (st)/m

3(st)gas 2.88m

3(st)/m

3 (st)gas

Volumen de humos secos 8.52m3(st)/m

3(st)gas 1.88m

3 (st)/m

3 (st)gas

Volumen de CO2 1 m3 (st)/m

3 (st) gas No Aplica

Porcentaje máximo de

CO2 9.506% No Aplica

Volumen de agua 2 m3 (st)agua/m

3 (st)gas 1m

3 (st) agua/m

3 (st)gas

Poder calórico superior

volumétrico 10.49 kW.h/m

3 st 3.36 kW.h/m

3 st

Poder calórico inferior

volumétrico 9.43 kW.h/m

3 st 2.83 kW.h/m

3 st

Poder calórico superior

(másico) 15.4157 kW.h/kg 39.3836 kW.h/m

3 st

Poder calórico inferior

(másico) 13.8917 kW.h/kg 33.3196 kW.h/kg

Temperatura de auto-

inflamación [°C] 595 560

Límite inferior de

inflamabilidad

min

0.46 0.14

[% de volumen en aire] 5 4

Límite superior de

inflamabilidad max 1.64 2.54

[% de volumen en aire] 15 75

Velocidad de

deflagración 0.35 m/s 2.67 m/s

Calores específicos a 300

K 2.2537 kJ/kg K 14.307 kJ/kg K

Fuentes: (García P. J. M., Arrieta A. A. et al. 2006) y (AirLiquide 2009).

Page 14: TesisPulgarin

14

1.1.2 Consumo de hidrógeno

El hidrógeno tiene aplicaciones en diversos sectores como se muestra en la Figura 2

(Dufour et al.). Para la industria petrolera y petroquímica, la de mayor uso de hidrógeno

(72%), se emplea el hidrógeno en procesos como la síntesis de metanol, hidrocraqueo,

hidrodesulfurización e hidrotratamiento. En la industria alimenticia se emplea para la

saturación de grasas y aceites animales y vegetales. La industria agraria lo usa en la

síntesis de amoniaco, ya que este sirve de paso intermedio en la fabricación de abonos y

fertilizantes. En la industria siderúrgica se maneja para reducir el mineral de hierro. La

industria aeroespacial lo aprovecha como combustible aeroespacial y como suministro

de energía para los ordenadores y sistemas de soporte en el espacio. Otros usos menos

comunes son llamas de alta temperatura y el procesamiento de metales en industrias del

metal, plasma de hidrógeno para procesos de producción de semiconductores, en el

tratamiento de agua potable para disminuir los elevados contenidos de nitratos.

El hidrógeno se emplea también para aumentar la temperatura de transición de

aleaciones superconductoras, así como gas portador y combustible en cromatografía

gaseosa. El hidrógeno líquido se usa como refrigerante, por ejemplo para enfriar metales

superconductores a temperaturas inferiores a las de transición. Actualmente se trata de

implementar el consumo del hidrógeno en la industria automotriz mediante celdas de

combustible.

Figura 2. Consumo de hidrógeno según el tipo de aplicación

72%

9%

8%3% 8%

Química y Petroquímica Electrónica

Metalúrgica Aeroespacial

Otros

Fuente: (Dufour, Miguel et al. 2005)

Según (Dufour, Miguel et al. 2005) el mayor consumo de hidrógeno en el 2005 se

produjo en las refinerías de petróleo y en las industrias agrarias, estas últimas siempre

han tenido una gran participación debido a sus requerimientos en la elaboración de

fertilizantes (Ríos 1981). El consumo en ambas industrias representa un 87% del total,

tal como se aprecia en la Figura 2 y Figura 3.

Las regulaciones ambientales y la insuficiente calidad de la materia prima para las

refinerías, demandarán un mayor consumo de hidrógeno. Para disminuir el contenido de

Page 15: TesisPulgarin

15

azufre de distintos hidrocarburos que se utilizan como materias primas se requiere

hidrógeno. Tanto el diesel como el petróleo obtenido a partir de esquisto (shale oil) y de

arenas de alquitrán (oil from tar sands) requieren hidrógeno para producir combustible

que cumpla con futuras regulaciones ambientales. Todo lo anterior indica que,

independientemente de si se logra un uso extendido del hidrógeno, su consumo debe

aumentar en los próximos años.

Figura 3. Consumo de hidrógeno por parte de la industria química y petroquímica en el

2005

Fuentes: (Ríos 1981) y (Dufour, Miguel et al. 2005)

A pesar del marcado interés en la producción de hidrógeno a partir de energías

renovables, la producción de H2 a partir de combustibles fósiles es actualmente la vía

más económica. Según (Piera 2005) el costo de producción con energías renovables

oscilaría entre un cuarto y un sexto del costo de obtención a través de un medio no

renovable.

1.1.3 Producción de hidrógeno

La mayor producción de hidrógeno proviene de fuentes no renovables como el carbón,

el gas natural y el petróleo, aunque existe otro porcentaje menor proveniente de la

electrólisis del agua. Según Kothari (Kothari, Buddhi et al.) el 96% de hidrógeno se

produce directamente a partir de combustibles fósiles y cerca del 4% indirectamente

mediante el uso de la electricidad, como se muestra en la Figura 4.

Page 16: TesisPulgarin

16

Figura 4. Fuentes fósiles de producción de hidrógeno

Fuente: (Kothari, Buddhi et al.)

La mayor parte del hidrógeno se produce por el reformado de vapor con gas natural

(que es principalmente metano) y otros combustibles fósiles. La Figura 5 muestra las

principales refinerías petroleras productoras de hidrógeno a nivel mundial

(USDOE´s_Hydrogen_Analysis_Resource_Center 2009). Siendo la CHEVRON la

mayor productora, con una participación de 491 millones de pies cúbicos por día (13.9

106 m

3/día).

En Colombia, el hidrógeno comercial es costoso por su reducido mercado y suele ser

importado, debido a las exigencias en el grado de pureza para su aplicación industrial.

ECOPETROL, la entidad petrolera nacional, produce 183.5 106 m

3/año (16.5 10

6

kg/año o 17.75 ft3/día) de hidrógeno (Carvajal-Osorio 2008), siendo de uso interno para

el tratamiento de crudos, no conociéndose otros productores. Aún cuando la cifra es

significativa, la Figura 5 muestra que es muy baja comparada con las principales

productoras a nivel mundial.

En instalaciones de craqueo catalítico de gran capacidad pueden tratarse hasta 6360 m3

de carga por día (40000 barriles), con rendimientos entre el 50 y el 60% de gasolina de

número de octano entre 90 y 95. Por otra parte se obtiene una gran cantidad de fracción

C4, el cual es un producto valioso para la alquilación. (Albarracín 2006)

Page 17: TesisPulgarin

17

Figura 5. Principales Refinerías Productoras de Hidrógeno

15.7%

15.4%

13.8%

9.2%

7.2%6.2%

5.9%

4.1%

3.9%

3.5%

3.4% 11.1%

0.6%

Principales Refinerias Productoras de Hidrógeno

CHEVRON

VALERO

CONOCOPHILLIPS

BP

EXXONMOBIL

WRB

FLINT HILLS

TESORO

MOTIVA

DEER PARK

SHELL

OTHER

ECOPETROL

Fuentes: (USDOE´s_Hydrogen_Analysis_Resource_Center 2009) y (Carvajal-Osorio

2008)

Pilavachi et. al. (Pilavachi et al. 2009) compararon siete métodos de producción de

hidrógeno de acuerdo con cinco criterios: las emisiones de CO2 y los costos de

operación y mantenimiento, capital, materias primas y producción. Las tecnologías

evaluadas fueron reformado de metano con vapor, la oxidación parcial de

hidrocarburos, la gasificación del carbón, la gasificación de la biomasa y la

combinación de electrólisis con energía solar (fotoelectrólisis), eólica o hidroeléctrica .

El análisis permitió encontrar que para los procesos convencionales, en particular para

el reformado de metano, los costos asociados a capital y operación y mantenimiento son

menores que para los procesos no convencionales (electrólisis). Sin embargo el estudio

de Pilavachi et. al. (Pilavachi, Chatzipanagi et al. 2009) sugiere que los procesos no

convencionales pueden representar una mejor opción en la producción de hidrógeno,

debido a la evaluación de criterios ambientales y de materia prima.

La Tabla 2 presenta los costos reportados por Pilavachi et. al (Pilavachi, Chatzipanagi et

al. 2009) en los cuales se puede apreciar que los procesos que combinan fuentes de

energía renovables con la electrólisis presentan costos más bajos comparados con los

procesos convencionales.

Page 18: TesisPulgarin

18

Tabla 2. Evaluación de los Costos de Producción de hidrógeno

Proceso de Producción de Hidrógeno Costos de producción de H2 (US$/kgH2)

2007

Reformado de metano con vapor 32.75

Oxidación parcial de hidrocarburos 16.07

Gasificación de carbón 22.37

Gasificación de biomasa 23.78

Fotoelectrólisis 17.36

Electrólisis y energía eólica 36.75

Electrólisis y energía hidroeléctricoa 1.40

Fuente: (Pilavachi, Chatzipanagi et al. 2009).

1.2 SIMULACIÓN DE PROCESOS

El objetivo principal de la simulación consiste en ajustarse lo más posible a la realidad

mediante la elaboración de modelos matemáticos a partir de leyes de conservación,

leyes que proceden de la observación experimental o de la intuición, que conllevan a

una aproximación matemática, y permiten la elaboración de un procedimiento formal.

1.2.1 Simulación de procesos químicos

En la solución de los modelos de simulación de procesos químicos es necesario tener en

cuenta las propiedades termodinámicas de las sustancias y mezclas involucradas y

realizar los balances de materia y energía requeridos. Se deben considerar también

relaciones adicionales del proceso que se obtienen de relaciones termodinámicas y de

las restricciones en las variables, para garantizar la seguridad del proceso y las

especificaciones del producto.

1.2.2 Simuladores

Existe una variedad de simuladores comerciales; algunos de los cuales cuentan con

complejas herramientas de cálculo de procesos industriales y con completas bases de

datos para equipos y bibliotecas de modelos para cálculos termodinámicos. Tanto las

hojas de cálculo de Excel y Lotus, las herramientas de matemáticas simbólicas como

Derive y Maple y los programas de matemáticas numéricas como Matlab y Polymath se

pueden utilizar en la simulación de procesos. Sin embargo, en la ingeniería química, en

las últimas décadas se ha establecido el uso de programas como ASPEN Plus, Pro II y

CHEMCAD que facilitan el diseño y la optimización de los procesos químicos, dada su

especialización en las operaciones unitarias. En el ANEXO B se listan los programas

comerciales más comunes en el diseño de procesos. A continuación se describe ASPEN

Plus, el simulador comercial utilizado en este trabajo.

Page 19: TesisPulgarin

19

1.2.3 Generalidades de ASPEN Plus

Advanced System for Process Engineering (ASPEN) es un conjunto de programas de

computador desarrollados a finales de los años setentas en el Instituto de Tecnología de

Massachusetts (MIT).

ASPEN Plus es una herramienta para procesos integrados en ingeniería, que permite la

simulación de procesos en estado estable o dinámico, diseño de equipos y evaluación de

costos.

La versión de ASPEN Plus del 2009 (aspenONE V7) cuenta con más de cuarenta

paquetes para modelado y otros adicionales para el control de procesos,

intercambiadores de calor y evaluación económica. Tiene más de veinte bases de datos

con propiedades físicas y químicas de múltiples compuestos así como más de ochenta

modelos termodinámicos. ASPEN Plus permite también utilizar programas de cálculo y

diseño definidos por el usuario y contiene bibliotecas para diferentes tipos de

operaciones unitarias (mezcladores, separadores, reactores, columnas, etc.) y algoritmos

para más de quince tipos de procesos diferentes (electrolitos, petroquímicos, etc.).

1.2.4 Simulación de reactores con ASPEN Plus

ASPEN Plus tiene por defeco modelos predeterminados (built-in) de reactores que no

permiten modificación. Dado que no es posible alterarlos su aplicación principal es en

las etapas iniciales del diseño de procesos. En ellos es posible tener en cuenta las

múltiples fases que pueden estar presentes dentro de un reactor (vapor, líquido, sólidos

reaccionantes, catalizadores sólidos), la geometría presente (tanque agitado, reactores

tubulares, flujos en espiral), las ecuaciones de balance de transferencia de momento,

calor y masa (flujos viscosos, flujos turbulentos, conducción, difusión y dispersión), la

cinética química y modo de operación del reactor (estado estable, intermitente). Además

es posible hacer baterías de reactores (combinaciones) de estos para representar

modelos.

Los modelos para reactores en ASPEN Plus se clasifican según las características

presentes en el reactor, o los datos disponibles. Sus ecuaciones se basan en las de los

modelos convencionales de reactor de flujo pistón (Plug Flow Reactor ó PFR). Y del

completamente mezclado (CSTR). ASPEN Plus resuelve el sistema de ecuaciones con

las restricciones propuestas y los algoritmos sugeridos por diferentes métodos

numéricos. En la Tabla 3 se resumen los modelos de reactores en ASPEN Plus.

Page 20: TesisPulgarin

20

Tabla 3. Modelos de Reactores en ASPEN Plus

Modelo Esquema Características Descripción

Balance con base

en conversión de

reactivos y grado

de avance de la

reacción.

Estequiométrico.

Reactor de

Rendimiento

Permite modelar

el reactor a partir

de rendimientos

específicos hacia

cada compuesto

La estequiometria y la cinética de la reacción se desconocen

o no se necesitan

Se conoce la distribución de productos

Normaliza los rendimientos para mantener balances de

materia

Permite modelar reacciones en una, dos o tres fases

Reactor

Estequiométrico

Permite modelar

la conversión en

el reactor a partir

de la

estequiometria de

la reacción

La estequiometria y la cinética de la reacción se desconocen

o no se necesitan

Se conoce la estequiometria y el avance de la reacción o la

conversión

Puede modelar reacciones en serie o en paralelo

Ejecuta cálculos de calor de reacción

Vapor, Líquido,

Sólido en

equilibrio

químico o de

fases;

minimización de

la energía libre de

Gibbs.

Multifásico

Reactor de

equilibrio

multifase

Permite modelar

equilibrios

químicos o de

fase mediante

minimización de

la energía de

Gibbs

No requiere la estequiometría ni la cinética de la reacción

Modela equilibrio químico en una fase, equilibrio químico

con equilibrio de fases o equilibrio de fases sin reacción

química.

Permite modelar sólidos y sistemas vapor-liquido-sólido

Permite diferentes modelos termodinámicos para cada

compuesto en cada fase

Calcula la composición de los productos por minimización

de la energía de Gibbs

Reactor de

equilibrio

químico

Permite modelar

reactores donde

se alcanza

equilibrios

químicos o de

fase utilizando

cálculos

estequiométricos

Calcula equilibrio químico en una fase o equilibrios

químicos y de fase simultáneamente.

La estequiometria de la reacción es requerida

Puede modelar reacciones de una, dos o tres fases

Page 21: TesisPulgarin

21

Operación en

estado no

estacionario.

La composición

va variando con el

tiempo, sin

embargo la

composición en

cada instante es

uniforme.

Reactor por lotes

o semi-lotes.

Batch

Modela

reacciones por

lotes con

velocidad de

reacción

controlada

Requiere la estequiometría y la cinética de la reacción

Permite incorporar tanques de almacenamiento para simular

estado estable en las corrientes

Para operaciones semi-batch admite un ilimitado número de

venteos

Permite especificar diversos criterios para detener la

simulación

Modela reacciones en estado no-estable para una, dos o tres

fases

Permite determinar perfiles de concentración,

temperatura,…

Mezclado

perfecto en fase

homogénea,

diferentes tiempos

de residencia

CSTR

Modelo riguroso

para reacciones

de velocidad

controlada y

reacciones en

equilibrio en

cualquier fase

Requiere la cinética y la estequiometría de la reacción

Asume que el contenido del reactor tiene propiedades

similares a la corriente de salida (mezclado perfecto)

Puede modelar reacciones en equilibrio con reacciones

cinéticas

Calcula requerimientos calóricos

Puede modelar reactores de una, dos o tres fases

Permite ingresar la cinética a través de subrutinas definidas

por el usuario

No existen

gradientes en

dirección radial.

Todos los

elementos del

fluido tienen el

mismo tiempo de

residencia

PFR

Modela reactores

tubulares con

velocidad de

reacción

controlada en

cualquier fase

Requiere la cinética y la estequiometría de la reacción

Permite incluir corrientes de enfriamiento alrededor del

reactor (corriente o contracorriente)

Supone mezclado perfecto en dirección radial y no

mezclado en dirección axial

Modela reacciones en una dos o tres fases

La cinética puede especificarse con modelos personalizados

Page 22: TesisPulgarin

22

1.3 REFORMADO CATALÍTICO DE METANO

El reformado de metano con vapor de agua es una tecnología sometida a gran

industrialización en las refinerías de gran tamaño. A continuación se describe este

proceso.

1.3.1 Craqueo o reformado

La producción de hidrógeno por reformado de metano con vapor de agua se lleva a cabo

en un horno de paredes aisladas térmicamente, el cual tiene dos componentes

principales dentro del horno: los tubos (reactores) y los quemadores. En el reformador

se distingue entonces el horno, donde se realiza la combustión, del reactor, o serpentín

de tubos que contienen catalizador, donde se realiza la reacción de reformado. El

metano y otros hidrocarburos en menor proporción junto con el vapor de agua se

alimentan en los tubos, donde posteriormente debido a las altas temperaturas permiten

las reacciones endotérmicas (ΔH = 206 kJ/mol) empleando un catalizador normalmente

con base en níquel (Acuña 2004) dentro de los tubos. El proceso normalmente alcanza

un rendimiento global del 70-75%. El reformado de metano, como se indicó

anteriormente, es uno de los procesos más económicos para la obtención de hidrógeno.

En el proceso convencional, la energía necesaria es suministra por la ignición de un

combustible fósil, generalmente gas natural o gas de refinería (Steinfeld et al. 1995).

Los quemadores se alimentan con una mezcla combustible–aire para generar la llama

dentro del horno y transferir calor a los tubos. El mecanismo de transferencia de calor

dominante es la radiación, debido a que el principal objetivo es irradiar las paredes del

horno para que estas a su vez incidan uniformemente en la superficie del tubo, el cual

posteriormente por conducción transferirá el calor a los catalizadores (pellets catalíticos)

y a los componentes reactantes, favoreciendo la producción de hidrógeno. Ya que si se

aplicase directamente la llama a los tubos la distribución de calor no sería la más

apropiada y sobre todo los materiales de los tubos serían sometidos a un alto desgaste

mecánico.

1.3.2 Tipos de reformador

El diseño de los reformadores está condicionado por la geometría del sistema.

Dependiendo del número de tubos y quemadores empleados, existirán distribuciones

diferentes de producto. Existen cuatro tipos de hornos más comunes:

1. Horno de pared superior (Top Fired Reformer): Hornos verticales con quemadores

en el techo de llama corta y tiro forzado. Permiten la combustión de líquidos. Se

caracteriza por tener un pico de temperatura en la parte superior del reactor

(aproximadamente a 1/3 desde la cabeza) para proveer el más alto flux de calor.

2. Horno de pared inferior (Bottom Fired Reformer): Hornos verticales con

quemadores en el piso.

Page 23: TesisPulgarin

23

3. Horno de pared lateral (Side Fired Reformer): Hornos con calentamiento lateral

por medio de quemadores, normalmente de tiro natural, de gas colocados en filas en

las paredes laterales.

4. Horno de terraza (Terrace Wall Reformer): Hornos con quemadores de tiro natural

o combinación de estos en paredes laterales en forma escalonada que simula la de las

terrazas.

La Figura 6 representa un horno de reformado tipo pared superior.

Figura 6. Horno de reformado de metano para la producción de hidrógeno

1.3.3 Características del horno

El horno en el reformado catalítico es sensible a la carga que entra al reactor. En la

producción de hidrógeno se emplean diferentes cargas. La más común probablemente es

el gas natural, mezcla de hidrocarburos compuesta principalmente de metano con etano

y propano en una menor proporción. También se utilizan fracciones de petróleo como

gas licuado de petróleo, nafta, aceite, residuos de vacío, asfaltos y coque.

Dependiendo del tipo de proceso (catalítico u otros procesos) se eliminan previamente

las impurezas presentes en el gas de carga (compuestos de azufre, mercurio y otros

metales). En las plantas industriales se realizan etapas previas al reformado como:

desulfurización (en reformado con vapor) y destilación atmosférica (en oxidación

parcial con oxígeno), y etapas posteriores como: conversión de monóxido de carbono

con vapor de agua (shift reaction) para mejorar la producción de hidrógeno, extracción

de gases ácidos (H2S, CO2) y purificación final para eliminar las trazas de CO.

En el reformado de metano con vapor de agua se utiliza un catalizador compuesto

normalmente de níquel sobre alúmina y algunos promotores. La formación de coque se

reduce usando promotores como SiO2, CaO, K2O que facilitan la oxidación del coque

por el vapor de agua. La relación vapor – hidrocarburo a la entrada del reactor oscila

entre dos o tres veces la cantidad teórica requerida. La temperatura de operación es

entre 1123 K y 1213°K a la salida de la zona de reacción. En las plantas modernas la

presión típica es del orden de 4000 kPa. La velocidad espacial en volumen por hora

Page 24: TesisPulgarin

24

(VHSV) oscila entre 1600 y 5000 h-1

. Económicamente se recomiendan altas presiones

de operación para reducir los costos de purificación y compresión. (Acuña 2004).

Dentro del horno se emplean reactores tubulares y pueden variar según la distribución

del horno. Por lo general son bancos de tubos con catalizador (500 tubos en plantas

grandes), con diámetros entre 8.3 cm y 12.6 cm, longitud máxima de 10 m a 15 m, y

espesor entre 18 mm y 20 mm.

1.4 Modelos de reformadores de metano con vapor de agua

Existen muchas publicaciones en el modelado de reformadores (Ríos 1981; Murray et

al. 1985; Murty et al. 1988; Soliman et al. 1988; Alatiqi et al. 1989; Xu et al. 1989;

Rajesh et al. 2000; Pina et al. 2001; Prasad et al. 2002; Snoeck et al. 2002; Nandasana et

al. 2003; Prasad et al. 2003; Acuña 2004; Patil et al. 2005; Posada et al. 2005; Rakib et

al. 2005; Abashar et al. 2007; Sarvar-Amini et al. 2007; Zamaniyan et al. 2008;

Alberton et al. 2009). Si bien existen artículos que datan de los años treinta (Hawk et al.

1932), en los años noventa y a principios del siglo veinte y uno, el número de artículos

en las bases de datos sobre el modelado de reformadores tuvo una disminución,

probablemente por los acuerdos de reproducción entre las compañías productoras y las

instituciones de investigación, así como el mayor interés en las tecnologías alternativas

para la reformado, tales como reactores de lecho fluidizados de membrana (Prasady

Elnashaie 2002; Prasady Elnashaie 2003; Patil, van Sint Annaland et al. 2005; Rakiby

Alhumaizi 2005; Abashar, Alhabdan et al. 2007; Sarvar-Amini, Sotudeh-Gharebagh et

al. 2007), la optimización de las estrategias de control (Nandasana, Ray et al. 2003;

Acuña 2004; Posaday Manousiouthakis 2005) y las nuevas formulaciones de

catalizadores (Snoeck, Froment et al. 2002; Alberton, Schwaab et al. 2009).

Diferentes autores (Acuña 2004), (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008), (Latham 2008))

han revisado el estado sobre la simulación de hornos de reformado de metano para la

producción de hidrógeno. La mayoría de los modelos se diferencian por los usos y

simplificaciones que los autores hacen para describir el comportamiento del horno,

debido a las interacciones de los quemadores y de los reactores dentro del horno. Estos

modelos se emplean para diseñar, optimizar y controlar un horno de reformado. En la

Tabla 4 se presenta un resumen de los principales estudios.

Page 25: TesisPulgarin

25

Tabla 4. Desarrollo de modelos de reformado de metano

Año Referencia Descripción Reactor Cinética Comentario

1967 (Oblad) Considera la

transferencia de masa y

el análisis de la cinética

de las reacciones.

Flujo

pistón

Cinética de orden 1 para la presión

parcial del metano. Tiene en cuenta

el equilibrio de las reacciones. No

considera la formación de coque.

Los resultados se ajustan bien a los datos de

una planta piloto.

1968 (Hyman) Análisis de la cinética de

las reacciones y

transferencia de calor.

Flujo

pistón

Evaluación de la velocidad de

conversión del metano (-rCH4).

Expresión cinética derivada de la

ley de acción de masas (diferente a

la de 1er orden).

Supone un perfil de la temperatura exterior de

la pared del tubo. (En vez de la velocidad de

flujo de los gases). Se utiliza para el análisis

del reformado de hidrocarburos pesados. Los

resultados se ajustan bien a los datos de una

planta piloto.

1969 (McGreavy et al.) Monitorear y controlar la

temperatura en el reactor.

Flujo

pistón

Composiciones determinadas en

equilibrio termodinámico.

Modelo unidimensional. No considera

modelos pseudo homogéneo o heterogéneo.

1978 (Harth et al.) Modelo que emplea el

agua de enfriamiento de

un reactor nuclear a alta

temperatura enfriado con

vapor.

Flujo

pistón

En el catalizador se invierten las reacciones de

reformado liberando energía. Diseño de doble

flujo tubular en contracorriente.

Cálculos basados en balances globales y datos

del catalizador

1979 (Singh et al.) Modelo para calcular la

transferencia de calor del

horno de reformado.

Validación del modelo

para un futuro diseño de

un reformador.

Flujo

pistón

Emplea un modelo pseudo

homogéneo de primer orden.

Asume limitaciones difusionales

acordes para la cinética

No tiene en cuenta factores de efectividad.

Considera la transferencia simultánea de calor

de las llamas y los gases de combustión con

los gases de reacción dentro de una sección

diferencial del reactor. Los resultados se

ajustan a los datos de una planta piloto.

1979 (Olesen et al.) Modelo que considera un

doble flujo tubular en

contracorriente.

Flujo

pistón

Se tiene en cuenta la formación de

coque. Reduce la cantidad de calor

requerido Considera el mezclado

axial y radial dentro del reactor.

Los resultados se ajustan a los datos de una

planta piloto, pero presentan desviaciones

debido a la complejidad del modelo.

1980 (Santangelo et al.)

Page 26: TesisPulgarin

26

Tabla 4. Continuación

Año Referencia Descripción Reactor Cinética Comentario

1982 (Murrayy

Snyder)

Modelo cinético de un

reformado de metano

con vapor como

herramienta de diseño

y análisis para

acondicionar sistemas

de celdas combustibles.

No disponible Considera efectos de tipo de reacción, geometría, arreglo de

flujo y transferencia de calor. Los resultados se ajustan a los

datos experimentales.

1983 (Demichelli et

al.)

Modelo unidimensional

para estudiar el efecto

de la transferencia de

calor sobre el

desempeño del reactor

de reformado.

No disponible Busca obtener el espesor óptimo del tubo de acuerdo al flujo

másico y la presión.

1983 (Laborde et

al.).

Modelo bidimensional

pseudohomogéneo

Flujo pistón Objetivo reproducir los datos de salida de un reactor de

reformado industrial

1988 (Soliman, El-

Nashaie et al.)

Validación del modelo

y análisis de

sensibilidad de las

condiciones de entrada.

Flujo pistón Modelo

heterogéneo. Xu y

Froment, 1D

Validan reformador tipo pared lateral y superior. Asume

transferencia de calor para un reactor tanque agitado (CSTR).

Caída de presión calculado con ecuación de Fanning.

(Murtyy

Murthy)

Flujo pistón Asume transferencia de calor para un reactor de flujo pistón.

Caída de presión calculado con correlaciones de Ergun.

1989 (Plehiers et al.) Modelo heterogéneo

unidimensional para un

reactor de reformado

con vapor.

Flujo pistón Modelo

heterogéneo de

Xu y Froment, 1D

Considera la presencia de gradientes de presión parcial al

interior de la partícula y simultáneamente la distribución en el

horno y en el reactor. Para la transferencia de calor en el horno

emplea un programa de simulación de un horno estándar basado

en el método de las zonas de intercambio. Simulación

Montecarlo para encontrar factores de forma. Considera la

localización de los quemadores y la absorción y emisión de

radiación. Buena distribución del perfil de temperatura y la

composición obtenida.

Los resultados se ajustan a los datos experimentales de la

industria.

Page 27: TesisPulgarin

27

Tabla 4. Continuación

Año Referencia Descripción Reactor Cinética Comentario

1989 (Alatiqi,

Meziou et al.)

Modelo heterogéneo

unidimensional para un

reactor de reformado con

vapor

Flujo pistón Considera la transferencia de calor por radiación y

convección. Supone que la temperatura es uniforme en la

partícula del catalizador y es la misma del gas de

proceso, no hay formación de coque en el reformador,

los resultados se ajustan a los datos experimentales de la

industria.

2004 (Acuña) Modelo heterogéneo del

reactor de reformado

Flujo pistón Modelo heterogéneo de

Xu y Froment, 1D

Modelo matemático heterogéneo y unidimensional que

representa los fenómenos físicos y químicos. Objetivo

analizar el desempeño de estrategias de control

automático en unidades industriales y estudiar el efecto

de perturbaciones o cambios en las variables

manipuladas o controladas es muy limitado en la

operación real del proceso.

2008 (Zamaniyan,

Ebrahimi et

al.)

Modelo heterogéneo para

un reactor de reformado

analizando en tres

dimensiones.

Flujo pistón Modelo heterogéneo de

Xu y Froment

1D

Modelación matemática del reformado de metano con

vapor. mediante un modelo en tres dimensiones. La

temperatura máxima en el tubo exterior del reactor se

observó en 1/3 de la longitud desde la parte superior del

reactor.

Se demostró que un 20% de aumento de la emisividad

efectiva de tubos conduce a un aumento de

aproximadamente el 3,5% en la temperatura de salida del

reactor La reducción de los coeficientes de extinción de

los gases de combustión en un 25% conduce a alrededor

del 2,6% de aumento en la temperatura. Los resultados

se ajustan a los datos experimentales de la industria.

Page 28: TesisPulgarin

28

En Colombia se destaca el trabajo preliminar en 1981 en el cual Ríos (Ríos 1981)

desarrolló un modelo que predice la producción de hidrógeno y la conversión de metano

en un reformador industrial. Más recientemente Acuña (Acuña 2004) desarrolló un

modelo detallado del proceso de reformado de metano con vapor de agua.

En este trabajo de grado se desarrolla una simulación de un horno de reformado

catalítico para la producción de hidrógeno utilizando modelos cinéticos propuestos por

diferentes autores de acuerdo con una revisión bibliográfica. El modelo utiliza el

software ASPEN Plus y una subrutina en Fortran para el desarrollo de las expresiones

cinéticas y termina con un análisis de sensibilidad que permite a una prueba adicional

para el modelo y una mayor comprensión de la reacción de reformado de metano. Los

resultados muestran que el modelo puede predecir correctamente la mayoría de las

tendencias observadas en un reformador industrial.

Page 29: TesisPulgarin

29

2 OBJETIVOS

General

Simular el proceso de reformado de metano para la producción de hidrógeno.

Específicos

Definir los principales mecanismos de reacción que describen el proceso de

reformado de metano.

Estudiar el efecto de la composición de la carga y temperatura en la conversión de

metano a hidrógeno a lo largo del reactor.

Page 30: TesisPulgarin

30

3 MODELO

Para simular la conversión de metano a hidrógeno en un reactor catalítico es necesario

considerar tres elementos importantes:

1. Las expresiones cinéticas que describen la velocidad de reacción del metano y el

vapor de agua sobre la superficie del catalizador para producir hidrógeno.

2. Las expresiones matemáticas (balances) que describen las moles, momento y

energía en el reactor.

3. Los parámetros del proceso, tanto los operacionales como la geometría que

caracterizan al reactor.

Consideraciones

En el reactor se lleva a cabo la reacción del gas natural, principalmente metano con

vapor de agua sobre un catalizador a base de níquel soportado en alúmina y el calor

requerido se suministra por medio de quemadores de gas.

En el horno, el reactor multitubular es vertical y el calor se transfiere por radiación

y convección de los gases de combustión, siendo el mecanismo de radiación el

dominante (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008).

Las condiciones de operación en todos los tubos son equivalentes.

Es flujo pistón del gas de proceso en los tubos (L/di>100) y el fluido tiene una

densidad constante.

No hay deposición de coque en el catalizador.

La dispersión axial es insignificante para todas las velocidades de flujo a lo largo

del reactor.

El O2 y el N2 se consideraron como gases inertes, debido a sus bajas

concentraciones. La concentración de etano, propano y butano se sumó a la de

metano siguiendo el concepto de carbón equivalente descrito por Zamaniyan et al.

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) }

El gradiente radial de temperatura es insignificante.

La temperatura de las partículas de catalizador es uniforme e igual a la del gas de

proceso.

3.1 Ecuación de balance molar para el CH4 en el reactor

En el reactor de flujo pistón la composición del fluido varía de un punto a otro a lo largo

de la dirección del flujo. En consecuencia, el balance de materia para un componente de

Page 31: TesisPulgarin

31

la reacción debe hacerse para un elemento diferencial de volumen dV (Levenspiel 2004)

como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Esquema de un reactor de flujo pistón en el cual se convierte metano

Para el metano en un diferencial dV:

dVrdFFF CHCHCHCH 4444

E 1

444044 01CHCHCH

dXFXFddF CHCH E 1

dVrdXF CHCHCH 444 0 E 2

Donde para el metano FCH4 representa el flujo molar, -rCH4 la velocidad de desaparición,

y XCH4 la fracción molar. Integrando:

4

4

4

4

000

CHX

CH

CHV

CH r

dX

F

dV E 3

En términos del tiempo espacial y del flujo volumétrico 0 se tiene:

Page 32: TesisPulgarin

32

4

4

4

4

4

4

4

4

4

44

00

0

0

0

000

CH

CH

X

CH

CH

CH

CH

CH

X

CH

CH

CHCH

r

dXC

F

VCV

r

dX

CF

dV

E 4

Asumiendo gases ideales, algo factible a la temperatura y presión del proceso, la presión

parcial de metano se calcula mediante:

Pyp CHCH 44

E 5

donde la fracción molar del metano yCH4 se obtiene mediante:

TOTALES

CH

CHn

ny 4

4

E 6

Y la conversión de metano, XCH4 de acuerdo con:

0

0

4

44

4

CH

CHCH

CHC

CCX

E 7

El rendimiento fraccional de hidrógeno se define como:

44

2

0,4

2

42

(moles)

convertido CH

molesreactor

del salida la a H

CHCH

H

CC

CCHH E 8

donde CH2 y CCH4 son la concentración a la salida del reactor de hidrógeno y metano

respectivamente y CCH4,0 la concentración de metano a la entrada del reactor.

Un procedimiento similar se realiza para los demás componentes.

3.1.1 Modelo cinético

Según la revisión bibliográfica indica que se han propuesto varios modelos cinéticos

para las reacciones que ocurren en el reformado de gas natural con vapor de agua, con

diferentes simplificaciones a la resistencia difusional entre los poros del catalizador,

debido a las altas velocidades másicas que se dan en los reactores de reformado,

proponiendo modelos pseudohomogéneos o heterogéneos. Acuña (Acuña 2004)

describe los desarrollados por (Moe J. M. et al. 1965), (Haldor 1965), (Ruthven 1969) y

(Xu et al. 1989) y finalmente utiliza en su simulación el modelo propuesto por

(Ruthven 1969). De los modelos estudiados por Acuña (Acuña 2004), el modelo

propuesto por Xu y Froment (Xuy Froment 1989) en 1989 es uno de los más citados en

la literatura. A pesar de haber sido desarrollado en 1989, fue usado con éxito

Page 33: TesisPulgarin

33

recientemente por Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y Alberton et al.

(Alberton, Schwaab et al. 2009) en la simulación de un reformador de metano. La

Tabla 5 especifica las reacciones consideradas por Xu y Froment (Xuy Froment 1989).

3.1.2 Mecanismo de reacción

Xu y Froment (Xuy Froment 1989) llegaron a la conclusión que las reacciones R 6 a R

11 no son determinantes en el proceso, debido a que las condiciones a las cuales se

realiza el reformado buscan disminuir la formación de coque, por lo tanto las reacciones

en las cuales se forma coque (R6 a R 11) pese a que tienen una velocidad de reaccioón,

está no es significativa para predecir el proceso de formación de coque, insignificante

cuando se estudia la velocidad de formación de hidrógeno y de consumo de metano. Xu

y Froment (Xuy Froment 1989) también consideran las reacciones R 4 a R 5 de poca

importancia dada su alta alto carácter endotérmico ya que no describen la tendencia

(menor concentración de CO2 a lo largo de la longitud del reactor) típica en el reactor.

Aunque estas suposiciones se deberían examinar en un estudio más a fondo que

considere la formación de coque y el efecto de irreversibilidades termodinámicas en el

mismo, Xu and Fromment (Xuy Froment 1989) consideran como una primera

aproximación al proceso de reformado el uso de las reacciones R 1 hasta R 3.

Tabla 5. Reacciones involucradas en el reformador de metano con vapor de agua

reportadas por Xu y Fromment (Xuy Froment 1989)

Reacción ΔH298 (kJ/mol)

R 1 224 H3COOHCH 206.1

R 2 222 HCOOHCO

41.15

R 3 2224 H4COOH2CH 165.0

R 4 224 H2CO2COCH 247.3

R 5 OH2CO4CO3CH 224 330.0

R 6 24 H2CCH 74.82

R 7 2COCCO2

173.3

R 8 OHCHCO 22 131.3

R 9 OH2CH2CO 222 90.13

R 10 OH2C3CO2CH 24 187.6

R 11 OH2C2COCH 224 15.3

Fuente: (Xuy Froment 1989).

Para determinar la velocidad de reacción para las reacciones R 1 hasta R 3, Xu y

Fromment (Xuy Froment 1989) llevaron a cabo un balance de sitios activos sobre el

catalizador que les permitió encontrar las expresiones para las velocidades de reacción E

9 a E 12 que consideran la presión parcial del hidrógeno, metano, agua y monóxido y

dióxido de carbono (pi), constantes cinéticas (ki), constantes de equilibrio (Ki) y

constantes de adsorción (Kj, con j representando CO, H2, CH4, H2O).

Page 34: TesisPulgarin

34

Las ecuaciones E 13 hasta E 15 constituyen las expresiones matemáticas empleadas

para representar la variación de las constantes con la temperatura. La Tabla 6 hasta la

Tabla 8 muestran las constantes utilizadas en el modelo. Las constantes de equilibrio

fueron calculadas usando el software Gas-Eq (Morley 2003) de libre dominio para gases

en equilibrio.

2

1

CO

3

OHCH5.2

2H

1

1DEN

K

pppp

p

k3

r

2H

24

E 9

2

2

COH

OHCO

2H

2

2DEN

K

pppp

p

k

r

22

2

E 10

2

3

CO

4

4

4CH5.3

2H

3

3DEN

K

pppp

p

k4

r

22H

O2H

E 11

2

2

24422

H

OH

OHCHCHHHCOCOp

pKpKpKpK1DEN

E 12

ir

T,iiT

1

T

1

R

Eaexpkk

E 13

ir

j

T,iiT

1

T

1

R

HexpKK

E 14

i

ibi

ii,eqT

EaexpTAK

E 15

Un balance por componente permite encontrar finalmente que:

321 432

rrrrH E 16

21 rrrCO E 17

322rrrCO

E 18

314rrrCH

E 19

321 22

rrrr OH E 20

Page 35: TesisPulgarin

35

Tabla 6. Constantes Cinéticas usadas en el modelo.

ki, 648K Eai

(kmol × bar1/2

/ kg cat × h) (kJ/mol)

k1 1.84 × 10-4

240.1

k2 7.558 67.13

k3 2.19 × 10-5

243.9

Fuente: (Xuy Froment 1989).

Tabla 7. Constantes de Adsorción usadas en el modelo.

Kj Tr ΔH

(bar-1

) (K) (kJ/mol)

CH4 0.1791 823 -38.28

H2O 0.4152* 823 88.68

CO 40.91 648 -70.65

H2 0.02960 648 -82.90

*Adimensional

Fuente: (Xuy Froment 1989).

Tabla 8. Constantes de Equilibrio usadas en el modelo.

Ai (bar2) bi Eai (K-1

)

Keq1 4.94×106 1.89 -25216

Keq2 1.20×10-6*

1.24 5425

Keq3 5.93 3.13 -19791

*Adimensional

Fuente: Calculadas con Gas-Eq (Morley 2003).

Sustituyendo los términos de velocidades de reacción para los respectivos componentes.

Para el CH4:

2

3

4

2

45.3

2

3

2

1

2

5.2

2

1 22

2

2

24

4

**

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

r

COH

OHCh

H

COH

OHCH

H

CH

E 21

Para el H2O:

2

3

4

2

45.3

2

3

2

22

2

2

1

2

5.2

2

1 22

2

22

2

2

24

2

*2**

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

r

COH

OHCh

H

COH

OHCO

H

COH

OHCH

H

OH E 22

Page 36: TesisPulgarin

36

Para el H2:

2

3

4

2

45.3

2

3

2

22

2

2

1

2

5.2

2

1 22

2

22

2

2

24

2

*4**3

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

r

COH

OHCh

H

COH

OHCO

H

COH

OHCH

H

H

E 23

Para el CO:

2

22

2

2

1

2

5.2

2

122

2

2

24**

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

r

COH

OHCO

H

COH

OHCH

H

CO

E 24

Para el CO2:

2

3

4

2

45.3

2

3

2

22

2 22

2

22

2

2

**

DEN

K

pppp

p

k

DEN

K

pppp

p

k

r

COH

OHCh

H

COH

OHCO

H

CO

E 25

3.2 Simulación en ASPEN Plus

El reactor se simuló utilizando ASPEN Plus bajo la modalidad de PFR sin considerar

las limitaciones de difusión dentro del catalizador (aproximación pseudo-homogéneo)

según el procedimiento descrito por otros autores (Ríos 1981; Acuña 2004)).

Dado que ASPEN Plus, así como la mayoría de los software comerciales, no cuenta con

las expresiones cinéticas apropiadas para describir expresiones complejas como las que

se presentan en E 9 a E 11, es necesario establecer modelos módulos definidos por el

usuario. Entre las dos opciones disponibles en ASPEN Plus para crear módulos

definidos por el usuario (Excel y FORTRAN, ver (Barrera-Zapata et al. 2007)),se

escogió trabajar con FORTRAN pues este permite cálculos más complejos que los que

realiza Excel. La Tabla 9 muestra en detalle todas las variables que se deben especificar

en la simulación.

Page 37: TesisPulgarin

37

Tabla 9. Detalles Simulación ASPEN Plus.

DETALLE ASPEN ENTRADAS

Componentes Selección CH4, H2O, H2, CO, CO2, C2H6, C3H8, C4H10, N2

Propiedades Método Termodinámico PENG-ROB

Corrientes Alimentación

Temperatura de Entrada T [K] 794

Presión Entrada P [bar] 15,35

Flujo Flujo Molar [kmol/h] 324,56

Fracciones Molares

Componente Valor

CH4 0,1298

H2O 0,4

H2 0,0064

CO 1,00E-06

CO2 0,4416

C2H6 0,0141

C3H8 0,0054

C4H10 0,0019

N2 0,000799

Total 1

Flash Options Vapor

Bloque B1

Setup Especificaciones Reactor con Perfil de Temperatura

Configuración Longitud [m] 12,5

Diámetro [cm] 12,7

Reacciones R1

Subrutina Usuario Caída de Presión ZARPRE2

Reacciones R1

Rxn No. Tipo Reacción Estequiometria

1 KINETIC CH4 + H2O --> CO + 3 H2

2 KINETIC CO + H2O --> CO2 + H2

3 KINETIC CH4 + 2 H2O --> CO2 + 4 H2

Cinética Fase Vapor

Subrutina ZAR1

Page 38: TesisPulgarin

38

4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1 Validación expresión cinética - MATLAB

Con el fin de validar el modelo en ASPEN Plus, se desarrolló una versión alterna en

MATLAB en un código de libre acceso escrito para este fin que utilizó los datos

presentados por Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y el modelo de

PFR descritos en la sección 3.1. Ambos programas, (MATLAB y ASPEN/FORTRAN)

arrojaron resultados idénticos lo que generó confianza en el uso de ASPEN Plus para la

simulación de cinéticas complejas. En el ANEXO C se muestra la subrutina empleada

en Matlab para representar el reformado de metano en un reactor PFR y en el el

ANEXO D la subrutina empleada en FORTRAN para utilizar como submodelo en

ASPEN Plus.

4.2 Validación del modelo con la literatura

El modelo del reformador se validó con los datos reportados por Zamaniyan et al.

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) utilizando los parámetros de entrada (perfil de

temperatura y perfil de presión, geometría, composición del flujo de entrada de gas) que

se muestran en la Tabla 10.

En la Figura 8 se comparan los perfiles de las principales especies (CH4, H2O, H2 y CO)

a lo largo del reactor de acuerdo a las predicciones de Zamaniyan et al.(Zamaniyan,

Ebrahimi et al. 2008) con los obtenidos en este trabajo utilizando ASPEN Plus. Aunque

hay algunas diferencias claras en las tendencias, las concentraciones de salida son muy

similares para todas las especies. En particular, las dos especies más importantes, H2 y

CH4, muestran concentraciones idénticas a la salida del reactor.

Page 39: TesisPulgarin

39

Tabla 10. Especificaciones del reactor de Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al.

2008)

Propiedad Valores

Temperatura de entrada [K] 794

Presión de entrada [bar] 15.35

Tubo DI [mm] 127

Tubo Longitud [m] 12.5

Flujo Molar de alimentación [kmol/h] 324.56

Composiciones de alimentación [%mol]

CH4 12.98

CO2 44.16

CO 0

N2 0.08

H2 0.64

C2 1.41

C3 0.54

i-C4 0.06

n-C4 0.1

C5 0.03

H2O 40

Tipo de Catalizador Ni/MgO Al2O3

Densidad [kg/m3] 2355.5

Fuente: (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008)

En contraste al éxito relativo en la predicción de la concentración final, la Figura 8

muestra que el modelo desarrollado tiende a sobreestimar la conversión de metano al

inicio del reactor. Esto se evidencia en la Figura 8 ya que las predicciones de

Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008), muestran que la concentración de

metano es siempre más alta y la concentración de hidrógeno es inferior, comparado con

los resultados del modelo desarrollado en este trabajo, para las distancias cortas dentro

del reactor. Este resultado no es sorprendente ya que Zamaniyan et al. (Zamaniyan,

Ebrahimi et al. 2008) consideraron las limitaciones de la transferencia de masa en el

interior del catalizador (utilizando un factor de eficacia) y modelo desarrollado en este

trabajo considera una aproximación pseudo-homogénea. La simplificación de las

limitaciones de transferencia de masa posibilita la sobreestimación de la conversión de

metano observada para distancias cortas en el reactor.

Page 40: TesisPulgarin

40

Figura 8. Comparación de los perfiles de concentración para el modelo descrito por

Zamaniyan et al. (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y para el presente trabajo. (a) CH4,

(b), H2O, (c) H2 y (d) CO.

0,0

0,1

0,2

0,3

%m

ol CH

4

Longitud [m]

Zamaniyan

Modelo

a.

0,2

0,3

0,4

0,5

0 2 4 6 8 10 12

%m

ol H

2O

Longitud del Reactor (m)

Zamaniyan

Modelo

b.

Modelo

0,0

0,1

0,2

0,3

%m

ol H

2

Longitud [m]

Zamaniyan

Modelo

c.

0,0

0,1

0,2

0,3

0 2 4 6 8 10 12

%m

ol CO

Longitud del Reactor (m)

Zamaniyan

Modelo

d.

4.3 Reformador Industrial

Para la simulación del reformador industrial se consideraron las propiedades que se

muestran en la Tabla 11 y que fueron suministradas por el operador del reformador

industrial.

Page 41: TesisPulgarin

41

Tabla 11. Especificaciones del reactor industrial.

Propiedad Valores

Temperatura de entrada [K] 672.039

Temperatura de salida [K] 1038.71

Presión de entrada [bar] 16.20

Tubo DI [mm] 126

Tubo Longitud [m] 15

Flujo Molar de alimentación [kmol/h] 1102.65

Composiciones de alimentación [%mol]

CH4 0.138397

H2O 0.8424

C2H6 0.0143

C3H8 0.0027

C4H10 0.0002

N2 0.0017

O2 0.0003

Tipo de Catalizador Ni/MgO Al2O3

Densidad, (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008). 2355,5 kg m-3

4.3.1 Perfiles de temperatura y presión

Esta investigación emplea perfiles de presión y temperatura predefinidos como entradas

al modelo pues se realizó énfasis en el modelo cinético. Como para el reformador

industrial solo se disponían de datos de temperatura y presión a la entrada y la salida,

los perfiles de temperatura y presión reportados para un reformador industrial de metano

con vapor de agua en la literatura (Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) se ajustaron para

obtener el mismo valor de entrada y salida de los valores que los señalados por el

operador del reformador. En la Figura 9 y Figura 10 se comparan los perfiles de

temperatura y presión utilizados en este estudio para el reformador industrial con los de

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008). Es evidente que el uso de estos perfiles es una

simplificación al problema, sin embargo, como se demostrará más adelante, resultó ser

aceptable.

Page 42: TesisPulgarin

42

Figura 9. Comparación de perfiles de temperatura a lo largo del reactor. Datos de

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y este trabajo.

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8 10 12 14

T (K)

Longitud del Reactor (m)

Zamaniyan et al.

a.

Industrial

Figura 10. Comparación de perfiles de presión a lo largo del reactor. Datos de

(Zamaniyan, Ebrahimi et al. 2008) y este trabajo.

11

12

13

14

15

16

17

0 2 4 6 8 10 12 14

P (bar)

Longitud del Reactor (m)

Zamaniyan et al.

Industrial

b.

La Tabla 12 compara las concentraciones de salida (en fracciones molares), según lo

reportado por el operador del reformador con las realizadas por el modelo. Aunque hay

algunas diferencias, en particular para las emisiones de CO, el comportamiento del

modelo es en general excelentes, si se tiene en cuenta las aproximaciones que se

realizaron en el modelo.

Page 43: TesisPulgarin

43

Tabla 12. Comparación de la concentración de salida (fracción mol) de un reformador

industrial con las predichas por el modelo.

Datos Entrada Reformador Industrial Modelo β*

CH4 0.155 0.0110 0.0145 1.025

H2O 0.842 0.4536 0.4878 1.096

H2 0.4121 0.3885 1.061

CO 0.0600 0.0419 1.432

CO2 0.0620 0.0657 0.943

N2 0.002 0.0013 0.0015 0.982

*Modelo

formador

finalinicial

finalinicialRe

En la Tabla 12, β representa la relación de moles gastadas o producidas del reformador

contra las predichas por el modelo y permite apreciar que la relación es cercana a 1 para

todos los compuesto, excepto para el CO, resultado de esperar dada la dificultad de

predecir CO cuando se utilizan expresiones que tienen en cuenta el equilibrio químico

como las descritas en E 9 a E 11.

4.3.2 Análisis del equilibrio termodinámico y de la cinética

Para evaluar el modelo del reformador industrial, se realizaron cálculos de equilibrio

termodinámico utilizando el software Gas-Eq (Morley 2003). En los cálculos se utilizó

como composición de entrada la descrita en la Tabla 11 y los perfiles de temperatura y

presión de la Figura 9 y Figura 10 respectivamente. La Figura 11, muestra cómo la

composición avanza al equilibrio a lo largo del reactor.

4.3.3 Análisis de sensibilidad

Para hacer una validación adicional del modelo y obtener una mejor comprensión de las

reacciones en el reformador, se desarrolló un análisis de sensibilidad al perfil de

temperatura, relación vapor-carbono (en unidades molares) y tiempo de residencia.

Existen diferentes variables que pueden utilizarse para evaluar el desempeño de un

reformador de vapor de metano (e.g. el flujo de hidrógeno producido en masa, la

conversión de las diferentes especies, la tasa de deposición de coque, la tasa de H2 a CO

a la salida del reactor). Las variables seleccionadas, para la claridad de la discusión,

fueron dos: la conversión de metano 4CHX y el rendimiento fraccional global de

hidrógeno 42 CHH , definidas previamente en E 7 y E 8.

Page 44: TesisPulgarin

44

Figura 11. Distribución de productos comparados con el equilibrio ASPEN Plus – Gas-Eq. (a) CH4, (b), H2, (c) CO2, (d) H2O, (e) CO y (f) N2.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

0 5 10 15

%m

ol H

2O

Longitud [m]

H2O

H2O-Gas-Eq

d.

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0 5 10 15

%m

ol CH

4

Longitud [m]

CH4

CH4-Gas-Eq

a.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0 5 10 15

%m

ol H

2

Longitud [m]

H2

H2-Gas-Eq

b.

0.00

0.01

0.01

0.02

0.02

0.03

0.03

0.04

0.04

0.05

0.05

0 5 10 15

%m

ol CO

Longitud [m]

CO

CO-Gas-Eq

e.

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 5 10 15

%m

ol CO

2

Longitud [m]

CO2

CO2-Gas-Eq

c.

0.00000

0.00020

0.00040

0.00060

0.00080

0.00100

0.00120

0.00140

0.00160

0.00180

0 5 10 15

%m

ol N

2

Longitud [m]

N2

N2-Gas-Eq

f.

Page 45: TesisPulgarin

45

4.3.3.1 Temperatura en el reactor

La Figura 12 muestra la variación de la conversión de metano 4CHX y el rendimiento

fraccional global de hidrógeno 42 CHH con los cambios en la temperatura máxima

del reactor. Debido a que hay un perfil de temperatura, la abscisa en la Figura 12

representa la temperatura máxima del perfil. Como es de esperar, en la Figura 12 la

conversión de metano aumenta con la temperatura. Sin embargo, 42 CHH

disminuye con la temperatura, debido a restricciones termodinámicas que hacen que se

favorezca la producción de monóxido de carbono sobre la de hidrógeno al aumentar la

temperatura. La Figura 13 muestra que el rendimiento fraccional del aumenta al

aumentar la temperatura tanto para la simulación en ASPEN Plus como para los límites

definidos por el equilibrio.

Figura 12. Predicción de la variación de la conversión de metano 4CHX y el

rendimiento fraccional de hidrógeno 42 CHH con los cambios en la temperatura

máxima del reactor. La figura muestra predicciones con el modelo de ASPEN Plus

(blanco y negro) y con el equilibrio (color).

Page 46: TesisPulgarin

46

Figura 13. Predicción de la variación del rendimiento fraccional de monóxido de

carbono 4CHCO y del dióxido de carbono

42 CHCO con los cambios en la

temperatura máxima del reactor. La figura muestra predicciones con el modeló de

ASPEN Plus (blanco y negro) y con el equilibrio (color).

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

700 900 1100 1300

Ф(C

O-C

O2/C

H4)

Temperatura (K)

CO-Eq

CO2

CO

CO2-Eq

Las Figura 12 y Figura 13 indican que una temperatura del orden de 1100 K garantiza

una conversión aceptable de metano, mientras que el rendimiento fraccional de

hidrógeno se mantiene en un valor de 3.5. Es importante señalar que, según R 1 a R 3,

el valor máximo posible es 4. Un valor de 3.5, como la que se obtiene alrededor de 1100

K, sugiere un buen compromiso entre la conversión de metano y la producción de

hidrógeno.

4.3.3.2 Relación vapor/carbón en la alimentación

La Figura 14 muestra la variación en la conversión de metano y el rendimiento

fraccional de hidrógeno al variar la relación molar de vapor a carbono in

CV a la

entrada al reactor. En la figura se observa que usar una relación alta de in

CV sería

conveniente, debido a los incremento en la conversión de metano y en el rendimiento

fraccional de hidrógeno.

Sin embargo, la Figura 15 muestra que el flujo de la masa total de hidrógeno 2Hm

disminuye al aumentar la relación in

CV . Esto debido principalmente a que en la

alimentación se disminuye la cantidad de átomos de hidrógeno presentes en las

moléculas, ya sea de agua o de metano, según se busque variar la relación inCV

. Una

menor disponibilidad de átomos de hidrógeno en el reactor disminuye la producción de

hidrógeno molecular, así la conversión de metano y el rendimiento fraccional a

hidrógeno aumenten.

Page 47: TesisPulgarin

47

Figura 14. Predicción de la variación de la conversión de metano 4CHX y el

rendimiento fraccional de hidrógeno 42 CHH con los cambios en la relación vapor-

carbono in

CV .

3.52

3.54

3.56

3.58

3.60

3.62

3.64

3.66

3.68

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

3.5 4.5 5.5 6.5 7.5

Ф(H

2/C

H4)

XC

H4

(V/C)n (mol/mol)

Figura 15. Variación prevista del flujo másico de hidrógeno 2Hm con los cambios en la

relación vapor – carbono in

CV .

900

1000

1100

1200

1300

3.5 4.5 5.5 6.5 7.5

mH

2(k

g/h

)

(V/C)n (mol/mol)

Por lo tanto, un equilibrio entre la reducción de la producción de hidrógeno y el

aumento en la conversión de metano y en el rendimiento fraccional de hidrógeno se

debe realizar durante el diseño del reactor. Aproximadamente una relación de 4 in

CV

proporcionaría una producción de más de 1200 kg H2/h y una conversión de metano

mayor del 90%.

Page 48: TesisPulgarin

48

4.3.3.3 Variación del tiempo espacial en el reactor.

Un análisis de sensibilidad final se llevó a cabo para el tiempo de residencia. La Figura

16 muestra una reducción en la conversión de metano y en el rendimiento fraccional

del hidrógeno cuando el tiempo de residencia del reactor disminuye. Este es un

resultado esperado.

Figura 16. Variación prevista de la conversión de metano 4CHX y el rendimiento

fraccional global del hidrógeno 42 CHH con el tiempo de residencia en el reactor.

2.7

2.8

2.9

3.0

3.1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Ф(H

2/C

H4)

XC

H4

Tiempo de Residencia (s)

Sin embargo, la Figura 16 proporciona una información muy importante para la

validación del modelo, ya que para las condiciones típicas (tiempo de residencia de 0.08

s), la conversión de metano y el rendimiento fraccional de hidrógeno se estabilizan

favoreciendo el correcto funcionamiento del proceso de reformado.

Page 49: TesisPulgarin

49

5 CONCLUSIONES

Se desarrolló un modelo que integra una expresión cinética compleja tomada de la

literatura con el software comercial ASPEN Plus utilizando subrutinas en FORTRAN.

El modelo predice correctamente el comportamiento de un reformador industrial de

metano con vapor de agua de acuerdo con validaciones con datos de la literatura y de la

industria.

Un análisis de sensibilidad que utiliza el modelo para evaluar la variación en la

conversión de metano y el rendimiento fraccional global de hidrógeno respecto a la

temperatura, la relación vapor-carbono y el tiempo de residencia mostró que aunque a

mayor temperatura, mayor es la conversión de metano, restricciones termodinámicas

disminuyen la selectividad a hidrógeno a medida que aumenta la temperatura. La

temperatura de 1100 K proporciona un balance razonable entre la conversión de metano

y el rendimiento fraccional global de hidrógeno.

El aumento de la relación vapor-carbono a la alimentación favorece la conversión de

metano y el rendimiento fraccional, sin embargo, relaciones muy altas ocasionan una

disminución en el flujo másico de hidrógeno a la salida del reactor. Es necesario

establecer un equilibrio en la productividad y la conversión para garantizar un óptimo

comportamiento del reformador.

Los resultados sugieren que para el reformador industrial analizado, un tiempo de

residencia cercano a 0.9 s es óptimo, ya que garantiza que las variaciones en el tiempo

de residencia no tengan un gran impacto en la conversión ni en el rendimiento

fraccional global de hidrógeno.

Page 50: TesisPulgarin

50

6 RECOMENDACIONES

A partir del modulo desarrollado en ASPEN Plus como herramienta de simulación en

los procesos de ingeniería química se abren nuevas puertas para posteriores trabajos,

donde se esquematicen los procesos reales de las industrias y se posibilite un

acercamiento de la academia con la realidad.

Es necesario integrar los respectivos balances de cantidad de movimiento y energía a un

modulo en ASPEN Plus, donde se pueda simular el proceso con sus condiciones locales,

acercándose de una manera mejor a la realidad.

Es aconsejable acoplar los términos difusionales que un modelo heterogéneo puede

representar, lo cual representaría mejor las condiciones dentro del reactor. Así mismo

una caracterización del catalizador empleado podría proporcionaría los elementos

necesarios para integrar al modelo.

Se debería explotar más herramientas del software ASPEN Plus, pudiendo establecer

análisis económicos que resulten más valorativos para las industrias debido a los costos

que este proceso representa.

Es adecuado implementar los estudios de procesos no convencionales como un

instrumento de modernización de la industria, hacia la construcción de tecnologías mas

ecoeficientes y competitivas en el mercado.

Page 51: TesisPulgarin

51

7 BIBLIOGRAFÍA

Abashar, M. E. E., F. M. Alhabdan, et al. (2007). "Staging Distribution of Oxygen in

Circulating Fast Fluidized-Bed Membrane Reactors for the Production of

Hydrogen." INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH

46(17): 5493-5502.

Acuña, A. (2004). Simulación de un reactor para generar hidrógeno y desarrollo de un

sistema de control avanzado. Ingeniería Química. Bucaramanga, Universidad

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Page 54: TesisPulgarin

54

ANEXO A. Nomenclatura.

Símbolo Unidad Nombre

T [K] Temperatura de operación

pCH4 [bar] Presión parcial de metano

pH2O [bar] Presión parcial del vapor de agua

pCO [bar] Presión parcial de monóxido de carbono

pCO2 [bar] Presión parcial de dióxido de carbono

pH2 [bar] Presión parcial de hidrógeno

Tkcinref [K] Temperatura de referencia = 648 K

kcinref1 hcatkg

barkmol

*

* 2/1

Constante cinética a la temperatura de

referencia para la reacción 1, T=648 K

kcinref2 hcatkg

barkmol

*

* 1

Constante cinética a la temperatura de

referencia para la reacción 2, T=648 K

kcinref3 hcatkg

barkmol

*

* 2/1

Constante cinética a la temperatura de

referencia para la reacción 3, T=648 K

kcin1 hcatkg

barkmol

*

* 2/1

Constante cinética para la reacción 1 a

temperatura de operación T

kcin2 hcatkg

barkmol

*

* 1

Constante cinética para la reacción 2 a

temperatura de operación T

kcin3 hcatkg

barkmol

*

* 2/1

Constante cinética para la reacción 3 a

temperatura de operación T

Ea1 [kJ/mol] Energía de activación para la reacción 1

Ea2 kJ/mol Energía de activación para la reacción 2

Ea3 kJ/mol Energía de activación para la reacción 3

R Kmol

J

* Constantes de los gases =8,31434

TKadref1 [K] Temperatura de referencia = 648 K

TKadref2 [K] Temperatura de referencia = 823 K

KadCH4ref [bar-1

] Constante de adsorción a la temperatura de

referencia para el metano, T=823 K

KadH2Oref - Constante de adsorción a la temperatura de

referencia para el vapor de agua, T=823 K

KadCOref [bar-1

]

Constante de adsorción a la temperatura de

referencia para el monóxido de carbono,

T=648 K

KadH2ref - Constante de adsorción a la temperatura de

referencia para el hidrógeno, T=648 K

KadCH4 [bar-1

] Constante de adsorción para el metano a la

temperatura de operación T, [bar^(-1)]

KadH2O - Constante de adsorción para el vapor de

agua a la temperatura de operación T

Page 55: TesisPulgarin

55

KadCO [bar-1

] Constante de adsorción para el monóxido

de carbono a la temperatura de operación T,

KadH2 [bar-1

] Constante de adsorción para el hidrógeno a

la temperatura de operación T,

ΔHadCH4 mol

kJ Entalpia de adsorción para el metano

ΔHadH2O mol

kJ Energía de activación para el vapor de agua

ΔHadCO mol

kJ

Energía de activación para el monóxido de

carbono

ΔHadH2 mol

kJ Energía de activación para el hidrógeno

r1 hcatkg

kmol

* Velocidad de reacción para la reacción 1

r2 hcatkg

kmol

* Velocidad de reacción para la reacción 2

r3 hcatkg

kmol

* Velocidad de reacción para la reacción 3

DEN - Constante

Keq1 [bar2] Constante de equilibrio para la reacción 1

Keq2 - Constante de equilibrio para la reacción 2

Keq3 [bar2] Constante de equilibrio para la reacción 3

Page 56: TesisPulgarin

56

ANEXO B. Programas comerciales útiles en diseño de procesos.

Programas comerciales útiles en diseño de procesos son:

1. Hojas de cálculo.

1. Corel Quattro Pro 10 en Word Perfect Office (http://www.corel.com)

2. Lotus 1-2-3 en Smart Suite 9.8 (http://www.lotus.com)

3. Microsoft Excel (http://www.microsoft.com)

2. Matemáticas simbólicas

1. DERIVE 5 (http://www.derive.com)

2. MACSYMA (http://www.mathtools.net/MATLAB/Symbolic/Other/)

3. MAPLE 8 (http://www.maplesoft.com)

4. MATHCAD 14 (http://www.mathcad.com)

5. MATHEMATICA 4.2 (http://www.wolfram.com)

3. Matemáticas numéricas

1. MAPLE 8 (http://www.maplesoft.com)

2. MATHCAD 14 (http://www.mathcad.com)

3. MATHEMATICA 4.2 ( http://www.wolfram.com)

4. MATLAB 7.7 (http://www.mathworks.com)

5. POLYMATH 6.1 (http://www.polymath-software.com)

6. TK SOLVER 5 (http://www.hearne.com.au)

7. Ecuaciones diferenciales ordinarias y parciales (métodos numéricos)

8. FEMLAB 3.1 (http://www.femlab.com)

9. MATLAB 7.7 (http://www.mathworks.com)

4. Optimización

1. LINDO API 5.0 (http://www.lindo.com)

2. Microsoft Excel (http://www.microsoft.com)

3. GAMS (http://www.gams.com)

5. Simulación de procesos

1. Aspen Engineering suite 2006.5 (Plus and Hysys) (http://www.aspentech.com)

Ultima versión V7.0

2. Process Engineering suite, PRO/II v8.2 (http://www.simsci.com)

3. CHEMCAD v6.0 (http://www.chemstations.net)

4. SUPERPRO DESIGNER v7.5 (http://www.intelligen.com)

6. Simulación de unidades de separación

1. CHEMSEP 6.2 (http://www.chemsep.org)

2. MULTIBATCH 2.0 (http://www.che.utexas.edu/cache/multibatch.html)

Page 57: TesisPulgarin

57

ANEXO C. Subrutina en Matlab.

Reformador.m

clear all; clc

format short g,

PerT = load('PerfilT.txt','-ascii');

param.L = PerT(:,1)*12.52;

param.T = PerT(:,2);

PerP = load('PerfilP.txt','-ascii');

param.LP = PerP(:,1)*12.419;

param.P = PerP(:,2);

Lmax = max(param.L); %m

D = 12.7/100; %m

param.Ac = pi() * D^2/4; %m2

param.mpunto = 715.524976; %lbmol/hr

param.rhoC = 2355.5; %kg cat/m3 catal

param.phi = 0.45; %m3 catl/m3 total

param.CH4 = 1;

param.CO2 = 2;

param.CO = 3;

param.H2 = 4;

param.H2O = 5;

X(param.CH4) = 0.1512; %CH4

X(param.H2O) = 0.4; %H2O

X(param.H2) = 0.0064; %H2

X(param.CO) = 1e-6; %CO

X(param.CO2) = 0.4416; %CO2

X_N2 = 0.000799; %N2

param.F = param.mpunto * 0.4536 /3600; %kmol/s

param.FIN = (X_N2) * param.F;

F = param.F*X;

options = odeset('OutputFcn',@odeplot);

[t,F] = ode23s(@RefMet, [0 Lmax], F, options, param);

legend('CH4', 'CO2', 'CO', 'H2', 'H2O')

Parametros.m

function f = RefMet(L,F,param)

n = length(F);

X = F./(sum(F)+ param.FIN);

f = zeros(n,1);

Page 58: TesisPulgarin

58

paramRef = ParCin();

T = interp1(param.L,param.T,L); %K

P = interp1(param.LP,param.P,L); %bar

Ac = param.Ac; %m2

rhoC = param.rhoC; %kg cat/m3 catal

phi = param.phi; %m3 catl/m3 total

%P = param.Pres; %bar

%----------

kcin1 = paramRef.Cin.kref1 * exp((-paramRef.Cin.Ea1 * 1.E03/paramRef.Cin.R) *

((1./T)-(1./paramRef.Cin.Tkcinref)));

kcin2 = paramRef.Cin.kref2 * exp((-paramRef.Cin.Ea2 * 1.E03/paramRef.Cin.R) *

((1./T)-(1./paramRef.Cin.Tkcinref)));

kcin3 = paramRef.Cin.kref3 * exp((-paramRef.Cin.Ea3 * 1.E03/paramRef.Cin.R) *

((1./T)-(1./paramRef.Cin.Tkcinref)));

KadCH4 = paramRef.Ads.KadCH4ref * exp((-paramRef.Ads.deltaHadCH4 *

1.E03/paramRef.Cin.R) * ((1./T)-(1/paramRef.Ads.TKadref2)));

KadH2O = paramRef.Ads.KadH2Oref * exp((-paramRef.Ads.deltaHadH2O *

1.E03/paramRef.Cin.R) * ((1./T)-(1/paramRef.Ads.TKadref2)));

KadCO = paramRef.Ads.KadCOref * exp((-paramRef.Ads.deltaHadCO *

1.E03/paramRef.Cin.R) * ((1./T)-(1/paramRef.Ads.TKadref1)));

KadH2 = paramRef.Ads.KadH2ref * exp((-paramRef.Ads.deltaHadH2 *

1.E03/paramRef.Cin.R) * ((1./T)-(1/paramRef.Ads.TKadref1)));

Keq1 = 4.94E+6 * T^1.89 * exp(-25216./T) * 1.013^2;

Keq2 = 1.20E-6 * T^1.24 * exp(5425./T) ;

Keq3 = 5.93E00 * T^3.13 * exp(-19791./T) * 1.013^2 ;

pCH4 = X(param.CH4) * P; %Todas estas presiones en bares

pH2O = X(param.H2O) * P;

pCO = X(param.CO) * P;

pCO2 = X(param.CO2) * P;

pH2 = X(param.H2) * P;

X(param.CH4);

X(param.H2O);

DEN= 1 + KadCO * pCO + KadH2 * pH2 + KadCH4 * pCH4 + KadH2O *

pH2O/pH2;

r1 = kcin1 / pH2^2.5 * (pCH4 * pH2O - pH2^3 * pCO / Keq1) / DEN^2; %kmol/kg

cat_hr

r2 = kcin2 / pH2 * (pCO * pH2O - pH2 * pCO2 / Keq2) / DEN^2; %kmol/kg

cat_hr

r3 = kcin3/pH2^3.5 * (pCH4 * pH2O^2 - pH2^4 * pCO2 /Keq3) / DEN^2;%kmol/kg

cat_hr

r = zeros(n,1);

Page 59: TesisPulgarin

59

r(param.CH4) = -r1 -r3;

r(param.CO2) = +r2 + r3;

r(param.CO) = r1 - r2;

r(param.H2) = 3*r1 + r2 + 4*r3;

r(param.H2O) = -r1 - r2 -2*r3;

for i=1:n

f(i) = Ac * rhoC * phi * r(i) * 1/3600; %f(i) tiene unidades de kmol/m s

end

return

ParCin.m

%CinEtica

Cin.Tkcinref = 648.;

Cin.Ea1 = 240.1;

Cin.Ea2 = 67.13;

Cin.Ea3 = 243.9;

Cin.R = 8.31434;

Cin.kref1 = 0.0001842;

Cin.kref2 = 7.558;

Cin.kref3 = 0.00002193;

%AdsorciOn

Ads.TKadref1 = 648.;

Ads.TKadref2 = 823.;

Ads.KadCH4ref = 0.1791;

Ads.KadH2Oref = 0.4152;

Ads.KadCOref = 40.91;

Ads.KadH2ref = 0.02960;

Ads.deltaHadCH4 = -38.28;

Ads.deltaHadH2O = 88.68;

Ads.deltaHadCO = -70.65;

Ads.deltaHadH2 = -82.90;

%Equilibrio

Equil.A1 = 4.94E+6;

Equil.b1 = 1.89;

Equil.Ea1 = -25216.;

Equil.A2 = 1.20E-6;

Equil.b2 = 1.24;

Equil.Ea2 = 5425.;

Equil.A3 = 5.93E00;

Equil.b3 = 3.13;

Equil.Ea2 = -19791;

ParamRef.Cin = Cin;

ParamRef.Ads = Ads;

ParamRef.Equil = Equil;

f = ParamRef;

Page 60: TesisPulgarin

60

ANEXO D. Subrutina en Fortran.

SUBROUTINE REFCOR3 (SOUT, NSUBS, IDXSUB, ITYPE, NINT,

2 INT, NREAL, REAL, IDS, NPO,

3 NBOPST, NIWORK, IWORK, NWORK, WORK,

4 NC, NR, STOIC, RATES, FLUXM,

5 FLUXS, XCURR, NTCAT, RATCAT, NTSSAT,

6 RATSSA, KCALL, KFAIL, KFLASH, NCOMP,

7 IDX, Y, X, X1, X2,

8 NRALL, RATALL, NUSERV, USERV, NINTR,

9 INTR, NREALR, REALR, NIWR, IWR,

* NWR, WR, NRL, RATEL, NRV,

1 RATEV)

C Reacciones

C Reacciòn 1

C CH4 + H2 <----> CO + 3H2

C Reacciòn 2

C CO + H2O <----> CO2 + H2

C Reacciòn 3

C CH4 + 2H2O <----> CO2 + 4H2

C Datos de entrada

C

C T= Temperatura de operacion [K]

C pCH4 = Presión parcial de metano [bar]

C pH2O = Presión parcial del vapor de agua [bar]

C pCO = Presión parcial de monóxido de carbono [bar]

C pCO2 = Presión parcial de dióxido de carbono [bar]

C pH2 = Presión parcial de hidrógeno [bar]

REAL*8 T, pCH4, pH2O, pCO, pCO2, pH2

C Constantes cinéticas

C

C Tkcinref = 648 K

C kcinref1 = Constante cinética a la temperatura de referencia para la reacción 1,

T=648 K

C kcinref2 = Constante cinética a la temperatura de referencia para la reacción 2,

T=648 K

C kcinref3 = Constante cinética a la temperatura de referencia para la reacción 3,

T=648 K

C kcin1 = Constante cinética para la reacción 1 a temperatura de operacion T,

[(Kmol*bar^(1/2))/Kg cat*h]

C kcin2 = Constante cinética para la reacción 2 a temperatura de operacion T,

[(Kmol*bar^(-1))/Kg cat*h]

C kcin3 = Constante cinética para la reacción 3 a temperatura de operacion T,

[(Kmol*bar^(1/2))/Kg cat*h]

Page 61: TesisPulgarin

61

C Ea1 = Energía de activación para la reacción 1 kJ/mol

C Ea2 = Energía de activación para la reacción 2 kJ/mol

C Ea3 = Energía de activación para la reacción 3 kJ/mol

C R= Constantes de los gases =8,31434 J mol-1 K-1

REAL*8 Tkcinref, kcinref1, kcinref2, kcinref3, kcin1, kcin2, kcin3,

1 Ea1, Ea2, Ea3, R

C

C Constantes de Adsorción

C

C TKadref1 = 648 K

C TKadref2 = 823 K

C KadCH4ref = Constante de adsorción a la temperatura de referencia para el metano,

T=823 K (bar^-1)

C KadH2Oref = Constante de adsorción a la temperatura de referencia para el vapor

de agua, T=823 K

C KadCOref = Constante de adsorción a la temperatura de referencia para el

monóxido de carbono, T=648 K (bar^-1)

C KadH2ref = Constante de adsorción a la temperatura de referencia para el

hidrógeno, T=648 K (bar^-1)

C KadCH4 = Constante de adsorción para el metano a la temperatura de operación T,

[bar^(-1)]

C KadH2O = Constante de adsorción para el vapor de agua a la temperatura de

operación T

C KadCO = Constante de adsorción para el monóxido de carbono a la temperatura de

operación T, [bar^(-1)]

C KadH2 = Constante de adsorción para el hidrógeno a la temperatura de operacion

T, [bar^(-1)]

C deltaHadCH4 = Entalpia de adsorción para el metano [kJ/mol]

C deltaHadH2O = Energía de activación para el vapor de agua [kJ/mol]

C deltaHadCO = Energía de activación para el monóxido de carbono [kJ/mol]

C deltaHadH2 = Energía de activación para el hidrógeno [kJ/mol]

REAL*8 TKadref1, TKadref2, KadCH4ref, KadH2Oref, KadCOref,

1 KadH2ref, KadCH4, KadH2O, KadCO, KadH2,

deltaHadCH4,

2 deltaHadH2O, deltaHadCO, deltaHadH2

C Cálculo de velocidades de reacción

C

C r1= velocidad de reacción para la reacción 1, [kmol/Kg cat*h]

C r2= velocidad de reacción para la reacción 2, [kmol/Kg cat*h]

C r3= velocidad de reacción para la reacción 3, [kmol/Kg cat*h]

C DEN= Constante

REAL*8 DEN, r1, r2, r3

C Constantes de Equilibrio

C

C Ecuaciones suministradas por el software Gas Eq

C Para la reacción 1

C Keq1= Constante de equilibrio para la reacción 1, [bar^2]

Page 62: TesisPulgarin

62

C Para la reacción 2

C Keq2= Constante de equilibrio para la reacción 2

C Para la reacción 3

C Keq3= Constante de equilibrio para la reacción 3, [bar^2]

REAL*8 Keq1, Keq2, Keq3

C Cálculo de velocidades de reacción de los componentes

C

C rCO= velocidad de reacción de desaparición para el monóxido de carbono,

[kmol/Kg cat*h]

C rCO2= velocidad de reacción de desaparición para el dióxido de carbono, [kmol/Kg

cat*h]

C rCH4= velocidad de reacción de desaparición del metano, [kmol/Kg cat*h]

C rH2= velocidad de aparición del hidrógeno, [kmol/Kg cat*h]

C rH2O= velocidad de aparición del hidrógeno, [kmol/Kg cat*h]

REAL*8 rCO, rCO2, rCH4, rH2, rH2O

c Propiedades del Catalizador y del reactor

REAL*8 rhoC, rhoB, phi

REAL*8 raspenCO, raspenCO2, raspenCH4, raspenH2

C--------------------------------------------------------------------------------------------------------

---------------------------------------

open (unit = 2, file = "depurando.txt")

C Corrección de composición

C do i:1, ncomp

C IF Y(i) == 0 then

C Y(i) = 1e-6

C endif

C enddo

C 1. Definición de Variables (TEMP se toma de ASPEN)

T = TEMP

C 2. Constantes Cinéticas

Tkcinref = 648.

Ea1 = 240.1

Ea2 = 67.13

Ea3 = 243.9

R = 8.31434

kcinref1 = 0.0001842

kcinref2 = 7.558

kcinref3 = 0.00002193

kcin1 = kcinref1 * exp((-Ea1 * 1.E03/R) * ((1./T)-(1./Tkcinref)))

kcin2 = kcinref2 * exp((-Ea2 * 1.E03/R) * ((1./T)-(1./Tkcinref)))

kcin3 = kcinref3 * exp((-Ea3 * 1.E03/R) * ((1./T)-(1./Tkcinref)))

C 3. Constantes de Adsorción

Page 63: TesisPulgarin

63

TKadref1 = 648.

TKadref2 = 823.

KadCH4ref = 0.1791

KadH2Oref = 0.4152

KadCOref = 40.91

KadH2ref = 0.02960

deltaHadCH4 = -38.28

deltaHadH2O = 88.68

deltaHadCO = -70.65

deltaHadH2 = -82.90

KadCH4 = KadCH4ref * exp((-deltaHadCH4 * 1.E03/ R) *

1 ((1/T)-(1/TKadref2)))

KadH2O = KadH2Oref * exp((-deltaHadH2O * 1.E03/ R) *

1 ((1/T)-(1/TKadref2)))

KadCO = KadCOref * exp((-deltaHadCO * 1.E03/ R) *

1 ((1/T)-(1/TKadref1)))

KadH2 = KadH2ref * exp((-deltaHadH2 * 1.E03/ R) *

1 ((1/T)-(1/TKadref1)))

C 4. Constantes de Equilibrio (Nota, GASEQ las entrega en atm2 (1 y 3) y adimensional

(2), se pasan a bar)

Keq1 = 4.94E+6 * T**(1.89) * exp(-25216./T) * 1.013**2.

Keq2 = 1.20E-6 * T**(1.24) * exp( 5425./T)

Keq3 = 5.93E00 * T**(3.13) * exp(-19791./T) * 1.013**2 .

C 5. Renombre presiones parciales

C Orden de los componentes en ASPEN Plus

C 1.Metano CH4 Y(1)

C 2.Agua H2O Y(2)

C 3.Hidrógeno H2 Y(3)

C 4.Monoxido de Carbono CO Y(4)

C 5.Dioxido de Carbono CO2 Y(5)

C 6.Etano C2H6 Y(6)

C 7.Propano C3H8 Y(7)

C 8.Butano C4H10 Y(8)

C 9.Nitrogeno N2 Y(9)

C 10.Oxigeno O2 Y(10)

C Por medio de ley de raoult pNCin = Y(NC) * PRES (PRES VIENE DE ASPEN Y

ESTÁN EN N/m2)

pCH4 = Y(1) * PRES * 1E-5

pH2O = Y(2) * PRES * 1E-5

pH2 = Y(3) * PRES * 1E-5

pCO = Y(4) * PRES * 1E-5

Page 64: TesisPulgarin

64

pCO2 = Y(5) * PRES * 1E-5

C 6. Variables de la Velocidad de Reacción.

DEN= 1 + KadCO * pCO + KadH2 * pH2 + KadCH4 * pCH4 +

1 KadH2O * pH2O/pH2

r1 = kcin1/pH2**2.5 *(pCH4 * pH2O - pH2**3. *pCO/Keq1) / DEN**2.

r2 = kcin2/pH2 * (pCO * pH2O - pH2 * pCO2 / Keq2) / DEN**2.

r3 = kcin3/pH2**3.5 * (pCH4 * pH2O**2. - pH2**4. * pCO2 /Keq3) /

1DEN**2.

C Variables

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, Y(1), Y(2), Y(3), Y(4), Y(5), Y(6),Y(7), Y(8),

Y(9), Y(10), PRES, TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, kcin1, kcin2, kcin3, KadCH4, KadH2O,

C 1KadCO, KadH2, Keq1, Keq2, Keq3, PRES, TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, pCH4, pH2O, pCO, pCO2, pH2, PRES, TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, DEN, r1, r2, r3, PRES, TEMP

C Parámetros

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, kcin1, kcin2, kcin3, PRES, TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, KadCH4, KadH2O, KadCO, KadH2,

PRES,TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, Keq1, Keq2, Keq3, PRES, TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, Ea1, Ea2, Ea3, R, PRES, TEMP

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, TKadref1, TKadref2,KadCH4ref,KadH2Oref,

C KadCOref,KadH2ref, deltaHadCH4, deltaHadH2O,deltaHadCO,deltaHadH2,

C PRES, TEMP

C Cálculo de composiciones

C write(2,100) RPLUGR_AXPOS, NCOMP, SOUT, NSUBS, NR,

RPLUGR_AXPOS

C write(2,*) "Numero compuestos", NC

100 FORMAT(11E15.7)

C 7. Velocidad de Reacción.

rCO = r1 - r2

rCO2 = r2 + r3

rCH4 = -r1 - r3

rH2 = 3. * r1 + r2 + 4. * r3

rH2O = -r1 - r2 - 2.* r3

C 8. Propiedades Reactor y Catalizador

rhoC = 2355.5

phi = 0.45

Page 65: TesisPulgarin

65

rhoB = rhoC * phi

C 9. Corrección de unidades de velocidad de reacción -Entorno ASPEN

do i = 1,ncomp

RATES(i) = 1e-30

enddo

c Unidades de Rates en kmol/kg cat_hr

RATES(1) = rCH4

RATES(2) = rH2O

RATES(3) = rH2

RATES(4) = rCO

RATES(5) = rCO2

do i = 1,ncomp

RATES(i) = RATES(i) * 1./3600. * rhoB *3.141592 *

A RPLUGR_UDIAM**2./4.

enddo

write(2,100) (RATES(i), i=1,10)

write(2,100) (Y(i), i=1,10)

write(2,100) RPLUGR_AXPOS, TEMP, PRES

write(2,100) r1, r2, r3, DEN

write(2,100) pCH4, pH2O, pCO, pCO2, pH2

write(2,100) kcin1, kcin2, kcin3

write(2,100) KadCH4, KadH2O, KadCO, KadH2

write(2,100) Keq1, Keq2, Keq3

close(2)

RETURN

END