Simulacion Del Syngas

Universidad Nacional Jos Faustino Snchez Carrin Facultad de Ing. QMyA Escuela Profesional de Ingeniera Qumica

SIMULACIN Y OPTIMIZACIN DE PROCESOS

Jamanca Antonio Edgar Martin

UNIVERSIDAD NACIONAL

JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA,

METALURGIA Y AMBIENTAL

INGENIERIA QUIMICA

TEMA:

ANALIZAR Y SIMULAR EL PROCESO DE

LA OBTENCION DE METANO A PARTIR

DE GAS DE SINTESIS (SYNGAS)

Alumno:


Responsable del curso de Simulacin y Optimizacin de Procesos Qumicos del X Ciclo: Ing. Manuel Jos Jimnez Escobedo




INDICE




Resumen

Este trabajo est orientado a hacer un anlisis y simulacin de la produccin de Metano a

partir del gas de sntesis (SYNGAS) la cual se utiliza como combustible energtico en los

pas. En el cual se concluye que esta obtencin no cuenta con Data Experimental, tan

solo se cuenta con informaciones bsicas para el planteamiento de la produccin; para el

desarrollo se toma como ejemplo la informacin de Produccin de Metano a partir del gas

de Sntesis de una publicacin de.

Para dar una alternativa en la solucin de este trabajo, se detalla en ejemplo del caso

base para la produccin de metano. Para ello se realizara un moldeamiento segn sea el

requerimiento del diagrama que se plantea en el trabajo, asi mismo se detallara la

simulacin para el proceso de solucin del caso base, generando alternativas de solucin.

Objetivo

Anlisis y simulacin del proceso de la obtencin del metano a partir del gas de sntesis

(SYNGAS)




Estrategia de anlisis de anlisis

Planteamiento (caso base)

La siguiente tabla muestra una relacin de compaas en el mundo que producen metano:

Colombia no sintetiza metano ya que posee grandes reservas en su subsuelo.

Utilizacin o aplicabilidad del producto

La utilizacin que se le da metano ms frecuentemente es como combustible, ya que

disminuye el precio de costos en la produccin industrial, a comparacin del coque y de

otros combustibles.

El metano ha sido usado como fluente de materia prima para la produccin de acetileno;

adems para la produccin de muchos productos halgenos. Alrededor del 10% de

270000 ton de cloro metilo que es producido anualmente en estados unidos es derivado

a partir del metano. Coproductos, como cloro metileno, cloroformo y carbn tetraclorado,

tambin son producidos. La mayora de carbn tetraclorado es usado como materia

prima para la preparacin de carbonos tetraclorados, tambin son producidos. La mayora

de carbn flourados para aerosoles y como extintores.




El metano adems reacciona con ammonia para producir hidrogeno cianhdrico el cual es

una materia prima para la produccin comercial de acrilonitrilo y metil metacrilato.

Tambin, algunos carbonos disulfidicos son producidos a partir de metano mediante una

reaccin con sulfuro.

Descripcin del proceso

Debido a la crisis energtica esperada a largo plazo, actualmente se invierte un esfuerzo

considerable en el desarrollo de procesos para mejorar fuentes de energa de baja calidad

hasta combustibles de alta calidad. El diagrama de flujo de la figura 4.6

Ejemplifica un proceso de este tipo. En dicho proceso se gasifica carbn con alto

contenido de azufre (un combustible que no podra usarse de otra forma debido a la

contaminacin ambiental), para producir gas natural sinttico limpio.

Al reactor se cargan carbn pulverizado y vapor de agua (0.8 lb de3 H20 por lb de

carbn), en donde la alta temperatura y presin producen una mezcla compleja de gases,

que incluyen 10% de metano (en base molar). El calor para la reaccin se obtiene de la

combustin de algo de carbn alimentado, con oxigeno que se introduce directamente al

reactor. El gas crudo producido se enfra, se trata eliminar las cenizas arrastradas en el

mismo, y se enva a otro reactor de conversin. En esta unidad, la proporcin molar de H2

a CO (0.56 a 1) se incrementa a travs de la conversin del 62.5% del CO. El gas

convertido, que contiene aun 10% de CH4, se procesa para eliminar los gases cidos,

H2S y CO2. Finalmente, el gas residual (que contiene 49.2% de H2 en base libre de

H2O) se enva a un reactor cataltico que produce metano adicional.

El gas producido final, libre de agua, contiene 5% de H2, 0.1% de CO, y el resto CH4 (en

base molar).

Si se cuenta con un carbn cuyo anlisis es (en base msica) de:

66%

3%

3%

18%

10% 2

Calcular todos los flujos y composiciones del proceso, con base en una alimentacin de

10 000 ton/da de carbn y suponiendo que 25% de del carbono alimentado aparece

finalmente en el producto.




GASIFICADOR

ELIMINACION DEL

GAS DE ACIDO

2

3

8 9

4

CONVERTIDOR

METANADOR

Vapor de

agua

Oxgeno

Carbn 1

5

6

7

C 66

H 3

S 3

Cenizas 18

Diagrama de Flujo de Gasificacin de carbn

2

4

2

2

2

2

4

2

2

2

2

2

2

2

2 5%

0.1%

4

10% 10%




Relaciones

1 2

1

2 = 0.8

2 2

8

8 = 0.56

3 9 = 0.375

8

4 2

10

1 210 = 0.492

5 0.66 0.25 = 0.001 7 + 0.90 4

7 + 27 2

7

Solucin

De acuerdo con la informacin proporcionada, en el proceso intervienen cuatro elementos

(H, C, S, O) y un agregado inerte llamado cenizas, compuesto de minerales inorgnicos.

En todas las unidades, con excepcin del metanador, aparecen las sustancias comunes

2, 4, 2, , 2, 2, cuya matriz elemental es:

2 4 2 2 2

[

2 4 2 0 0 20 1 0 1 1 000

00

1 0 0 00 1 2 1

]

Puede demostrarse fcilmente que los cuatro renglones de este arreglo son

independientes; lo mismo sucede con los tres renglones del arreglo menor formado al

eliminar el rengln S y las columnas, H2S y CO. Por lo tanto, el gasificador, el convertidor y

la unidad de eliminacin de gases cidos tendrn asociados cuatro balances elementales

independientes de cada uno; el metanador tendr res. En el gasificador puede incluirse

tambin un balance sobre el agregado de cenizas. Para propsitos de los balances

globales, en las corrientes de entrada y salida del proceso aparecen los mismos cuatro

elementos, seis sustancias y las cenizas. Por lo tanto, los balances globales consistirn

tambin de los cuatro balances elementales independientes, ms el balance de cenizas.

Contados los balances, la construccin de la tabla de grados de libertad para este

proceso es sencilla, como se observa en la siguiente tabla.




Gasificador Reactor de

conversin

Eliminacin de gas

acido Metanador Proceso

Balances

globales

Numero de variables 14 12 12 8 30 14

Numero de balances

H 1 1 1 1 4 1

C 1 1 1 1 4 1

O 1 1 1 1 4 1

S 1 1 1 - 3 1

Cenizas 1 - - - 1 1

Total 5 4 4 3 16 5

Numero de composiciones

especificadas 5 2 1 2 8 6

Numero de relaciones

Proporcin de vapor de

agua 1 1 1

Conversin de CO 1 1

Proporcin H2 a CO 1 1 1

Proporcin de H2 a

(CO+CH4) 1 1 1

Eficiencia de C

Grados de libertad

base




Es evidente que el proceso esta especificado correctamente y los clculos deberan

iniciarse con los balances globales. Ntese que, de seleccionarse el flujo de carbn como

base, entonces, al conocerse la composicin del mismo, los elementos de balance C, H y

S (que no aparecen como tales en ninguna corriente de salida), quedaran especificados

completamente. Adems, conociendo la corriente de alimentacin, la relacin de

eficiencia especificada para el carbn y la composicin conocida del producto servirn

para determinar los flujos de salida de las sustancias H2, CO y CH4. Como estas no

aparecen en ninguna corriente de entrada, entonces tambin estn especificas no

aparecen en ninguna corriente de entrada, entonces tambin estn especificadas

completamente. Por consiguiente, las nicas sustancias cuya especificacin est

incompleta son O2, H2O, H2S, CO2 y las cenizas. Para calcularse tendremos que utilizar

las cinco ecuaciones de balance, puede demostrarse fcilmente que las columnas del

arreglo formado con los coeficientes atmicos de estas sustancias.

2 2 2 2

[

2 1 0 20 2 2 000

00

1 0

0 1

]

Son linealmente independientes. Entonces, como el balance de cenizas es obviamente

independiente de los cuatro balances elementales, las especificaciones asociadas con los

balances globales son independientes.

Es interesante hacer notar que, de haber especificado el O2 en lugar de la proporcin de

vapor de agua, la especificacin no hubiera sido apropiada. En ese caso, las nicas

sustancias no especificadas hubieran sido H2O, H2S, CO2 y las cenizas. Es decir, habra

menos entidades de balance que numero de ecuaciones de balance disponibles. La

especificacin no es apropiada porque no se conoce el flujo neto de salida de H2O

mediante los balances elementales no servira para determinar por separado la entrada o

la salida.

Procediendo a resolver los balances globales, si seleccionamos una base de 10 000 lb/h

de carbn, entonces la proporcin de vapor de agua implica que F2=8 000 lb/h.

La relacin de eficiencia de carbn indica que

0.957 =0.25(0.6610000)

12 O 7 = 144.74 /

Con estos resultados, el balance de cenizas se reduce a

0.18(10,000) = 4 = 1800 /

Y los balances elementales son:




Carbn O2 H2 CH4 H2S CO CO2 H2O

Balance de H (0-300) 2(7.237-0) 2(0-3) +4(137.36 0) +2(25 0) +2(6

8000

18) =0

Balance de C (0 6600

12) +(137.36-0) +(0.1447-0) +(2

5 0) =0

Balance de O +(0.1447-0) +2(25 0) +(6

8000

18) =0

Balance de S (0 300

32) +(2

5 0) =0

25 = 412.50 /

25 = 9.375 /

El balance de hidrogeno entonces resulta en

6 = 303.11 /

Finalmente, del balance de oxigeno

3 = 341.90 /

Determinados los flujos de las corrientes 6 y 7, los grados de libertad de los balances de metanador se han reducido a cero.

Aparentemente los grados de libertad del gasificador se han reducido a -1, ya que ahora se conocen los flujos de las corrientes 1,3 y

4 (la corriente 2 ya se ha tomado en cuenta, debido a la proporcin de vapor de agua a carbn). Obsrvese que en el proceso

aparece solo un balance de cenizas, ya que este balance ha sido usado como parte de los balances globales. Debido a ello los

grados de libertad del gasificador son cero. Como entonces podernos resolver los balances del metanador o del gasificador,

procederemos con este ultimo.




Los balances del gasificador son:

Carbn O2 H2 CH4 H2S CO CO2 H2O

Balance de H -300 +228 +4(0.18) +2(2

8 ) +2(28

8000

18) =0

Balance de C 550 +0.18 +8 +(2

8 ) =0

Balance de O -2(341.90) +8 +2(2

8 ) +(28

8000

18) =0

Balance de S 9.375 +(28 ) =0

Adems, pueden aplicarse la relacin

28

8 = 0.56

Y la definicin

0.98 = 28 +

8 + 28 + 2

8 + 28

Usando la proporcin de H2 a CO, los balances de H, C y O se reducen a

0.48 + 1.1228 + 22

8 = 1170.14

0.18 + 8 + 2

8 = 550

28 +

8 + 228 = 1128.24




Si incluimos la definicin de N8,

0.98 1.568 2

8 28 = 9.375

Tendremos un sistema de cuatro ecuaciones lineales con cuatro incgnitas. Estas pueden

resolver utilizando la segunda ecuacin para eliminar NCO28 de la tercera y cuarta

ecuaciones, y usando la primera ecuacin para eliminar a NH2O8 de los resultados. De esta

manera el sistema de ecuaciones se reduce a dos:

0.48 + 1.568 = 556.83

1.28 = 1144.45

Que pueden resolver fcilmente, para obtener

8 = 953.70 /

8 = 112.40 /

Luego, de la segunda de las ecuaciones originales,

28 = 342.23 /

Y de la primera,

28 = 331.39 /

Por lo tanto,

8 = (4 , 2 , , 2, 2 , 2)

8 = (95.37,342.23,112.4,331.39,62.94,9.38) /




Con la determinacin de la corriente 8, los balances del convertidor habrn reducido sus grados de libertad a cero. Resolveremos

entonces dichos balances a continuacin, las ecuaciones de balance son:

H2 CH4 H2S CO CO2 H2O

Balance de H +2(29 62.94) +4(0.19 95.37) +2(2

9 9.38) +2(29 331.39) =0

Balance de C +(0.19 95.37) +(9 112.4) +(2

9 -342.23) =0

Balance de O +(9 112.4) +2(2

9 342.23) +(29 331.39) =0

Balance de S +(29 9.38) =0

Se impuso adems una relacin de conversin

0.625 =112.4

9

112.4

Que se reduce a

9 = 42.15 /

De acuerdo con el balance de azufre,

29 = 2

8 = 9.38 /




Usando el balance de C para eliminar el termino de CH4, y el balance de O para eliminar

el termino de H2O, el balance de H se simplifica a

2(29 62.94) 8(2

9 342.23) = 6(9 112.4) = 6(70.25)

O

229 8(2

9 ) = 3033.5

Ms aun, de la definicin de N9,

0.99 = 29 + 2

9 + 9 + 2

9 + 29

Obtenemos, usando la misma sustitucin, la ecuacin adicional

29 + 82

9 = 3433.1 /

Si se suman estas dos ecuaciones para eliminar NCO29 , obtenemos

29 = 133.20 /

29 = 412.49 /

Finalmente, cuando se usan estos resultados en los balances de C y O, pueden

calcularse los flujos restantes:

9 = 953.70 /

Y

29 = 261.12 /

La corriente 9 corresponde entonces a los flujos

9 = (4 , 2 , , 2, 2 , 2)

= (95.37, 412.49, 42.15, 261.12, 133.2, 9.38) /

Hasta aqu, falta nicamente de resolver los balances del eliminador de gases cidos o

del metanador. Esta ltima unidad tena 6 grados de libertad. Sin embargo, con los

balances globales se determino la corriente 5, reduciendo a 4 los grados de libertad, en

tanto que los balances del convertidor se determino la corriente 9, reduciendo as los

grados de libertad a -1.

Pero observamos que los tres balances independientes de azufre en el proceso se han

agotado, ya que se utilizaron en los balances globales, los del gasificador y los del

convertidor. Entonces, la unidad de eliminacin de gases cidos tiene cero grados de

libertad, como era de esperarse.




Continuando con las ecuaciones de balances de esa unidad, tenemos que:

H2 CH4 H2S CO CO2 H2O

Balance de H +2(210 133.2 +4(4

10 95.37) +2(0) +2(210 261.12) =0

Balance de C +(410 95.37) +(

10 42.15) +0 =0

Balance de O +(10 42.15) +2(0) +(2

10 261.12) =0

Y disponemos de la relacin

210

10 + 4

10 + 210 = 0.492

Usando esta relacin para eliminar a NH210 , el balance de O para eliminar a NH2O y el

balance de C para eliminar a NCO10 , el balance de H se reduce a

6(410 95.37) = 0

O

410 = 95.37 /

Los flujos de las sustancias restantes se obtienen inmediatamente por sustitucin. El

resultado es

10 = (4 , , 2, 2)

= (95.37 , 42.15 , 261.12 , 133. ) /

Se han determinado todas las corrientes del proceso, y podran escalarse hasta la base

de 10 000 toneladas/da, a partir de la base de 10 000 lb/h que se utilizo en los clculos.

Los resultados de la escalacin se resumen en la tabla de la figuras




Numero de corrientes

2 3 5 6 7 8 9 10

Flujo total (lbmol/da) x 10-4) 88.888 68.380 84.375 60.622 28.948 190.74 190.74 106.37

Composicin (fraccin mol)

- - - - 0.949 0.10 0.10 0.1793

- - - - 0.001 0.1179 0.0442 0.0793

- - - - 0.05 0.0660 0.1397 0.2504

- - 0.9778 - - 0.3588 0.4325 -

1.0 - - 1.0 - 0.3475 0.2738 0.4910

- - 0.0222 - - 0.0098 0.0098 -

- 1.0 - - - - - -




MODELADO

Estrategia de modelado

Las variables operacionales de entrada son:

A partir de los principios de conservacin podemos proponer las siguientes

ecuaciones

Reactor de lecho empacado

BALANCE DE MATERIALES

+ =

Ecuacin del balance de masa

0

= ecuacion 2.17 (Scott Floger)

De donde rA es igual a:

4 =1.83102. 2

1/2.

1 + 1.52 4/( )

Ecuacin del balance de energa

=

(4

) ( ) + (()()

() 8 10.12 ( )

Ecuacin de cantidad de movimiento

=2

(1 ) 0 4 25 ( )

PROCESO

Perturbaciones

Cada de presin flujo de alimentacin

Insuficiencia energtica

Variables Operac. OUT

Presin de salida

Temperatura de salida

Flujo de salida

Composicin de Salida

Variables Operac. IN

Presin de alimentacin

Temperatura de alimentacin

Flujo de alimentacin

Composicin de alimentacin




= (

2

0

0 0

) (1 + ) 4.30 ( )

Correlaciones empleadas para determinar las propiedades del fluido

METODO DE CHUNG ET AL tomado del libro Propierties of liquids and gases Reid

Viscosidad de la mezcla Cap 9

= 36.344 ( )

1/2

2/3

(9 6.16)

Donde:

= , . 9 6.17

= ,

. 9 5.28

= , . 9 5.43

= ,3

. 9 5.44

= [ (

)

2 1/2

(/) 2]

2

(9 5.28)

La cual necesita de clculo de los siguientes parmetros de acuerdo con las reglas de combinado:

=

=

1.2593 (9 5.34)

= (

)1/2

(9 5.35)

= = 0.809 1/3

(9 5.33)

=2

+ (9 5.40)

(

)

=

(

) 3

3

(9 5.27)

3 =

3 (9 5.25)

= ( 0.809 )3 (9 5.43)

= 1.2593 (

)

(9 5.44)




=(

)12

{ [(2)

1 + 6 ]} + (9 6.17)

La ecuacin a partir de los siguientes parmetros:

=

(/) (9 5.26)

= 1 0.275 + 0.059035 4 + (9 5.41)

=

2 2

3 (9 5.29)

4 =

3 (

2 2

3 )

(9 5.30)

=

(9 5.31)

= (9 5.36)

= +

2 (9 5.37)

= (9 5.38)

= ( )12 (9 5.39)

y son parmetros binarios de interacion ques son normalmente iguales a la unidad. El

termino Fcm de la ecuacin (9-5.24) esta definida como: donde esta dada por:

=131.3

( )12

(9 5.42)

=

6 (9 6.18)

1 =1 0.5

(1 )3 (9 6.19)

Conclusin del ejemplo

El ejemplo anterior trae a colacin dos aspectos que debemos comentar. En primer lugar,

el ejemplo confirma nuevamente nuestra observacin previa de que los balances

elementales requieren de resolucin simultnea y no secuencial (que es ms simple). En

el presente caso, los balances del gasificador, del convertidor y de la unidad de

eliminacin de gases cidos, tpicamente incluyeron tres o cuatro flujos netos de salida

desconocidos por ecuacin, el sistema de ecuaciones simultneas resultantes requiri de

un gran nmero de sustituciones para simplificar y resolver las ecuaciones.




En segundo lugar, una observacin minuciosa de los balances del eliminador de gases

cidos sugiere que el uso de balances elementales para esta unidad en donde no hay

reaccin resulta innecesaria complicado. Recordemos que, calculada el saluda del

convertidor, la corriente de entrada a la unidad de eliminacin de gas est determinada

completamente. Adems, de los clculos de balances globales se conoce una de las

corrientes de salida, la corriente 5. Si hubiramos usado balances por componentes,

podra calcularse la corriente 10 por diferencia, sin las tediosas manipulaciones

algebraicas requeridas por el mtodo de balances elementales. Ntese adems que, si

utilizamos balances por componente, obtendremos un mayor nmero de ecuaciones

disponibles que en el caso de balances elemental. Al disponer de dos ecuaciones ms, se

hubieran necesitado dos especificaciones menos para resolver el problema.

ANEXO




ECUACIONES de diseo en funcin del tipo de reactor

Ecuacin cintica. Si es necesario obtenerla a partir de datos experimentales reportados

en algunas fuentes bibliogrficas

Tabla estequiometria

Especie Tasa

alimentacin

(mol/tiempo)

Cambio dentro

del reactor

(mol/tiempo)

Tasa de efluente del reactor (mol/tiempo)




A:CO 0 -0 =0 (1 )

0 (1 2) (

0

) (

0) (

0

)

B:H2 0 = B 0 -3*0 =0 (B 3)

0 (1 2) (

0

) (

0) (

0

)

C:CH4 0 = C FA0 0 =0 (C + )

0 (1 2) (

0

) (

0) (

0

)

D:H2O 0 = D FA0 0 =0 (D + )

0 (1 2) (

0

) (

0) (

0

)

TOTAL 0 2 0 = 0 2 0

0 (1 2) (

0

) (

0) (

0

)

B =yB0yA0

=0.2062

0.0652

C =yC0yA0

=0.1729

0.0652

D =yD0yA0

=0.5559

0.0652

Ecuacin de diseo para un reactor de lecho empacado

+ =

Ecuacin del balance de masa

0

= ecuacion 2.17 (Scott Floger)

De donde rA es igual a:

4 =1.83102. 2

1/2.

1 + 1.52 4/( )

Ecuacin del balance de energa

=

(4

) ( ) + (()()

() 8 10.12 ( )

Ecuacin de cantidad de movimiento

=2

(1 ) 0 4 25 ( )




= (

2

0

0 0

) (1 + ) 4.30 ( )

Correlaciones empleadas para determinar las propiedades del fluido

METODO DE CHUNG ET AL tomado del libro Propierties of liquids and gases Reid

Viscosidad de la mezcla Cap 9

= 36.344 ( )

1/2

2/3

(9 6.16)

Donde:

= , . 9 6.17

= ,

. 9 5.28

= , . 9 5.43

= ,3

. 9 5.44

= [ (

)

2 1/2

(/) 2]

2

(9 5.28)

La cual necesita de clculo de los siguientes parmetros de acuerdo con las reglas de combinado:

=

=

1.2593 (9 5.34)

= (

)1/2

(9 5.35)

= = 0.809 1/3

(9 5.33)

=2

+ (9 5.40)

(

)

=

(

) 3

3

(9 5.27)

3 =

3 (9 5.25)

= ( 0.809 )3 (9 5.43)

= 1.2593 (

)

(9 5.44)




=(

)12

{ [(2)

1 + 6 ]} + (9 6.17)

La ecuacin a partir de los siguientes parmetros:

=

(/) (9 5.26)

= 1 0.275 + 0.059035 4 + (9 5.41)

=

2 2

3 (9 5.29)

4 =

3 (

2 2

3 )

(9 5.30)

=

(9 5.31)

= (9 5.36)

= +

2 (9 5.37)

= (9 5.38)

= ( )12 (9 5.39)

y son parmetros binarios de interacion ques son normalmente iguales a la unidad. El

termino Fcm de la ecuacin (9-5.24) esta definida como: donde esta dada por:

=131.3

( )12

(9 5.42)

=

6 (9 6.18)

1 =1 0.5

(1 )3 (9 6.19)




Estrategia de simulacin




Limitaciones de los modelos tericos




Condiciones de operacin




Resultados




Anlisis y discusin de resultados




Conclusiones




Anexo




Archivo virtual

PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DE LA MEZCLA REACCIONANTE

Las propiedades tales como la viscosidad, conductividad trmica, fueron determinadas a

partir de las correlaciones de Chung las cuales incluyen la correccin por presin la

densidad fue determinadas a partir de la ecuacin cubica de estado de Peng Robinson.

La capacidad calorfica fue determinada bajo condiciones de no ideal, el cp. en exceso fue

obtenido a partir de la derivacin de la ecuacin de estado de Peng Robinson, como lo

cita el articulo Multicomponet Fugacity Coeficients Engineering Science, Vol. 46, N8, pp.

2019-2029,1991

Sustancia Monxido

de carbono

Hidrogeno Metano Agua Mezcla

reaccioante

Masa

molecular

g/mol

28.01 2.016 16.043 18.095 5.4741

Temperatura

de Fusin (K)

68.1 14 90.7 273.2

Temperatura

de Ebullicin

81.7 20.4 11.16 373.2

Temperatura

critica (K)

132.9 33.2 130.4 647.3 54.8493

Presin

critica(bar)

35 13 46 221.2

Volumen critico

(cm3/mol)

93.2 65.1 99.2 57.1 71.6536

Factor de

compresibilidad

0.285 0.306 0.288 0.235

Factor

acntrico

0.066 0.1218 0.011 0.344 -0.1370

Momento

dipolar

0.1 0 0 1.8

Viscosidad

(Cp)

0.0247 0.1103 0.0168 0.0168 0.0159

Conductividad

trmica (W/MK)

0.0379 0.2068 0.0416 0.0435 0.1113

Calor 29.827 0 27.805 35.390 7.4569




especifico

J/mol

Densidad

mol/cm3

1.5504*10-4 1.5525*10-4 1.5526*10-4 1.5703*10-4 2.3988*10-

004

Tipos de catalizadores

Referencia Tipo Usos Caracteristicas Seguridad

Catalizador

activado de

niquel jni-a

100

Catalizador

activado de

niquel.

Embebido en

disterilamina,

presentado en

granulos

Puede ser usado en la

hidrogenacion de:

oleofinas, acetilenos,

nitrilos y nitro

componentes.

Forma solida, no

proforico.

Por debajo del

punto de

ablandecimiento

de la amina (-

60C) JNI-A100

no es piroforico.

Catalizador

activado de

niquel jni-1000

Catalizador

activado de

niquel,

catalizador

metalico tipo

esponja. En

suspensin

acuosa.

Puede ser usado en la

hidrogenacion de:

olefinas, acetilenos,

nitrilos,nitrocompuestos

aromaticos, aldehidos

y cetonas

Polvo gris a

negro,piroforico

JNI-1000 es

potencialmente

piroforico,cuando

es secado en

presencia de aire

se enciende y

puede ser fuente

de combustion

de materiales

flamables

expuestos.

Catalizador

activado de

niquel jni-1200

Catalizador

activado de

niquel,

catalizador

metalico tipo

esponja

promovido con

molibdeno. En

suspension

Polvo gris a negro,

piroforico.

Puede ser usado

en la

hidrogenacion de

nitrilos a aminas,

aldehidos a

alcoholes,

deshidrogenacion

de alcoholes a

cetonas, entre




acuosa otros usos.

ESQUEMA DEL PROCESO

Para determinar las relaciones que intervienen en el proceso. Se enfoca en las relaciones que

involucran en el reactor de lecho empacado.

Las reacciones que ocurren en la sntesis de metano a partir de CO2 e H2 son las siguientes:

Hidrogenacin de Monxido de carbono.

+ 32 4 + 2

2 + 22 4 + 2

De las reacciones mencionadas se utilizara la primera reaccin para un PBR, por que ser ms

eficiente y ms econmico y fcil de separar el vapor de agua generado en lugar del CO2.

Cintica qumica:

La nica expresin cintica encontrada para la sntesis de metano fue la encontrada en el libro

Ingeniera de las reacciones qumicas, Scott Fogler, tercera edicin esta solo fue posible hallarla

para la reaccin principal y con el inconveniente de que no presenta la constante especifica de

velocidad de reaccin como una funcin de la temperatura, y tampoco contamos con datos

experimental para determinarla. Para la reaccin secundaria no se encontr la expresin cintica.




4 =1.83102. 2

1/2.

1 + 1.52 4/( )

La cual depende de las presiones parciales de los reactivos, y se representa de acuerdo a la

siguiente forma.

= 0 . (2 1. ). (

0) . (

0

) .0. .

0. (1 + . )

2 = 20 . (2 1. ). (

0) . (

0

) .0. .

0. (1 + . )

Teniendo en cuenta la desviacin de la idealidad ocasionada por el efecto de la alta presin a la

cual trascurre la reaccin (20 bares), la cual se incluye en el factor de compresibilidad Z, donde el

volumen fue determinado a partir de la ecuacin cubica de estado de Peng Robinson.

En donde:

R=83.14, en bar*cm3/ (gmol*K)

P0=Presin inicial, en bar

T0= Temperatura inicial, en K

FT0=Flujo de Alimentacin en la Entrada, en mol/h

0=Flujo de Alimentacin de CO, en gmol/h

20=Flujo de Alimentacin de H2, en gmol/h

ei = Cambio en el numero de moles para la conversin entre el numero de moles

alimentados al reactor.

Z0= Factor de compresibilidad inicial.

V0= Flujo Volumtrico

Y las relaciones,

0 = . 0

20 = 2 . 0

2 =2

= .

0 = (0. 0. 0

)

0 = (0. 0. 0

0)

Anlisis termodinmico para la sntesis de metano




En el anlisis termodinmico se tuvo en cuenta el rango de temperatura que se cita en la literatura

bajo el cual se lleva a cabo la reaccin, este es entre 500 y 600 K y para la reaccin principal y

secundaria

+ 32 4 + 2

2 + 22 4 + 2

Cuya solucin se baso en las siguientes ecuaciones y correlaciones:

Relaciones termodinmicas

Se tuvo en cuenta el rango de temperatura que se cita en la literatura bajo el cual se lleva a cabo

la reaccin, este es entre 500 y 600 K y para la reaccin principal y secundaria.

Calculo de las capacidades calorficas

= + ( ) + ( ) 2 + ( ) 3

COMPUESTO CPVAP A CPVAP B CPVAP C CPVAP D DEL DEL

Monxido de

carbono 3.08E1 -1.285E-2 2.789E-5 -1.272.E-8 -1.106E5 -1.374E5

Hidrogeno - - - - - -

Metano 1.92E1 5.213E-2 1.197E-5 -1.132E-8 -7.490E4 -5.087E4

Agua 3.224E1 1.924E-3 1.055E-5 -3.596E-9 -2.420E5 -2.288E5

Donde:

Cp: Joule/mol*k

DEL 0 y DEL

0 : Joule / mol

Ecuaciones y constantes tomadas del libro de propiedades de gases y lquidos de Robert C. Reid

en las pg. 657, 668 y 671.

Calor de reaccin en funcin de la temperatura

() = + .

() = + ( ) +

2(2

2) +

3(3

3) +

4(4

4)

() = + . +

2. 2 +

3. 3 +

4. 4




Donde:

= (. +

2.

2 +

3.

3 +

4.

4)

= 298.15

= .

= .

= .

= .

: Coeficiente estequiometricos

Energa libre de Gibbs de formacin en funcin de la temperatura

(()

)

=

()

2

()

=

()

2

+

()

=

(

1

1

) . (

)

2. ( )

6. (2

2)

12. (3

3) +

()

=

. ()

2.

6. 2

12. 3 +

Donde:

=

+

. ()

2.

6. 2

12. 3 +

Constante de equilibrio en funcin de la temperatura

() = ()

=

+

. ()

2.

6. 2

12. 3

Entropa como una funcin de la temperatura

0 =0 0

Las graficas que se muestran a continuacin se obtuvieron por solucin numrica al

resolver las ecuaciones planteadas en el anlisis termodinmico mediante un programa

desarrollado.




Dado que la reaccin es exotrmica como se puede observar en la grafica esta se

favorece aun mas a bajas temperaturas, dado que el orden de magnitud es bastante alto

(109), para este rango la constante de equilibrio no es una limitante termodinmica; por lo

cual la temperatura a elegir seria 500 K, adems que econmicamente es mas rentable ya

que a menor temperatura menor costo.

Separacin del producto

De acuerdo a las reacciones observadas las cuales se llevan a cabo en fase gaseosa se

obtienen los subproductos dixido de carbono mas vapor de agua, estos pueden ser

separados por adsorcin (dixido de carbono) y por condensacin (vapor de agua).

Dado que solo fue posible encontrar la expresin de la velocidad de reaccin para la

primera reaccin, el nico subproducto fue vapor de agua para el cual se diseo un

condensador en base a la teora de condensadores capitulo 12 Transferencia de Calor,

Donald Kern




Parmetro Valor

Nt 108

Dimetro interno de coraza 0.38735 m

Numero de pasos por coraza 1

Espaciado de los deflectores 0.07747 m

Arreglo de tubos Cuadrado

Espaciado externo de tubos 0.0254 m

Dimetro externo de tubos 0.01905 m

Dimetro interno de tubos 0.015748 m

Fluido de servicio Agua

Temperatura promedio del fluido de

servicio

310 K

Longitud de los tubos 2.4384 m

BWG 16

Numero de pasos por tubo 6

Variables de salida de inters

Variables Medidas

Rd (pie2*F*h)/Btu

% de adicin de rea 27.8747

Cada de presin por coraza 0.2474 psi

Cada de presin por tubos 10.7060 psi

Clculos

Criterios

Productividad

Dado a que no fue posible encontrar la produccin mundial de metano, tomaremos la

decisin de producir (en el momento de disear el reactor) 208 toneladas/ao.

Condiciones de operacin, analizar el efecto de la presin y de la temperatura en la

constante de equilibrio

Del anlisis termodinmico la temperatura optima de trabajo es de 500 K, ya que para

este valor de temperatura el sistema presenta, la mxima constante de equilibrio, la

mxima energa de Gibbs del sistema con magnitud negativa, y el mximo grado de

desorden de las molculas de reactivos.




Sin embargo no fue posible disear el reactor teniendo en cuenta la segunda reaccin ya

que no contamos con la expresin cintica para esta, por lo cual nos veremos en la

obligacin de disear el reactor solo en funcin de la reaccin:

+ 32 4 + 2

La conversin alcanzada es cercana al 95%




ESPECIFICACIONES DEL REACTOR

Reactor de lecho empacado multitubular.

488 tubos distribuidos en arreglo triangular, cuyo espacion entre centros de tubos (Pt) es

de 0.0508m.

Los tubos, son de acero al carbn, de cedula 40 con un dimetro externo (De) de 0.04826

m y un diamtero de 0.040894m, son de tamao nominal de 2 1/2 (IPS); tienen una

longitud de 13.2182.

Los tubos estn contenidos en una coraza de dimetro interno 0.6858 m, y un espesor de

0.0254 m de acero al carbn.

Se cogi este material para ser trabajado pues es el que se recomendaba en la literatura

para este caso y para la presin a trabajar.

Documents

Simulacion Del Syngas