Ing. de las reacciones 2

20. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una reacción de equilibrio 1.2. Construir conjuntos de reacciones y anexarlos a un paquete fluido 1.3. Simular una planta para producir una mezcla de gases para obtener amoníaco 2. INTRODUCCION Los modelos de reactores de equilibrio suministran una mejor descripción que los reactores de conversión en muchos procesosindustriales y, además, permiten la realización de cálculos termodinámicos compatibles con las bases de datos de simulación de procesos. Para una reacción sencilla del tipo

aA + bB ↔ cC + dD
La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación

(20.1)

( fC )c ( f D )d ⎛ ∆Grxn (T ) ⎞ = K = exp⎜ − ⎟ RT ⎠ ( f A ) a ( f B )b ⎝

(20.2)

Siendo fi, la fugacidaddel componente i y, donde para la anterior reacción (1), el cambio de energía libre de Gibbs, ∆Grxn , se calcula por la ecuación

∆Grxn = (c∆G f ,C + d∆G f ,D ) − (a∆G f , A + b∆G f ,B )

(20.3)

Para reacciones en fase gaseosa a baja presión, la fugacidad puede reemplazarse por las presiones parciales, lo que a su vez permite calcular la constante de equilibrio en términos de la presióntotal, P, y de la composición, “y”, de los componentes de la mezcla reaccionante en equilibrio, de acuerdo a la siguiente ecuación

KP

(a +b−c −d )

( yC ) c ( y D ) d = ( y A )a ( yB )b

(20.4)

3. PROCESO ESTUDIADO La producción de gas de síntesis es una parte importante e interesante dentro del proceso global de la síntesis de amoníaco. La conversión del gas natural en alimento para unaplanta de amoníaco es modelada usando tres reacciones de conversión y una reacción de equilibrio. Para facilitar la producción de amoníaco, la relación molar de hidrógeno a nitrógeno en el gas de síntesis se controla en un valor aproximado de 3:1. Esta relación representa las cantidades estequiométricas requeridas de los reaccionantes en el proceso de síntesis de amoníaco. En un proceso de gas desíntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones de conversión y equilibrio no pueden colocarse en el mismo conjunto de reacciones y, por lo tanto, no se pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores, uno de conversión de nombre R-101 y otro de equilibrio denominadoR-102 En esta simulación, un gas natural previamente desulfurizado se alimenta a un primer reactor reformador de tipo conversión, R-100, donde reacciona con vapor de agua, para producir el hidrógeno que se requiere en el gas de síntesis. Las reacciones de reformado del gas natural conforman un conjunto denominado “Reformador Rxn Set” y su estequiometría es la siguiente:

Rxn − 1 : CH 4 + H 2 O →CO + 3H 2 Rxn − 2 : CH 4 + 2 H 2 O → CO2 + 4 H 2
En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción Rxn-2 es del 30 % El vapor que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor de tipo conversión, R-101, donde además de las dos reacciones de reformado, el metano combuste con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. Lareacción de combustión del metano es la siguiente:

Rxn − 3 : CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2 O

El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación deseada H2 / N2 en el gas de síntesis. El oxígeno del aire es consumido completamente en la reacción de combustión mientras que el nitrógeno inerte pasa a través del sistema. La

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reacción es de unaconversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 conforman un conjunto denominado “Combustor Rxn Set” La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consume. El tercer reactor es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se establece...