modelacion y simulacion dinamica de reac
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7/25/2019 Modelacion y Simulacion Dinamica de Reac
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MODELACION Y SIMULACION DINAMICA DE REACTORES DE
HIDROTRATAMIENTO CATALITICO
Fabin S. Mederos1, Jorge Ancheyta*1,2,Enrique Arce2
1Instituto Mexicano del Petrleo, Eje Central Lzaro Crdenas Norte 152,Col. San Bartolo Atepehuacan, Mxico D.F. 07730, Email: [email protected]
2ESIQIE-IPN, UPALM, Mxico D.F. 07738
Resumen
En este trabajo se describe un modelo dinmico heterogneo unidimensional de reactores de
hidrotratamiento de destilados del petrleo. Se consideran las principales reacciones:
hidrodesulfuracin (HDS), hidrodesnitrogenacin (HDN) e hidrodesaromatizacin (HDA). El
modelo dinmico se valid primero con datos experimentales obtenidos en un reactor piloto
isotrmico, y posteriormente se aplic para predecir el comportamiento dinmico de un reactor
industrial adiabtico. Los resultados de la simulacin se analizan en trminos de cambios en
perfiles de concentraciones, presiones parciales y temperaturas en funcin de la posicin axial en
el reactor y del tiempo, y concuerdan de manera adecuada con la informacin experimental
obtenida en estado estacionario.
1. Introduccin
El hidrotratamiento cataltico (HDT) es sin duda uno de los procesos ms importantes en la
industria de refinacin del petroleo desde los puntos de vista tcnico, econmico y ambiental. El
proceso de HDT se ha utilizado desde hace ms de 60 aos para reducir el contenido de
impurezas (azufre, nitrgeno, aromticos, etc.) en los combustibles y con esto cumplir las normas
legales en cuanto a emisiones a la atmsfera. Las regulaciones para el futuro cercano indican que
se tendrn que producir los llamados combustibles de ultra-bajo azufre (30 ppm en gasolina y 15
ppm en diesel) [1], para lo cual, aparte de otros cambios en reactores y catalizadores, se deber
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IMIQ - 2006 SECCIN 2-3
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incrementar la severidad de la planta de HDT [2-4]. Esto alterar el comportamiento de los
reactores de HDT, y es aqu donde la disponibilidad de informacin experimental detallada y/o
modelos matemticos de simulacin, resulta primordial para entender los fenmenos que ocurren
en los reactores, con el propsito principal de establecer las condiciones de operacin ms
adecuadas.
Basado en esta necesidad, el objetivo del presente trabajo es describir e ilustrar el uso de un
modelo dinmico de reactores de hidrotratamiento cataltico.
2. Modelo del reactor de HDT
Se utiliz un modelo heterogneo unidimensional de tres fases que se basa en la teora de dos
capas. Se emplean diferentes correlaciones reportadas en la literatura para determinar coeficientes
de transferencia de masa y calor, solubilidades y propiedades de lquidos y gases bajo
condiciones de reaccin [5].
El modelo del reactor considera que no existen reacciones en la fase gas, slo en el lecho
cataltico. Las ecuaciones dinmicas fundamentales son las siguientes.
Balance de materia.
Compuestos gaseosos:
=
Li
i
G
iL
L
i
G
iG
G
iG CH
pak
z
p
RT
u
t
p
RT
(1)
parai=H2,H2S, NH3.
Compuestos gaseosos en la fase lquida:
( SiLiSSiLii
G
iL
L
i
L
iL
L
iL CCakC
H
pak
z
Cu
t
C
+
=
) (2)
parai=H2,H2S, NH3.
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Compuestos lquidos:
( SiLiSSiL
iL
L
iL CCak
z
Cu
t
C
=
) (3)
para i= S,HC,NB,NNB,A
Reaccin qumica:
( ) ( ) ( SSijjBSiLiSSiS
ip TCrCCak
dt
dC,...,1 = ) (4)
para i=H2,H2S,NH3, S,HC,NB,NNB,A
j=HDS,HDNNB,HDNB,HDA
Balance de energa
Fase lquida
( SLSLSL
pLLLL
pLLL TTahz
Tcu )
t
Tc
=
(5)
Fase slida
( ) ( ) ( )( ) +=
j
jRSSijjBSLSLS
SpSS HTCrTTah
t
Tc ,...,1 (6)
Cintica de las reacciones
Hidrodesulfuracin
)(2)()(2)( 22 GasSHLiqHCGasHLiqSSHHCHS ++ (7)
Hidrodesaromatizacin
BAr
f
k
k
(8)
Hidrodesnitrogenacin
3NHHCNNBHDNNBHDN
k
B
k
NB + (9)
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Las expresiones cinticas para estas reacciones se presentan en la Tabla 1 [6-7] .
Tabla 1. Modelos cinticos para reacciones de HDS, HDA, HDNNBy HDNB
Reaccin Modelo cintico
HDS ( )( )( )2
45.0
22
2
1 S SHSH
S
H
S
S
HDSHDS
CK
CCkr
+=
HDA SAr
S
AHfHDA CkCpkr = 12
HDN
Nitrgeno no bsico
Nitrgeno bsico
( ) 5.1SNHDNHDN NBNBNB Ckr =
( ) ( ) 5.15.1 SNHDNSNHDNHDN BBNBNBB CkCkr =
3. Resultados y discusin
3.1Modelacin dinmica del reactor piloto isotrmico
La Figura 1 muestra el perfil de contenido de azufre en el producto a la salida del reactor en
funcin del tiempo. Los perfiles para las otras impurezas son similares. Una cantidad pequea del
producto hidrotratado se detecta a la salida del reactor a 250 s (0.07 h), que corresponde al tiempo
medio de residencia dado por la velocidad intersticial de la fase lquida (uL= uL/L); despus de
esto, las concentraciones empiezan a incrementar y finalmente alcanzan el estado estacionario a
2300 s (0.64 h). El valor experimental obtenido se muestra con el smbolo . Al comparar los
valores predichos con los experimentales se determinaron errores absolutos promedio menores a
1.5%.
Los resultados del estado estacionario obtenido por simulacin dinmica usando el modelo
desarrollado en este trabajo, corresponden adecuadamente a los determinados experimentalmente
a la salida del reactor, por lo que queda demostrado que el modelo representa de manera
apropiada los resultados experimentales obtenidos a escala piloto en operacin isotrmica.
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.2 Modelacin dinmica del reactor comercial adiabtico
Una rimental
mico de un reactor industrial. La
Fi
Modelacin dinmica del reactor comercial adiabtico
Una rimental
mico de un reactor industrial. La
Fi
0.0E+00
1.0E-06
2.0E-06
3.0E-06
4.0E-06
5.0E-06
6.0E-06
7.0E-06
8.0E-06
9.0E-06
1.0E-05
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Tiempo, s
Azufre,mol/cm
3
0.0E+00
2.0E-08
4.0E-08
6.0E-08
8.0E-08
1.0E-07
1.2E-07
1.4E-07
0 100 200 300 400 500 600
0.0E+00
1.0E-06
2.0E-06
3.0E-06
4.0E-06
5.0E-06
6.0E-06
7.0E-06
8.0E-06
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Tiempo, s
Azufre,mol/cm
3
9.0E-06
1.0E-05
0.0E+00
2.0E-08
4.0E-08
6.0E-08
8.0E-08
1.0E-07
1.2E-07
1.4E-07
0 100 200 300 400 500 600
Figura 1. Contenido de azufre en el producto a la salida del lecho cataltico en el reactor piloto
en funcin del tiempo (z=31.58 cm, 380C, 5.3 MPa, uL=1.7510-2cm/s, uG=0.28 cm/s).
3
vez que el modelo dinmico del reactor de HDT se valido con informacin expevez que el modelo dinmico del reactor de HDT se valido con informacin expe
de planta piloto, se aplico para predecir el comportamiento dinde planta piloto, se aplico para predecir el comportamiento din
gura 2 ilustra los resultados de simulacin dinmica del reactor comercial para la reaccin de
HDS, en donde tambin se incluyen los resultados para el reactor piloto. Se puede observar que el
estado estacionario en el reactor comercial se alcanzar ms rpido que en el reactor piloto, lo cual
se debe a las condiciones de reaccin, particularmente el LHSV y la relacin uG/uL. Existen
algunas diferencias en los perfiles de concentracin de azufre en ciertos periodos de tiempo antes
de que se alcance el estado estacionario en el reactor piloto y en el reactor comercial, las cuales se
pueden atribuir a la temperatura constante en el primero (operacin isotrmica) y a la temperatura
variable en el segundo (operacin adiabtica).
gura 2 ilustra los resultados de simulacin dinmica del reactor comercial para la reaccin de
HDS, en donde tambin se incluyen los resultados para el reactor piloto. Se puede observar que el
estado estacionario en el reactor comercial se alcanzar ms rpido que en el reactor piloto, lo cual
se debe a las condiciones de reaccin, particularmente el LHSV y la relacin uG/uL. Existen
algunas diferencias en los perfiles de concentracin de azufre en ciertos periodos de tiempo antes
de que se alcance el estado estacionario en el reactor piloto y en el reactor comercial, las cuales se
pueden atribuir a la temperatura constante en el primero (operacin isotrmica) y a la temperatura
variable en el segundo (operacin adiabtica).
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origina una reduccin de temperatura del mismo. A 1000 s se obtuvieron resultados similares,
pero en este caso el decremento en temperatura se observa a mayor longitud del reactor. Para
tiempos mayores a 1000 s este comportamiento ya no se present.
0.0E+00
5.0E-06
1.0E-05
1.5E-05
2.0E-05
2.5E-05
3.0E-05
3.5E-05
4.0E-05
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Longitud del Reactor z , cm
Azufre,mol/cm
3
Figura 3. Contenido de azufre en el producto en funcion del tiempo y longitud del reactor.
(lneas) simulacin reactor comercial, () reactor piloto
---- 60s, ---- 500 s ---- 1000 s 2000 s
0
1000
2000
3000
4000
5000
0
200
400
600
800
1000
375
380
385
390
395
400
Tiempo,s
CoordenadaAxial,cm
Temper
aturadelafaselquida,
C
0
1000
2000
3000
4000
5000
0
200
400
600
800
1000
375
380
385
390
395
400
Tiempo,s
CoordenadaAxial,cm
Temper
aturadelafaselquida,
C
Figura 4. Variacin de la temperatura del reactor comercial en funcin
del tiempo y longitud del lecho cataltico
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Conclusiones
Se desarroll un modelo de tres fases heterogneo unidimensional para la simulacin dinmica
de reactores de hidrotratamiento, que incluye las principales reacciones de hidrotratamiento:
H
obtenidos a escala piloto, encontrndose desviaciones promedio menores a
1.
mos resultados del modelo dinmico, este ltimo corrindolo a tiempos prolongados. Se
en
eratura axiales en el reactor. Este fenmeno causo una reduccin en
la
)Kemsley, J. C&EN, Oct. 27 2003, 40 41.
L.; Varraveto, D. M.Ptq Summer1999, 37 44.
, J.Ptq Summer2001, 51 56.
. 7 2004, 15 18.
, 20, 936 - 945.
DS, HDN y HDA.
El modelo dinmico es capaz de simular modos de operacin isotrmico y no-isotrmico, y se
valid con resultados
5 %.
La solucin del modelo considerando slo las ecuaciones en estado estacionario proporcion
los mis
contr que el estado estacionario fue ligeramente mayor para el reactor piloto (2300 s) que para
el reactor comercial (2000 s).
Para tiempos cortos (< 1000 s), se observ el comportamiento wrong-way cuando se
simularon los perfiles de temp
temperatura del reactor en la parte final del mismo. Para tiempos cercanos o mayores al del
estado estacionario, este comportamiento no se observ.
Referencias
(1
(2)Irvine, R.
(3)Lamourelle, A. P.; Nelson, D. E.; McKnight
(4)Palmer, R. E.; Torrisi, S. P.Ptq Revamps & Operations, Feb
(5)Mederos, F.S.; Rodrguez, M.A.; Ancheyta, J.; Arce, E.,Energy Fuels 2006
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(6)Yui, S. M.; Sanford, E. C. 1985 Proceedings Refining Department: 50th Midyear Meeting
(7) ai, A. K.; Adjaye, J.Energy Fuels2001, 15, 377 383.
(Kansas City, MO, May 13-16, 1985); American Petroleum Institute: Washington, DC, 1985;
pp 290 297.
Bej, S. K.; Dal
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