11. PROCESO DE ALQUILACION 1. OBJETIVOS 1.1. Simular en estado estacionario, un proceso de Alquilación asistido por HYSYS. 1.2. Analizar sistemas de reacción con sistemas de separación en serie. 1.3. Analizar el efecto de modificaciones en el comportamiento del proceso. 2. INTRODUCCION En esta práctica se analiza un proceso complejo de múltiples unidades, que se caracteriza por tener varias operaciones unitarias y dos corrientes de reciclo. Hay una sección de reacción que consiste en tres reactores CSTR en serie y uno de los alimentos se divide entre los tres reactores. El otro alimento se mantiene en exceso por medio de un gran corriente de reciclo. Los tres reactores operan a bajas temperaturas y por esta razón se necesita de refrigeración para eliminar el calor exotérmico de la reacción. El enfriamiento del reactor se realiza por auto refrigeración (enfriamiento por medio medio de evaporación). El líquido que hierve dentro del reactor genera una corriente de vapor, y el calor latente de vaporización elimina el calor exotérmico de la reacción y enfría al reactor a la temperatura deseada. Las corrientes de alimento contienen componentes inertes y tienen que separarse de los reactivos y de los productos. La sección de separación tiene tres columnas de destilación.
3. PROCESO ESTUDIADO El proceso que estudiaremos es el proceso de alquilación del isobutano con el buteno para formar iso-octano. Este proceso es bastante usado para producir un componente de alto octanaje para las mezclas de gasolina.
iC 4
+
=
C 4
→
iC 8
El iso-octano tiene un número de octano de 100, de modo que es valiosos para producir gasolinas de alto octanaje para motores de alta compresión (elimina la preignición) El proceso de alquilación se comercializó un poco antes de la segunda guerra mundial y suministró la gasolina de alto octanaje para los aviones que participaron en este histórico conflicto. Este proceso todavía se usa extensivamente en muchas refinerías en el mundo como un medio de mejorar la calidad de los componentes livianos y para producir un material no aromático de alto valor para las mezclas de gasolina
3.1. PAQUETE FLUIDO 3.1.1.
COMPONENTES: Iso-Butano, Buteno, Butano, Iso-Octano, Propano y
Dodecano
3.1.2. ECUACION: Peng Robinson 3.1.3. REACCIONES 3.1.3.1. Tipo: Cinético 3.1.3.2. Estequiometría: Iso-Butano + Buteno
Iso-Octano + Buteno
Iso-Octano Dodecano
3.1.3.3. Base: Para ambas reacciones la Base es la Concentración de los componentes que participan en las reacciones; los componentes bases Iso-Butano, Buteno e IsoOctano (2 M-Heptane); la fase de la reacción es Liquido y las unidades bases son 3 3 lbmol/hr-pie para la velocidad de reacción, lbmol/pie para la concentración y ºR para la temperatura.
3.1.3.4. Parámetros Cinéticos Los parámetros cinéticos se toman del Mahajanam et al. (Ind. Eng. Chem. Res. 2001, 40, 3208). Estas reacciones son irreversibles y ocurren en fase liquida. Las expresiones cinéticas son: 28000
R1
=
13
9.6 × 10 e
RT
C iC 4 C C
=
4
35000
R2
=
17
2.4 × 10 e
RT
C iC 8 C C
=
4
3
donde las velocidades de reacción están en lbmol/hr-pie , Btu/lbmol para la Energía de Activación y Ranking [ºR] para la temperatura.
3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de alquilación terminada la simulación.
3.2.1. DESCRIPCION La corriente de reciclo de 495.4 lbmol/hr, con composiciones de 3.5% molar de propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de butano y 1.6% molar de butano normal; se mezcla con una corriente BB1, que contiene 25 lbmol/hr con composiciones de 5% molar de propano, 20% molar de isobutano, 60% molar de butano y 15% molar de butano normal.
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3
Esta mezcla alimenta el primero de tres reactores tipo CSTR con un volumen de 100 pie y con un 80% de líquido. El líquido efluente del primer reactor pasa al segundo reactor, se mezcla con la corriente BB2, que tiene las mismas especificaciones de BB1, para alimentar el segundo reactor, cuyo efluente líquido alimenta al tercer reactor. Las corrientes gaseosas provenientes de cada reactor, que contienen la mayor parte del propano, pasan a un separador. Con el fin de condensar la corriente gaseosa con agua de enfriamiento que sale del separador, se la lleva a un compresor, al que se le asigna una presión de salida de 100 psia, y se coloca el condensador que trabaja con el agua de enfriamiento y el tanque de separación. El líquido que sale del tanque es bombeado a una presión de 225 psia y llevado hasta la columna despropanizadora. Esta columna trabaja con 30 platos y es alimentada en el plato 21, trabaja con presiones de 203 psia en el fondo y de 200 psia en el tope y se colocan como especificaciones una razón de reflujo de 14 y un flujo de destilado de 4.4 lbmol/hr para que pueda converger.
Figura 1. Diagrama de flujo de un Proceso de Alquilación.
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El efluente liquido de la sección de reacción se calienta en un intercambiador de calor, que calienta al efluente del reactor y enfría a la corriente de reciclo. Esto reduce los requerimientos de refrigeración y el consumo de vapor de la columna de destilación que se 2 encuentra aguas abajo. El intercambiador de calor tiene un área de 500 pie , con un 2 coeficiente global de transferencia de 100 Btu/hr-pie -ºF. La columna Desisobutanizadora produce en su destilado, una corriente de reciclo bastante rica en Isobutano, que luego es reciclado a la sección de reacción. La columna tiene 50 platos, opera a 80 psia en el condensador y a 85 psia en el Rehervidor, y con una razón de reflujo de 2. El efluente del reactor se alimenta a la columna en el plato 16. Hay una segunda corriente de alimento que es alimentada en el plato 25 después de pasar por una válvula , tiene una presión de 125 psia y 90ºF y sus composiciones son: 35% de butano normal, 5% de propano y 60% de isobutano. Se coloca como especificaciones la razón de reflujo y 0.005 como la fracción molar de isobutano en el fondo de la columna. De esta manera se introduce alimento en la zona de reacción y en la zona de separación. El producto de fondo de la Desisobutanizadora se alimenta a la columna Desbutanizadora, de la que sale butano normal por la cima, y como producto de fondo sale iso-octano con algo de Dodecano como impureza. Esta columna opera a 60 psia en el Condensador y a 62 psia en el Rehervidor. La columna de destilación posee 15 platos y la corriente de alimentación entra en el plato 7. Las especificaciones de esta columna son: una razón de reflujo de 0.5 y una fracción molar de 0.001 de n-butano en el fondo de la columna. De esta manera el diagrama consta de dos corrientes de reciclo, tres reactores, tres columnas y un intercambiador de calor.
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las corrientes de alimento se asume una corriente ( HxHEnt ) y se simula primero el lazo de reciclo RCY-1 y luego el lazo RCY-2.
Alimentación: Instale las corrientes BB1 y BB2 y asígneles como especificaciones 90ºF, 100 psia, 25 lbmol/h, 5% molar de propano, 20% molar de isobutano, 60% molar de butano y 15% molar de butano. Conecte estas corrientes a las válvulas V1 y V2, respectivamente, con una caída de presión 69 psi, para ambas válvulas. Instale la corriente Reciclo con especificaciones 85ºF, 95 psia y 495.4 lbmol/h, y con concentraciones de 3.5% molar de propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de butano y 1.6% molar de isobutano. Conecte esta corriente a una válvula V3, con una caída de presión de 64 psi. Alimente las corriente BB1 y Reciclo al mezclador M1 y denomine Sale_M1 a su corriente de salida, la cual debe estar completamente especificada junto con el mezclador.
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SISTEMA DE REACCION: Primer reactor CSTR (ReactUno): Instale un reactor CSTR de nombre ReactUno , a este reactor se alimenta la descarga del mezclador, la corriente Sale_M1 . El reactor genera dos corrientes, una liquida ( LR1) y una corriente vapor (VR1). En la página Parámetros de la 3 pestaña Design, asígnele al reactor un volumen de 100 ft y un nivel de líquido de 80%. Instale la válvula V12 y conecte LR1, asígnele una caída de presión de 1 psi y una corriente de descarga Sale_V12 , haga el mismo procedimiento con la corriente VR1 y asígnele una caída de presión a la válvula V11 de 11 psi y una corriente de descarga Sale_V11 .
Segundo reactor CSTR (ReactDos): Instale un segundo reactor CSTR de nombre ReactDos. Aliméntelo con la corriente Sale_M2 que resulta de la mezcla de BB2 y LR1, en el mezclador M2. Este reactor al igual que ReactUno, genera dos corrientes, LR2 y VR2. Este reactor posee las mismas dimensiones y nivel del reactor ReactUno . Instale la válvula V21 y conecte LR2, asígnele una caída de presión de 1 psi y una corriente de descarga Sale_V21 haga el mismo procedimiento con la corriente VR2 y asígnele una caída de presión a la válvula V22 de 10 psi y una corriente de descarga Sale_V22 .
Tercer reactor (ReactTres): Instale un tercer reactor CSTR de nombre ReactTres . Aliméntelo con la corriente Sale_V21 que proviene del segundo reactor . Este reactor genera dos corrientes, LR3 y VR3. Este reactor posee las mismas dimensiones y nivel de los otros dos reactores. Instale la válvula V32 y conecte VR3, asígnele una caída de presión de 9 psi y una corriente de descarga Sale_V32.
Bombeo liquido 1: Instale una bomba con el nombre de B1 y aliméntela con la corriente LR3 y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B1. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 71 psi. Instale una válvula V31 a la descarga de la bomba y asígnele una caída de presión de 13 psi.
DESPROPANIZADORA (Preparación del alimento a la columna): Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador . Conéctelo con las corrientes Sale_V12, Sale_V22 y Sale_V32 como alimento y las corrientes Vap_Sep y Liq_Sep como corrientes de salida.
Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la corriente Vap_Sep y como descarga la corriente Descarga , además de la conexión de la corriente de energía HP_Comp. Asigne a la corriente de descarga una presión de 100 psi.
Condensador: Instale un Cooler para simular un condensador con el nombre de Cond . Aliméntelo con la corriente Descarga y descárguelo con la corriente Sale_Cond y conéctele una corriente de energía de nombre Q_Cond . En la página Parámetros de la pestaña Design asigne una caída de presión de 5 psi y en la página Conditions de la pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113.1 ºF a la corriente Sale_Cond .
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Tanque: Instale un tanque con el nombre de Tanque. Conéctelo con la corriente Sale_Cond como corriente de alimento y las corrientes VapTanq y LiqTanq como corrientes de salida. Instale una válvula V13 en la corriente VapTanq con una caída de presión de 5 psi.
Bombeo liquido 3: Instale una bomba con el nombre de B3 y aliméntela con la corriente LiqTanq y en la descarga Sale_B3, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B3. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 130 psi. Instale una válvula V5 a la descarga de la bomba y asígnele una caída de presión de 20 psi.
Despropanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de Desprop y mediante la guía de asistente especifique en su primera página 30 platos y condensador total, conéctela con la corriente Sale_V5 ; corrientes de salida Vent2 y Fond2 y corrientes de energía QCond2 y QReh2. La corriente Sale_V5 entra en el plato 21. Asigne las presiones de 200 psia y 203 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 14. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 4.4 lbmol/h como flujo en el destilado ( Vent2 ). Cierre la ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y el flujo de destilado. La columna Desprop debe converger satisfactoriamente. Instale una válvula para cada corriente de salida de la columna, V9 para Vent2 y V8 para Fond2 y asígnele como caída de presión 50 psi y 103 psi, respectivamente.
LAZO DE RECICLO RCY-1: Corriente entrada en la coraza (HxHEnt): Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes especificaciones supuestas: 121.3ºF, 100 psi, 499.4 lbmol/h, 3.5% molar de Propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de buteno y 1.6% molar de butano.
Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo FEHE . Conecte por los tubos la corriente Sale_V31 y como corriente de salida HxCSale . Conecte por la coraza la corriente HxHEnt y como corriente de salida HxHSale . En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 5 psi tanto para los tubos como para la coraza y digite 50000 Btu/ºF-h al Overall UA.
Segunda Corriente de alimento a DesIsoBut (C4Sat): Instale la corriente de alimentación con nombre C4Sat y asígnele las siguientes especificaciones: 90ºF, 125 psi, 65 lbmol/h, 5% molar de propano, 60% molar de isobutano y 35% molar de n-butano.
Desisobutanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de DesIsoBut y mediante la guía de asistente especifique en su primera página 50 platos y condensador total, conéctela con las corrientes Sale_V4 y HxCSale ; corrientes de salida Dest1 y Fond1 y corrientes de energía QCond1 y QReh1. Las corrientes Sale_V4 y HxCSale entran en los
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platos 25 y 16, respectivamente. Asigne las presiones de 80 psia y 85 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 2. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 0.005 como fracción molar de isobutano en el Rehervidor. Cierre la ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y la fracción de isobutano en el Rehervidor. La columna DesIsoBut debe converger satisfactoriamente. Instale una válvula V7 para la corriente de salida Fond1, y asígnele como caída de presión 20 psi.
Bombeo liquido 2: Instale una bomba con el nombre de B2 y aliméntela con la corriente Dest1 y en la descarga Sale_B2, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B2. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 100 psi.
Mezclador: Instale un mezclador de corrientes con el nombre M3. Aliméntelo con las corrientes Sale_V8 y Sale_B2 y descárguelo con la corriente Sale_M3.
Botón de Reciclo RCY-1: Instale el botón de reciclo y asigne como carga las corrientes Sale_M3 y como descarga la corriente HxHEnt . El lazo de reciclo RYC-1 convergerá satisfactoriamente.
Desbutanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de DesBut y mediante la guía de asistente especifique en su primera página 15 platos y condensador total, conéctela con la corriente Sale_V7 ; corrientes de salida Dest3 y Fond3 y corrientes de energía QCond3 y QReh3. La corriente Sale_V7 entra en el plato 7. Asigne las presiones de 60 psia y 62 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 0.5. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de n-butano en el Rehervidor. Cierre la ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y la fracción de n-butano en el Rehervidor. La columna DesBut debe converger satisfactoriamente. Instale las válvulas V14 y V15 para las corrientes de salida Fond3 y Dest3, y asígneles como caída presión 22psi y 30 psi, respectivamente.
LAZO DE RECICLO RCY-2: Botón de Reciclo RCY-2: Instale el botón de reciclo y asigne como carga las corrientes HxHSale y como descarga la corriente Reciclo . satisfactoriamente.
El lazo de reciclo RCY-2 convergerá
5. RESULTADOS La Figura 2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones de todas las corrientes del diagrama de flujo después de colocados los reciclos.
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6. CASOS DE ESTUDIO 6.1. ¿Qué cambios sugiere usted para aumentar la calidad del iso-octano? ¿Qué pasaría si se aumentan o disminuyen las corrientes de alimento BB1, BB2 y C4Sat ? 6.2. Al observar que la corriente liquida del separador de fases es cero, ¿Qué pasaría si se reemplaza este separador por un mezclador?
Figura 2. Libro de trabajo con especificaciones de las corrientes.
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