Figura 1. Proceso de síntesis de urea a partir de Amoniaco y Dióxido de Carbono.
Figura 2. Tabla de cada una de las propiedades generadas por el programa Hysys.
Figura 2. Tabla de cada una de las propiedades generadas por el programa Hysys.
Figura 3. Tabla de las composiciones molares en cada una de las corrientes para los componentes en el proceso de síntesis de Urea.
Figura 3. Tabla de las composiciones molares en cada una de las corrientes para los componentes en el proceso de síntesis de Urea.
En la Figura 1 se observa el proceso de síntesis de Urea a partir de Amoniaco (NH 3) y Dióxido de Carbono (CO 2). Del tanque 1 que se encuentra a 448,2 kPa de presión se transporta agua hasta un tanque aéreo presurizado, cuya presión es 674,8 kPa con la ayuda de una bomba de eficiencia 75% a razón de 997,1 kgmol/h de agua a 20 ºC, de este último tanque el flujo es enviado a dos corrientes en proporciones iguales, una a la sección de síntesis de alta presión para mantener al reactor de síntesis de urea a una temperatura optima, por esa esta corriente es pasada por un intercambiador que la lleva hasta 5 ºC ya que la reacción que se lleva a cabo en el mismo es altamente exotérmica. Por otro lado, la otra corriente en enviada para ser calentada con el mismo calor que se retira de una corriente de amoniaco para que el mismo pueda entrar al reactor de síntesis a una temperatura adecuada, esta agua luego se almacena en un tanque para servicios industriales. La ultima corriente que entra a la sección es la de CO2, la cual viene de los yacimientos a -80 ºC y 3,923 kPa, este es pasado por un compresor de 75% de eficiencia, y finalmente entra al reactor a 4,088 kPa. Luego de la sección de alta presión la Urea y el Agua que se generan son llevadas a la sección de síntesis de baja presión, pero antes pasan por un intercambiador de calor para ser llevada la corriente a 183,9 ºC. La información de cada corriente se muestra a continuación:
AGUA:
En la Figura 1 se observa el proceso de síntesis de Urea a partir de Amoniaco (NH 3) y Dióxido de Carbono (CO 2). Del tanque 1 que se encuentra a 448,2 kPa de presión se transporta agua hasta un tanque aéreo presurizado, cuya presión es 674,8 kPa con la ayuda de una bomba de eficiencia 75% a razón de 997,1 kgmol/h de agua a 20 ºC, de este último tanque el flujo es enviado a dos corrientes en proporciones iguales, una a la sección de síntesis de alta presión para mantener al reactor de síntesis de urea a una temperatura optima, por esa esta corriente es pasada por un intercambiador que la lleva hasta 5 ºC ya que la reacción que se lleva a cabo en el mismo es altamente exotérmica. Por otro lado, la otra corriente en enviada para ser calentada con el mismo calor que se retira de una corriente de amoniaco para que el mismo pueda entrar al reactor de síntesis a una temperatura adecuada, esta agua luego se almacena en un tanque para servicios industriales. La ultima corriente que entra a la sección es la de CO2, la cual viene de los yacimientos a -80 ºC y 3,923 kPa, este es pasado por un compresor de 75% de eficiencia, y finalmente entra al reactor a 4,088 kPa. Luego de la sección de alta presión la Urea y el Agua que se generan son llevadas a la sección de síntesis de baja presión, pero antes pasan por un intercambiador de calor para ser llevada la corriente a 183,9 ºC. La información de cada corriente se muestra a continuación:
AGUA: Corriente 1: Corriente de alimentación al tanque 1. Flujo de agua: 997,1 kgmol/h Temperatura: 20 ºC Presiòn: 448,2 kPa Corriente 2: No se necesitan o no es necesario tener información de la misma ya que no se evapora agua en el tanque 1. Corriente 3: Corriente de salida del tanque 1. Temperatura: 20 ºC Presión: 448,2 kPa Corriente 5: Corriente de descarga de la bomba. Presión: 674,8 kPa Corriente 8: Corriente que se utilizará como medio enfriador en el reactor de síntesis de Urea de la sección de síntesis de alta presión. (luego del intercambiador de calor 1) Temperatura: 5 ºC Corriente 9: Corriente que se utilizará como agua de servicios industriales. (luego del intercambiador de calor 2)
Temperatura: 40 ºC
DIOXIDO DE CARBONO: Corriente 4: Corriente proveniente de los almacenes de CO 2 Flujo: 202,5 kgmol/h Presión: 3,923 kPa Temperatura: -80ºC Corriente 10: Corriente de descarga de la turbina Presión: 4,088 kPa AMONIACO: Corriente 11: Corriente proveniente del almacén de NH3 Flujo: 1172 kgmol/h Presión: 60 kPa Temperatura: -30ºC Corriente 14: Corriente a la salida del intercambiador de calor 3 Temperatura: -43,45ºC
UREA + AGUA: Corriente 15: Corriente de salida del reactor de síntesis Flujo: 363,6 kgmol/h Presión: 1,471E+4 kPa Temperatura: 205 ºC Corriente 16: Corriente a la salida del intercambiador de calor 4 Temperatura: 183,9 ºC De acuerdo a todos estos datos se quiere saber: 1. Flujo de calor en cada uno de los intercambiadores de calor 2. Potencia consumida por la bomba y compresor.
RESULTADOS Tabla 1. Flujo de calor de cada uno de los intercambiadores pertenecientes al proceso de síntesis de urea a partir de Amoniaco y Dióxido de Carbono INTERCAMBIADOR FLUJO DE CALOR (kJ/h) 1 5,619E+5 2 5,575E+5 3 5,575E+5 4 1,000E+6 Tabla 2. Potencia consumida por la bomba y compresor pertenecientes al proceso de síntesis de urea a partir de Amoniaco y Dióxido de Carbono DISPOSITIVO MECÁNICO POTENCIA (kW) BOMBA 1,491 COMPRESOR 5,000
DISCUSIONES Se debe explicar que inicialmente se quería simular el proceso de síntesis de urea incluyendo el reactor, pero debido a que a la hora de simularlo todos los reactores (CSTR, PFR, GR) nos arrojaban error y no se pudo compilar el mismo, se decidió ver al reactor de síntesis como una caja negra, ya que se conocen las condiciones de entradas y salidas del mismo, los errores se debieron seguramente a las siguientes suposiciones: El reactor de síntesis se comporta PFR (reactor de flujo tapón o pistón), donde ocurren dos reacciones en serie para la formación de la urea. Para el diseño de dicho reactor se tomaron en cuenta las siguientes consideraciones:
Reactor adiabático, isobárico e isotérmico.*
Volumen del reactor constante.*
Flujo molar total de los reactivos, F T=506,40 gmol/s
Las Constantes de las Reacciones K 1=1E-7 s /(gmol ·m ), K2=1E-7 s/(gmol ·m )*
Que todo el carbamato se convierte en Urea y agua, es decir la conversión de la
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segunda reacción es de un 100%*
Temperatura de operación: 180 °C
Presión de operación: 152 kg f /cm
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Las reacciones que se llevan a cabo dentro del reactor son las siguientes:
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(1) (2) (3) Se puede observar que se sumaron las reacciones de la formación del carbamato con la descomposición de la misma, para la reacción (1), la conversión de la misma se supuso de un 90%, mientras que la reacción (2) la misma tendrá un alto rendimiento por lo que se supondrá que la conversión de la misma será alta (X≈1), por la que se dirá que la conversión deseada global para la reacción (3) será de 90%, y esta será la que se utilizará para diseñar el reactor. Teniendo como reactivo límite el CO2.
(*) Condiciones supuestas. Particularmente la que ocasiono mayor error sería la de suponer que todo el carbamato se disocia en urea y agua, esto se hizo ya que no se disponían de las propiedades del carbamato, cabe destacar que este reactor se diseñó en la materia “Diseño de Procesos” obteniendo un reactor de ciertas dimensiones, pero como hay un dicho popular: “El papel lo aguanta todo”, podemos verificar a la hora de simularlo que
no es posible tener y/o diseñar realmente un reactor con esas suposiciones. Por lo que se quiso luego hacer un análisis energético del mismo proceso, es decir a los intercambiadores de calor y dispositivos mecánicos pertenecientes al proceso, los intercambiadores de calor y dispositivos mecánicos llevan un papel sumamente importante, ya que las materias primas deben transportarse a largar distancias, mantener unas temperaturas optimas y a la vez de seguridad ya que por ejemplo en el reactor debe existir una temperatura optima de reacción para el mismo funcionar sin generar problemas, ya que las reacciones que se llevan a cabo en el mismo son altamente exotérmicos. Como no se tenía información acerca del agente refrigerante que utiliza realmente para el proceso, sabiendo que el agua es una materia prima fácil de adquirir, almacenar y transportar, se tomó la misma para dos grandes labores en el proceso, la primera como agua de enfriamiento en el control de la temperatura del reactor de síntesis y la otra para retirar calor de una corriente de amoniaco que debe entrar a una temperatura menor a la que se dispone en los almacenes de amoniaco, es de resaltar que originalmente se utiliza un intercambiador de tubo y coraza para ente proceso, pero como a la hora de simular el mismo en el programa de hizo algo engorroso lo que se decidió fue colocar ambas corrientes y el calor retirado por el intercambiador en la corriente de amoniaco sería el mismo utilizado para calentarse la corriente de agua (Figura 1). Por otro lado se tienen los dispositivos mecánicos, la bomba sería utilizada para transportar agua desde una fosa o tanque subterráneo hasta un tanque aéreo, esto por si hay una parada de planta o falla en el suministro eléctrico se pueda disponer del agua
con mayor facilidad, ya que fluiría por gravedad (recordando, el utilizada para controlar la temperatura en el reactor). La bomba podemos ver que no consume mucha energía, siendo esto favorable para la empresa ya que los ahorros energéticos, que luego se convierten en ahorros económicos son de gran importancia para toda empresa. El otro dispositivo mecánico que se tiene en el proceso es un compresor, el mismo se utiliza como un pre-tratamiento para el CO2 antes de entrar al reactor de síntesis, ya que como se dispone en los almacenes no es recomendado, ya que se necesita que entre a una presión específica, la potencia consumida por el compresor es moderada, de importancia para el proceso y la empresa, explicado anteriormente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS PEQUIVEN S.A., Gerencia Técnica: Ingeniería de Procesos. (Instalación-301-A)”. Año 2004.
“Planta de Urea
UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
PROYECTO FINAL
PROFESORA:
REALIZO POR:
Katiuska Franceschi
PÉREZ, Waylon RONDÓN, Richard
Valencia 29 de julio del 2011
