Simulación y optimización de reactores de reformado de metano con vapor

En la presente tesis se estudia el comportamiento del proceso de reformado de metano, asignado especial énfasis a la opera-ción del reformador primario en la generación de gas de sínte-sis para la producción de amoníaco. El objetivo principal de este estudio es avanzar en el desarrollo de módulos de...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Piña, Juliana
Otros Autores: Borio, Daniel O.
Formato: tesis doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2003
Materias:
Industria química
Amoníaco
Acceso en línea:http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/2187
Aporte de:
Repositorio Institucional Universidad Nacional del Sur (UNS) de Universidad Nacional del Sur
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description En la presente tesis se estudia el comportamiento del proceso de reformado de metano, asignado especial énfasis a la opera-ción del reformador primario en la generación de gas de sínte-sis para la producción de amoníaco. El objetivo principal de este estudio es avanzar en el desarrollo de módulos de simula-ción (basados en modelos matemáticos suficientemente deta-llados) que permitan representar adecuadamente la operación del reformador primario. Asimismo, estos módulos de simula-ción se utilizan para identificar las variables críticas del proce-so; estimar el impacto de éstas sobre el comportamiento del reactor, evaluar la posibilidad de incorporar cambios que permi-tan optimizar su operación, definir ventanas operativas que garanticen una operación segura y eficiente; y analizar los problemas operativos más frecuentes. Basándose en los objeti-vos planteados, la presente Tesis se organiza de la siguiente manera: en el Capítulo1 introductoria- se presentan tanto la importancia del gas de síntesis en la industria del amoníaco como la de este producto en el mercado mundial. Asimismo, se introducen los procesos y materias primas disponibles para la generación del gas de síntesis. Seguidamente, se describe el proceso de obtención de amoníaco vía la ruta de reformado de gas natural con vapor, detallando las condiciones operati-vas y unidades del sector de reformado. Finalmente, se pre-sentan otras aplicaciones de interés del proceso de reformado con vapor. En el Capítulo 2 se describe un modelo matemático heterogéneo unidimensional, el cual se utiliza en los Capítulos 3, 5 y 6 para representar y analizar distintos aspectos de interés relativos a la operación del reformador primario. Previo al planteo de este modelo, se presentan el esquema de reacción, las correspondientes expresiones cinéticas adopta-das y el catalizador comercial seleccionado. También, se realiza una descripción detallada de las tareas experimentales que permitieron determinar algunos de los parámetros necesa-rios para el modelado de la partícula y del lecho catalítico. En el Capítulo 3 se estudia la influencia de los perfiles axiales de flujo calórico sobre la operación de los reformadores con va-por y se estiman distribuciones óptimas de flujo calórico que permitan, bajo ciertas restricciones, maximizar la producción del reactor o minimizar la máxima temperatura de piel de tubo (es decir, extender de vida útil del tubo de reformado). Para resolver estos problemas de optimización se utilizan el modelo heterogéneo presentado en el Capítulo 2 y un modelo pseudo-homogéneo, desarrollado para simular la operación del refor-mador primario en menores tiempos de cómputo pero con grado de precisión comparable. Debido al elevado ingreso de calor a través de la pared del tubo y a la naturaleza endotér-mica de las reacciones de reformado, los tubos catalíticos están expuestos a significativos gradientes radiales de tempe-ratura. Para representar estos fenómenos locales, en el Capí-tulo 4 se plantea un modelo heterogéneo bidimensional. En particular, se estudian en detalle los perfiles radiales de las velocidades de reacción y de los factores de efectividad. Además, el modelo bidimensional se utiliza para comparar la operación de reformadores de fuego lateral y superior; anali-zar la influencia del diámetro del tubo de reformado sobre la performance del rector; y estudiar la conveniencia de usar diferentes distribuciones axiales y radiales de actividad catalí-tica, con el propósito de reducir simultáneamente la máxima temperatura de pared de tubo y la masa del catalizador de mayor actividad. En el Capítulo 5 se analiza uno de los proble-mas operativos más frecuentes en los reformadores primarios industriales, la desactivación del catalizador como conse-cuencia del envenenamiento por azufre. Previa revisión de los modelos disponibles en la literatura abierta, se presenta un modelo matemático para describir apropiadamente la distribu-ción del veneno en la partícula de catalizador y en la fase gas a lo largo del tubo de reformado, el cual se acopla el modelo heterogéneo bidimensional (descripto en el Cap. 2), actuali-zando las velocidades de reacción sobre el catalizador parcial-mente desactivado a medida que progresa el envenenamiento. En particular, se estudian los efectos del envenenamiento por azufre sobre la performance del catalizador y sobre la opera-ción del reactor. En el Capítulo 6 se considera uno de los problemas operativos más drásticos de los procesos industria-les de reformado de metano con vapor, la formación de car-bón filamentoso. El riesgo de deposición de carbón en la partí-cula de catalizador y en la fase gas a lo largo del tubo de re-formado, se predice utilizando el modelo heterogéneo unidi-mensional introducido en el Cap. 2 y evaluando expresiones cinéticas para las reacciones de formación y gasificación de carbón reportadas en la literatura abierta. En particular, se estudia la influencia de la actividad catalítica, el flujo calórico medio y la composición y temperatura de la alimentación so-bre el riesgo de formación de carbón. Asimismo, el modelo cinético de deposición de carbón se utiliza para estimar distri-buciones óptimas de temperatura de piel de tubo, que permi-tan maximizar la producción del reactor y asegurar condi-ciones de operación libres de carbón; analizar los efectos del envenenamiento por azufre sobre la formación de carbón; y determinar la influencia de las hipótesis de modelado en la predicción de la deposición de carbón. Por último, en el Capí-tulo 7, se presenta una síntesis de las conclusiones más importantes que pueden extraerse de los estudios realizados en esta Tesis.

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