La práctica consistió en simular la síntesis de amoniaco con el uso del programa Aspen Hysys

PRÁCTICA 1.

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1.   RESUMEN

La práctica consistió en simular la síntesis de amoniaco con el uso del programa Aspen Hysys para encontrar variables del proceso como lo son las temperaturas y las composiciones a través de diferentes operaciones unitarias. Posteriormente se compararon estos resultados con los reportados por el libro de Balances de materia y energía de G.V Reklaitis para el mismo caso, se encontró que al proceso había que hacerle modificaciones para que este fuera posible termodinámicamente, al igual que se manifestó la importancia que tiene la temperatura y la presión en el proceso de la producción de amoniaco.

2.  

INTRODUCCIÓN

El amoniaco es el material nitrogenado más importante y destacado. La mayor parte se obtiene sintéticamente, se utiliza directamente como fertilizante, refrigerante y en fabricación de pulpa para papel, también en medidas de protección para el medio ambiente, por ejemplo, para la eliminación de los NOx en los gases de combustión (Albaladejo Carril, 2013). La fabricación de amoniaco no produce vertidos líquidos, sin embargo, es un proceso con alto consumo energético, que usualmente realiza la recuperación y el empleo eficiente del calor liberado (Buitrago Benavides & Gutiérrez Arias, 2009) . Se realizó una simulación en el programa Aspen HYSYS para comparar los resultados obtenidos de un ejemplo resuelto del libro Balances de materia y energía de G.V Reklaitis, con los alcanzados en este programa. El ejemplo consiste en un proceso en el cual se produce amoniaco mediante la siguiente reacción:

                                           [pic 1]

Se sabe que la reacción 1 ocurre en un reactor adiabático de dos etapas, que la conversión en la primera etapa es del 10% y los productos de dicha etapa se enfrían hasta 425ºC mediante el mezclado con alimentación fresca que está más fría. Además, se anuncia que los productos de la segunda etapa que salen a 535ºC, se enfrían primero mediante el intercambio de calor y se refrigeran dentro de un separador para recuperar el producto NH3 por condensación junto con rastros de nitrógeno e hidrógeno

 3. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para empezar, se compararán los diagramas del proceso, el de la referencia anteriormente mencionada (Figura 1) y el realizado en HYSYS (Figura 2).

[pic 2]

Figura 1. Diagrama de flujo del ciclo de síntesis de amoníaco obtenido de Balances de materia y energía por                          G.V Reklaitis, ejemplo 8.12.

[pic 3]

Figura 2. Diagrama de flujo elaborado en HYSYS – Ciclo de síntesis del amoníaco.

Se realizaron modificaciones al diagrama original (diagrama 1) para efectos de la simulación en HYSYS, se añadió un intercambiador de calor (E-102) después del mezclador y un equipo de reciclo (RCY-1) antes del mezclador (MIX-100). En las tablas 1-4 están inscritos los valores obtenidos por medio de la simulación (composiciones, propiedades, y calores); tal como se puede observar en la tabla 1 estos equipos no cambian las composiciones de los componentes de las corrientes afectadas (2, 3 y 10, 12), es decir, los balances de materia en ellos son triviales,

lo cual no genera error.[pic 4][pic 5][pic 6]

Cabe notar que la composición del producto de interés NH3 en la corriente 8 es de 0,9971 con pocas trazas de los otros componentes lo que indica una buena separación, no obstante, el flujo de amoniaco es pequeño porque en el reactor 2 no se logró una alta conversión. Teóricamente se encontró que este proceso se realiza a altas presiones y altas temperaturas para una alta conversión y obtener mayor cantidad de NH3, pero esto genera gran demanda energética aumentando los costos operativos y de inversión, todo esto ha llevado al uso de catalizadores activos, como el hierro dopado con cobalto y el rutenio los cuales mantienen una presión de síntesis más baja reduciendo el consumo energético (Ramon Ducoy, 2012).

En la tabla 4 se encuentran los valores de los calores de la simulación y de la referencia. El valor del calor en el separador Q-100 quiere decir que el calor se está liberando y es menor que la referencia, esto se puede explicar con la temperatura de entrada de la mezcla al separador, ya que a mayor temperatura se tiene más energía para ceder y como se evidencia en la tabla 6 en la referencia el valor de la temperatura a la entrada del separador es mayor que en la simulación con el programa Aspen Hysys; esto también indica que el intercambiador de calor E-100 fue más eficiente que el de la referencia retirando el calor de esa corriente. El intercambiador E-102 absorbe calor, y el separador V-100 libera calor; para efectos de mejoramiento y disminución de costos, se podría plantear un nuevo proceso donde se aprovechara parte del calor liberado por el separador para el intercambiador y así no tener que usar una fuente externa. Resulta de gran interés recircular el gas para darle una mejor utilización al hidrógeno y al nitrógeno ya que estos en la reacción no se convierten en su totalidad, esto también disminuye costos.

Tabla 4. Tabla de calores en la simulación y en la referencia. 

En la Tabla 5 se observan las composiciones y las temperaturas reportadas en la literatura frente a las obtenidas mediante el programa de simulación Aspen Hysys. Se puede observar que la diferencia existente en las composiciones es mínima, siendo los valores obtenidos mediante el Hysys más precisos y cercanos a la realidad.

Tabla 5. Tabla de comparación salida de los reactores.

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