Trabajo - Proceso de síntesis de Metanol. PDF

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Trabajo final realizado en el año 2015 sobre el proceso de sintesis de Metanol. Incluye objetivos, diagrama, tablas, descripción del proceso, balance de energía y materia y dimensionado de equipos....

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Proceso de síntesis de metanol

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Proceso de síntesis de metanol

Pág. 1. Cronograma_________________________________________________________3 2. Resumen ejecutivo ___________________________________________________3 3. Bases de diseño______________________________________________________4 4. PFD _______________________________________________________________4 5. Diagrama de implantación _____________________________________________6 6. Descripción del proceso _______________________________________________7 7. Tablas de balance de materia y energía___________________________________9 8. Dimensionado de equipos_____________________________________________10 8.1 Depósitos 8.2 Compresores y bombas 8.3 Reactor 8.4 Intercambiadores de calor 8.5 Equipos de separación 8.6 Tuberías 8.7 Dispositivos de control 9. Economía____________________________________________________________ ANEXO 1.

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Proceso de síntesis de metanol

1. Cronograma

CRONOGRAMA Resumen ejecutivo Bases de diseño Descripción Diagrama de flujo Diagrama de implantacion Tareas

Tablas de corrientes Equipos Tuberías y depósitos Bombas y compresores Cambiadores Reactor Separación Instrumentación y control Economía 0

5

10

15

20

25

30

Días

2. Resumen ejecutivo.

El presente Proyecto Diseño de una planta de producción de metanol se centra en el diseño de un proceso de obtención de metanol a partir de gas de síntesis. El proceso se inicia con la llegada de 225 ton/h de gas de síntesis por la corriente 1 para obtener finalmente 200 ton/h de metanol 99% por la corriente 11. El equipo total necesario para este proceso es: - Dos depósitos de 1092 m3 y 107040 m3 - Un comprensor de 855 W. - Dos bombas con una carga de 15m y 7’5m. - Un reactor de 15m de altura y 9’61m de diámetro. En su interior contendrá un total de 4099 tubos y 490’67 toneladas de catalizador Cu/ZnO/Al2O3.

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- Torre de separación de fases cuya altura será 10’21m y con un diámetro de 3’4m. - Torre de destilación cuya eficacia es del 40% y consta de 25 platos. Su altura será de 10m y tendrá un diámetro de 8m. - Torre de absorción con una altura de 7’2m y un diámetro de 6m. - Cinco intercambiadores de calor. -El E-101 con una longitud de 10m y diámetro de 7’06m consta de 15595 tubos, 7 deflectores y necesitará 480 kg/s de agua para realizar el proceso. - El E-102 con una longitud de 10m y diámetro de 2’68m consta de 14032 tubos, 7 deflectores y necesitará 429’36 kg/s de agua para realizar el proceso. - El E-103 con una longitud de 8m y diámetro de 4’21m consta de 5548 tubos, 9 deflectores y necesitará 225’27 kg/s de agua para realizar el proceso. - El E-104 con una longitud de 10m y diámetro de 6’05m consta de 11420 tubos, 8 deflectores y necesitará 139’32 kg/s de agua para realizar el proceso. - El E-105 con una longitud de 15m y diámetro de 8m consta de 30098 tubos, 7 deflectores y necesitará 225’27 kg/s de agua para realizar el proceso.

- Tuberías de acero inoxidable que sumando todos los tramos se obtiene un total de 950m. -Dispositivos de control: FIC, LIC, TIC.

3. Bases de diseño. Con este proyecto se quiere llegar al objetivo de una producción de 200 t/h de metanol con una pureza del 99% que se destinará para el uso comercial en diferentes procesos donde se utiliza como materia prima. La planta de metanol propuesta parte de gas de síntesis como materia prima, el cual ha sido reformado y desulfurado, y se consigue la obtención de metanol de calidad 99% a través de un reactor isotérmico catalítico de lecho fijo, utilizando Cu/ZnO/Al2O3 como catalizador, como subproductos en el final del proceso, gases (H2, CO, CO2…) y aguas que deben tratarse para su purificación.

4. Diagrama de flujo 5

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5. Diagrama de implantación.

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6. Descripción del proceso. Etapas para la obtención de metanol. 1.-Reformado del gas de síntesis. Etapa anterior. 2.- Síntesis de metanol. 3.-Purificacion del metanol. 4.-Usos. En esta planta se desarrollara sólo la síntesis del metanol. El gas de síntesis ya tratado previamente con un reformado del reactivo y una desulfuración y mineralización del agua, se introduce en el proceso a través de una tubería que llega al depósito V-401, por la corriente 1, en este depósito se mezcla con una corriente de recirculación del circuito, la corriente 8, el flujo total de este depósito que está a 300ºC y 18 atmosferas pasa a un compresor K-100 que eleva la temperatura de los gases a 900ºC y 72 atm, como la temperatura es muy elevada, este flujo debe enfriarse en un intercambiador de calor, el cual lleva los reactivos a la T y P adecuadas para el reactor, 200ºC y 72 atmósferas. Todo el material entra en el reactor isotérmico catalítico de lecho fijo que contiene el catalizador Cu/ZnO/Al2O3 a través de la corriente 2, la conversión que sucede en el mismo es del 95%. La reacción que sucede en el reactor se basa en una conversión de monóxido de carbono e hidrogeno para formar metanol, sin reaccionar el dióxido de carbono; este sólo sufre un equilibrio, dónde el CO2 se trasforma en CO y agua. CO(g)+2H2(g)→CH3OH(g) CO2(g)+H2(g)↔CO(g)+H 2O(g) La corriente 13, corresponde con la sal fundida, que se encarga de regular el calor del reactor, se controla a través de un TIC, está impulsado por una bomba (P-301) y su función es calentarse dentro del reactor, y mediante un intercambiador de calor se enfría y se vuelve a recircular dentro del reactor para que vaya absorbiendo el exceso de calor debido a que la reacción es exotérmica. A la salida del reactor hay una corriente de metanol, gas de síntesis sin reaccionar y agua, corriente 3, esta se lleva hasta un intercambiador de calor, E-103, que enfría la corriente y transforma el metanol y el agua gas en líquido, consiguiendo una corriente de características de P y T de 40ºC y 47 atm; todo esto se trasporta hasta un separador de fases (V-403) que opera con una eficacia del 90% haciendo que la corriente inferior, líquida y compuesta por metanol y agua, vaya a la columna de destilación y los gases (H2, CO, CO2, H2O y CH3OH) que salen por la parte superior lleguen a la torre de adsorción T-100, cuya eficacia es del 100%. En esta torre de adsorción se introduce una corriente de agua (corriente 9) en la cual se consiguen arrastrar los productos que aún quedaban en esa corriente, es decir el metanol y el 8

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agua, los cuales se envían a la corriente que va directa a la torre de destilación, por la corriente 5. En cambio los gases restantes, salen de la torre de adsorción mediante dos corrientes, una de recirculación (corriente 8) que es la que va al depósito V-401 de la entrada de material y otra se desvía como subproductos del proceso (corriente7). La corriente 6 que contiene metanol y agua de la separación se lleva a la torre de destilación, en esta el producto más volátil, el metanol sale por la parte superior con una pureza del 99% en forma gaseosa , por ello debe pasar por un intercambiador de calor y un depósito, donde se mantiene el producto, una bomba (P-302) es la encargada de suministrar las 200t/h de metanol al exterior del proceso y recircular a la torre otras tantas toneladas para que el proceso no se pare y en la torre haya un fluido que permita los equilibrios con el gas. Por la corriente inferior sale un flujo de agua, parte del cual se recircula a la torre de destilación en forma de vapor tras otro intercambiador de calor (E-105) introduciéndose esta corriente a 180ºC y 1 atm. La otra parte del agua que sale de la torre de destilación, corriente 12, es el otro producto de la reacción, agua, que se sacará del proceso y se purificará para usos posteriores. El agua purificada posteriormente, puede recircularse una vez separado el metanol que tenía para volver a la torre de adsorción y realizar el mismo proceso. Además el agua utilizado en los intercambiadores, con el fin de ahorrar energía se recircula de unos a otros, el agua caliente que sale del intercambiador E-101 se lleva al intercambiador E-105 el cual cambia de fase el agua líquida que sale de la torre de destilación, para introducirlo como gas nuevamente.

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6. Tablas de materia y energía. Tabla de flujos de materia y energía del proceso de síntesis de metanol a partir de gas de síntesis. Corriente nº Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (Kmol/h) Agua Hidrógeno CO2 CO Metanol

Corriente nº Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (Kmol/h) Agua Hidrógeno CO2 CO Metanol

Corriente nº Temperatura (ºC) Presión (bar) Fracción vapor Flujo másico (ton/h) Flujo molar (Kmol/h) Agua Hidrógeno CO2 CO Metanol

1 2 3 350 446 250 18 18 72 1 1 1 225’68 238’46 238’62 20894’37 22058’83 8592’63 F. molar componente (Kmol/h) 382’53 382’53 382’53 13688’07 14500 1027’8 21 100 100 6802’77 7076’3 346’2 ----6736’1

4 40 47 0 38’38 2185’85

5 50 3 0 445’26 24211’85

38’25 1027’8 100 346’2 673’6

23538’25 ------673’6

6 7 8 53 45 45 3 1’5 1’5 0 1 1 645’44 3’39 12’78 30618’63 309’54 1164’46 F. molar componente (Kmol/h) 23882’53 ------215’83 811’93 --21 79 --72’71 273’53 6736’1 -----

9 25 2 0 423 23500

10 60 1 0 201’14 6313’13

23500 ---------

63’13 ------6250

11 12 13 60 60 280 1 1 3 0 0 201’14 444’30 1075 6313’13 24305’5 F. molar componente (Kmol/h) 63’13 23819’4 ----Sal fundida --------6250 486’1

14 60 1 1 233’84 12792’36 12536’52 ------255’84

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Equipo T entrada (ºC) T salida (ºC) Flujo (t/h)

cw E-101 20 85 1728,16

cw E-102 20 80 1545,69

cw E-103 20 60 810,98

cw E-104 20 35 501,56

lps E-105 85 20 403,62

Para calcular los balances de energía de los cambiadores de calor, los datos de capacidades caloríficas se han obtenido de tablas con diferentes datos de las mismas según su T pero a bajas presiones, por lo tanto se ha supu l varía con la presión.

Conociendo los flujos y composiciones de cada corriente se obtienen la fracción molar de cada componente y se calcula la capacidad calorífica media de toda la corriente.

8. Dimensionado de equipos. 8.1 Depósitos Los tanques de almacenamiento de líquidos que se usan en la industria química se clasifican en: -

Cilíndricos horizontales. Cilíndricos verticales de fondo plano. Esféricos para gases

Se utilizarán depósitos esféricos para almacenar los gases antes de entrar en el proceso (V401) y cilíndricos horizontales para almacenar el metanol a la salida de la torre de destilación (V-402)

Las características del techo: -

De techo fijo. De techo flotante. Sin techo.

Los tanques de techo fijo se emplean para almacenar productos no volátiles o de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, etc.

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Los tanques de techo flotante se emplean para almacenar productos con alto contenido de volátiles como son: alcoholes, gasolinas y combustibles en general. Estos serán los que se utilizarán en este proyecto. Se escogen por tanto depósitos esféricos y cilíndricos de techo flotante. Diseño de los depósitos Se diseñan los tanques de almacenamiento para la producción final de 200t/h tomando como tiempo hidráulico de residencia una hora, que es el tiempo que tarda un ciclo completo de nuestro proceso de síntesis de metanol. Teniendo en cuenta que los depósitos estarán llenos cómo máximo en un 80% de su capacidad total, se obtiene que las dimensiones de los tanques sean las siguientes: Depósito

V-402

V-401

Cilíndrica

Esférica

Volumen (m )

1092

107040

Volumen (L)

1,09E+06

1,07E+08

Largura (m)

10,3

Diámetro (m)

6,8

Forma 3

54,7

Un depósito cilíndrico horizontal V-402

Almacenará un vol diámetro de 6,8 m considerando que

n de dato 2/3

m3 de metanol 99% y tendrá una largura de 10,3 m y un n obtenido optimizando los parámetros de este depósito,

Para el caso del depósito de gases V-401, el volumen que debe albergar es mayor y por ello en lugar de un solo depósito se colocan 3 depósitos en línea para que las dimensiones no sean exageradas, obteniendo así, 3 depósitos esféricos de 18 metros de diámetro.

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Se debe sobredimensionar el número de depósitos de almacenamiento de reactivos y productos al inicio y final del proceso, al menos por duplicado, para almacenar el producto en caso de producirse cualquier imprevisto que impida la salida del producto. Algunas de las características de estos depósitos serán: • Material: el material elegido para almacenar el producto final es acero inoxidable recomendado para los procesos con metanol y gases. • Sistema de venteo: los depósitos deben disponer de sistemas de venteo de presión para prevenir la formación de vacío o presión interna, para evitar la deformación del techo o de las paredes del recipiente, como consecuencia de las variaciones de presión producidas por efecto de los llenados, vaciados o cambios de temperatura. Este sistema de venteo consistirá en una válvula tipo presión-vacío, que se colocará en el techo del depósito. Estas válvulas actúan de manera que cuando el tanque se está llenando, deja salir aire del interior para que no presurice, y cuando el tanque se está vaciando, deja entrar aire para que no se haga vacío en su interior. • Soporte de los tanques: los depósitos irán montados en una cimentación de hormigón que tendrán una altura de 0,5 metros para el deposito cilíndrico y algo mayor, 5 metros para el esférico. • Escaleras de acceso: los tanques dispondrán de una escalera de acceso que tienen la finalidad de situar al personal que así lo requiera en una zona del tanque que necesite de constante mantenimiento o supervisión.

8.2 Comprensores y bombas Bombas. Las bombas son los equipos destinados a la impulsión de líquidos. Existen dos tipos básicos de bombas que se diferencian en la forma de la impulsión: • Bombas de desplazamiento positivo: el líquido es aspirado y entra en una cámara donde un pistón lo empuja hacia fuera. Debido a esto, el caudal que proporciona no es continuo y los caudales de líquido que puede impulsar suelen ser menores que los de las bombas centrífugas. • Bombas centrífugas: emplean una fuerza centrífuga. El líquido es aspirado entrando una carcasa y un rodete impulsa el fluido. El caudal que impulsa es continuo y se pueden trabajar con caudales más elevados. Las bombas empleadas en el proceso serán del tipo centrífugas ya que proporcionan caudales constantes, tienen gran versatilidad, son de bajo coste y poseen un diseño y mantenimiento sencillo. Las bombas centrífugas constan de las siguientes partes:

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- Tubería de aspiración. - Rodete o impulsor, con una serie de álabes, unido al eje y es la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete que es accionado por un motor experimentando un cambio de dirección. Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido siendo proyectadas hacia el exterior por acción de la fuerza centrífuga. De esta forma abandonan el rodete dirigiéndose hacia la carcasa y siendo evacuadas hacia la tubería de impulsión. - La carcasa: dispuesta en forma de caracol de tal manera que la separación entre la carcasa y el rodete es mínima en la parte superior y va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión. De esta forma aumenta la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta. - Tubería de impulsión. En esta planta se requieren la presencia de dos bombas, pero, como se suelen colocar en parejas para que si ocurre alguna avería o problema en la bomba se pueda operar con la otra para que el proceso de producción no se detenga, se necesitarán cuatro bombas en total para la impulsión de los fluidos que intervienen en el proceso. La bomba P-301 se utiliza para bombear la corriente 13 compuesta de sal fundida que sale caliente del reactor de nuevo hacia el interior de este mismo después de pasar por un proceso de enfriamiento. La bomba P-302 es la encargada de impulsar el destilado, que va por la corriente 10, de vuelta desde el suelo a la parte alta de la torre de destilación (T-101). A la hora de dimensionar las bombas, los cálculos que se realizan son para conocer la carga de la bomba (HT [m]) y el caudal que se desea impulsar (Q [m3/h]). En la siguiente tabla se recogen los datos:

HT (m) Q (m3/h)

P-301

P-302

15 -

7’5 620’28

Una vez que se conocen ambos datos, se iría a una empresa de ventas de bombas y ellos nos facilitarían un diagrama donde seleccionaríamos la bomba en función de la HT y el Q. Los cálculos correspondientes se encuentran recogidos en el Anexo 1.

Comprensor. Los principios en los que se basan los equipos de bombeo de gases son los mismos que los del equipo de impulsión de líquidos, aunque los detalles constructivos de ambos pueden 14

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ser muy distintos. La diferencia fundamental entre la impulsión de un líquido y un gas reside en que los gases son fluidos compresibles, por lo que existe la posibilidad de reducir el volumen de este último por compresión lo cual no se puede hacer si tratamos con líquidos. Los equipos destinados a la impulsión de gases suelen clasificarse en tres grupos en función de la presión de descarga y del caudal de impulsión: - Ventiladores: presiones de descarga inferiores a 2 bar y altos caudales de impulsión. La diferencia de presión sufrida por el fluido es pequeña. - Soplantes: presiones de descarga de hasta 2 bar respecto a la de carga para altos volúmenes de gas. - Compresores: permiten elevar la presión de grandes volúmenes de gases en un rango de 10-1000 veces respecto al punto de carga. La corriente que se requieren impulsar (corriente 2) exige aumentar la presión mucho por lo que el equipo elegido será un comprensor. En nuestro proceso sólo necesitamos un comprensor pero como se suelen colocar en parejas por las mismas razones que se comentamos en las bombas, necesitaremos dos comprensores. La primera pareja de comprensores, K-100, son los encargados de impulsar el caudal de la corriente 2 que proviene del tanque V-401 y llevarlo hasta el reactor R-100 donde se producirá la reacción química para obtener metanol. La selección del comprensor viene determinada por el aumento de presión necesaria y más características como la temperatura de operación, las características del fluido, etc. A continuación se muestra una tabla con el resultado del dimensionamiento para el K-100. El cálculo especificado del dimensionamiento se encuentra en el Anexo 1.

K-100 855’07 294,34 54

Potencia (W) ΔT (K) ΔP (bar)

8.3 Reactor. El reactor está destinado a ser el equipo donde se produzca la reacción para la conversión del gas de síntesis en metanol, que es nuestro producto final, y este metanol obtenido será acondicionado para su venta por otros equipos que existirán después del reactor. La reacción básica que se producirá en el reactor será: CO(g)+2H2(g)→CH3OH(g)

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