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OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 1
Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo”
Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarias
Proyecto de Obtención de Hidrogeno a partir de Biogás
Autores:CórdovaDelgadoSheyla/HuamanchumoUcedaJany/Ordinola
CuevaAnni/VidaurreVasquez Patricia
Curso: Diseño de Plantas Industriales I - Informe N°2
Profesor: Juan C. Díaz Visitación
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CAPITULO IV
SELECCIÓN Y DISEÑO
DEL REACTOR
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Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 3
INTRODUCCION
El presente capítulo tiene como objetivo establecer la selección del reactor para luego
diseñarlo de acuerdo a las especificaciones del proyecto aplicando los criterios técnicos
de Ingeniería.
Todos los procesos químicos giran en torno al reactor por lo cual representa uno de los
factores más importantes para determinar la economía del proceso. Lo cual nos induce
dar a conocer una explicación de las características del sistema de reacción, a la vez
justificar las condiciones de operación del reactor, mediante un análisis de las variables
del sistema de reacción.
El diseño de reactores es un problema que el ingeniero químico enfrentará, al trabajar
con reacciones químicas para ello, consideramos la selección del tipo de reactor que
se va a utilizar así también como su diseño, mediante el uso de diferentes fórmulas,
tablas y los cálculos adecuados, se alcanzó el objetivo, para lo cual fue necesario la
elaboración de unos planos, para tener una idea mucho más clara y concisa de cómo
están conformados los equipos, tan importantes en nuestro proceso.
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4.1 Análisis del sistema de reacción
4.1.1 Estequiometria de la reacción.
a. Estequiometria de la reacción en el Desulfurador.
 Esta es una reacción de eliminación de compuestos sulfurosos que
se encuentre en el gas para no envenenar los catalizadores de los
reactores. No es un reactor catalítico solo se produce una reacción
estereoquímica.
 Presión y temperatura son a condiciones atmosféricas
 Conversión del 95%
 Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son:
CORRIENTE DE ENTRADA AL DESULFURIZADOR:
 Reactivo limitante: (H2S)
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 ZnO REQUERIDO EN LA DESHULFURIZACIÓN:
 CORRIENTE DE SALIDA DEL DESULFURIZADOR:
 ZnS CONVERTIDO EN LA ADSORCIÓN:
b. Estequiometria de la reacción en el reformado de vapor.
 La carga ya desulfurada en la sección anterior, continúa su paso a
través de la unidad hacia la sección de reformado. Como su propio
nombre indica, en esta sección es donde se produce la reacción del
gas natural con el vapor de agua para producir el H2. Esta reacción
se da con un exceso importante de vapor de agua y con un control
muy estricto de la temperatura.
 Presión a 20atm
 Conversión del 95%
 Catalizada entre CH4 y H2O
 Temperatura de 900ºC
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 La reacción es endotérmica:
La mezcla gaseosa así obtenida es difícil de separar ya sea física o químicamente (es
necesario enfriar hasta -205 ºC antes de que el monóxido pueda condensar)
 Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son:
 Reactivo limitante: (CH4)
 Alimentación de vapor requerido:
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 Corriente de salida del reformador:
c. Estequiometria de la reacción en el convertidor de CO.
Para aumentar el rendimiento y facilitar también la separación posterior, el
monóxido se oxida a dióxido. Para ello, la mezcla es enfriada y se le inyecta
vapor de agua de nuevo, esta vez sobre un catalizador de óxido de hierro III
(Fe2O3).
El problema de separar el dióxido del H. es más sencillo. Hay varias formas de abordar la
separación:
a. Medios físicos Una opción es enfriar la mezcla por debajo de la temperatura de
condensación del CO2 (-78 ºC) muy diferente a la del H2 (-253 ºC).
Económicamente viable mediante un servicio de frío en planta.
b. Medios químicos El CO2 es un oxido ácido que reacciona con una disolución de
carbonato potásico para dar el carbonato ácido de potasio. Calentando este se
puede regenerar el carbonato:
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 Presión 20atm
 Temperatura 400ºC
 Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son:
 Reacción 3:
 Reacción 4:
 Alimentación de vapor requerido
 Corriente de salida de convertidor.
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d. Estequiometria de la reacción en el metanizador.
Las cantidades de gases de CO Y CO2 que salen del absolvedor pueden
envenenar el medio ambiente, por lo tanto se debe reducir o eliminar la
mayor parte de acuerdo a las normas del medio ambiente. El proceso más
habitual es la conversión de CH4 y H2O mediante la hidrogenación en el
metanizador.
 Esta reacción se producen a una temperatura de 300º C
 Utiliza un catalizador a base de níquel
 La concentración residual de esto óxidos de carbono no suele
alcanzarlos 10ppmv.
 Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son:
4.1.2 Análisis de la termodinámica y equilibrio de reacción
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La reacción global es exotérmica así que por encima de todo es un proceso que
genera calor. La composición gaseosa del producto depende de la proporción
C/H alimentada y del vapor amaleado, así pues la presión no tiene efecto
significativo sobre esta composición. El proceso es habitualmente conducido de
2 a 4 MPa usando equipos compactos que reducen costes de compresión. Una
composición típica en la salida para una alimentación de fuel oil es la mostrada
en el cuadro.
Este gas tiene una relación óxidos de carbón/hidrogeno mucho mas alta que el
reformado con vapor.
Para obtener una producción de 100 metros cúbicos de hidrogeno y monóxido
de carbono se emplean 26 metros de oxígeno al 95 – 99%. La mezcla producto
es enfriada directamente en contacto con agua y filtrada de tal forma que se
elimina del flujo gas el carbono no reaccionado. A su vez estos restos de
carbono se eliminan del agua por filtración para un posterior uso o simplemente
se desecha dicha agua.
El resto de etapas del proceso son las mismas que en el proceso de reformado:
Shift de alta temperatura (mezcla con vapor y mezcla fluidizada a través de
óxido de hierro, catalizador, para convertir el monóxido en dióxido, 90 a 95% de
conversión), enfriado de nuevo antes de entrar en el Shift de baja temperatura.
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Enfriado a 38 ºC con agua antes de entrar al absorbedor de CO2 (usa MEA).
Los gases purificados, no en su totalidad o aceptable al menos, se recalientan
con los producidos en etapas anteriores antes de pasar al metanador que con
Ni catalítico convertirá los gases carbónicos en metano. Este podría ser ya el
producto final según especificaciones.
4.1.3 Cinética y mecanismo de reacción.
a. Desulfurador
𝑘 𝑒 =
𝑘𝑖𝑑𝑎
𝑘 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎
=
𝐶𝐶
𝑝
𝐶 𝐷
𝑞
𝐶𝐴
𝑛
𝐶 𝐵
𝑚
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 Esta es una reacción de eliminación de compuestos sulfurosos que
se encuentre en el gas para no envenenar los catalizadores de los
reactores.
 No es un reactor catalítico solo se produce una reacción
estereoquímica.
b. Reformador:
 El estudio del equilibrio químico de los componentes del gas a
menudo proporciona información útil del funcionamiento del
generador. Sin embargo, los productos de la reformación varían de
sus valores de equilibrio, pero en cualquier caso daban unos buenos
valores de partida. El equilibrio químico requiere para cada
temperatura una constante de equilibrio, y dándole el suficiente
tiempo los gases alcanzarían la concentración de equilibrio. Por
ejemplo para el caso de la reducción del vapor de agua mediante
monóxido de carbono la constante de equilibrio se escribe:
 Donde las concentraciones de equilibrio para el (CO2), (H2), (CO) y
(H2O) expresadas en sus respectivas presiones parciales.
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c. Convertidor.
Para aumentar el rendimiento y facilitar también la separación posterior, el
monóxido se oxida a dióxido. Para ello, la mezcla es enfriada y se le inyecta
vapor de agua de nuevo, esta vez sobre un catalizador de óxido de hierro III
(Fe2O3).
Así pues la reacción global será:
d. Metanizador.
 El proceso más habitual es la conversión de CO y CO2 en CH4 y H2O
mediante la hidrogenación en el metanizador para poder eliminar la
mayor parte de los gases contaminantes y poder recircular el CH4 en
la alimentación del proceso.
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4.1.4 Transporte de masa y energía.
a) DESULFURADOR.
A’
A B
B’
 TRANSPORTE DEL MASA DE DESULFURADOR.
LA ENTRADADEL DESULFURADOR.
A
Total 494.2 Kg/Hr
CO2 79.07 Kg/Hr
CH4 400.30 Kg/Hr
H2S 14.83 Kg/Hr
Reactivo limitante
H2S 14.83 Kg/Hr
ZnO 33.55 Kg/Hr
ZnS 40.18 Kg/Hr
H2O 7.46 Kg/Hr
A'
(requerido)
ZnO 33.55 Kg/Hr
LA SALIDA DEL DESULFURADOR.
B
Total 487.57 Kg/Hr
CO2 79.072 Kg/Hr
CH4 400.30 Kg/Hr
H2S 0.74 Kg/Hr
H2O(v) 7.46 Kg/Hr
B' ZnS 40.18 Kg/Hr
FUENTE: Autores del Proyecto.
S - 1
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 BALANCE DE ENERGIA DEL DESULFURADOR
FUENTE: Autores del Proyecto.
b) REFORMADOR.
B D
C
 TRANSPORTE DE MASA REFORMADOR.
LA ENTRADADEL REFORMADOR.
B
Total 487.57 Kg/Hr
CO2 79.072 Kg/Hr
CH4 400.30 Kg/Hr
H2S 0.74 Kg/Hr
H2O(v) 7.46 Kg/Hr
Reactivo limitante
H2 112.58 Kg/Hr
CH4 300.23 Kg/Hr
CO 525.40 Kg/Hr
H2O(v) 337.75 Kg/Hr
C
(Vapor requerido)
H2O(v) 337.75 Kg/Hr
LA SALIDA DEL REFORMADOR.
D
Total 825.33 Kg/Hr
CO2 79.07 Kg/Hr
CH4 100.08 Kg/Hr
H2S 0.74 Kg/Hr
H2O(v) 7.46 Kg/Hr
CO 525.40 Kg/Hr
H2 112.58 Kg/Hr
FUENTE: Autores del Proyecto.
EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr)
S-1 A (alimentación) 494.2 Kg/Hr 25 25
A'(ZnO) 33.55 Kg/Hr 25 25
R - 1
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 BALANCE DE ENERGIA DEL REFORMADOR.
EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr)
R-1 B 487.57 360 700
C vapor de agua 337.75 110 700
c) CONVERTIDOR.
D F
E
 TRANSPORTE DE MASA CONVERTIDOR.
LA ENTRADADEL CONVERTIDOR.
D
Total 825.33 Kg/Hr
CO2 79.07 Kg/Hr
CH4 100.08 Kg/Hr
H2S 0.74 Kg/Hr
H2O(v) 7.46 Kg/Hr
CO 525.40 Kg/Hr
H2 112.58 Kg/Hr
E
(vapor requerido) H2O(v) 555.47 Kg/Hr
Reacción 3
CO 525.40 Kg/Hr
H2O(v) 337.75 Kg/Hr
CO2: 825.62 Kg/Hr
H2 37.53 Kg/Hr
Reacción 4
CH4: 100.08 Kg/Hr
H2O: 225.17 Kg/Hr
CO2: 275.21 Kg/Hr
H2: 50.04 Kg/Hr
C - 1
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LA SALIDA DEL CONVERTIDOR.
F
Total 1380.79 Kg/Hr
CO2 1179.90 Kg/Hr
H2 200.15 Kg/Hr
H2S 0.74 Kg/Hr
 BALANCE DE ENERGIA DEL CONVERTIDOR.
EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr)
C-1 D 825.33 360
E vapor de agua 555.47 360
d) Metanizador.
P
N
Q
 TRANSPORTE DE MASA METANIZADOR.
LA ENTRADADEL METANIZADOR.
N
Total 1230Kg/Hr
CO2 1180Kg/Hr
aire 50Kg/Hr
LA SALIDA DEL METANIZADOR.
P
Q
Total 1230Kg/Hr
CH4 738Kg/Hr
H2O 492Kg/Hr
M - 1
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 BALANCE DE ENERGIA DEL METANIZADOR.
4.2 Selección y Diseño del reactor
4.2.1 Selección del tipo de reactor.
Se debe tener mucho cuidado al seleccionar el tipo de reactor a utilizar, ya que es un
factor clave para optimizarel proceso,es decir, para obtener las mayores conversiones.
Los reactores de flujo continuo tipo CSTR son el tipo más importante de reactor para la
síntesis a gran escala de productos químicos básicos e intermedios.
4.2.2 Diseño del reactor.
 Desulfurador.
a. Determinación de la forma geométrica.
 Forma: cilíndrica
 Posición: Vertical
 Cabezal: torisferico
 Fondo: torisferico
b. Calculo del volumen del reactor y dimensiones
El volumen de desulfurador es de m3
c. Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos.
El diámetro de desulfurador del es de m
d. Selección del material de construcción.
Se seleccionó el material de SA202 TIPO A.
EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr)
M-1 N (alimentación) 1180 Kg/Hr
P 738Kg/Hr
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 Reformador.
a. Determinación de la forma geométrica.
 Forma: cilíndrica
 Posición: Vertical
 Cabezal: torisferico
 Fondo: torisferico
b. Calculo del volumen del reactor y dimensiones.
El volumen de reformador es de m3
c. Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos.
El diámetro de reformador es de m
d. Selección del material de construcción.
Se seleccionó el material de SA202 TIPO A.
 Conversión:
a. Determinación de la forma geométrica.
 Forma: cilíndrica
 Posición: Vertical
 Cabezal: torisferico
 Fondo: torisferico
b. Calculo del volumen del reactor y dimensiones.
El volumen de conversor es de m3
c. Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos.
El diámetro de conversor del es de m
d. Selección del material de construcción.
Se seleccionó el material de SA202 TIPO A.
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4.2.3 Diseño gráfico. Planos del reactor (vistas: frontal, superior, lateral y
Cortes.)
 El diseño gráfico fue realizado en el programa AUTOCAD 2017.
 Los planos del reactor, también se encuentran adjuntos con vistas en 2D y 3D.
 Desulfurador.
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 Reformador
 Conversión de CO
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 Metanizador
4.2.4 Hoja de especificaciones.
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR
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DESULFURADOR.
Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto
Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre
Nombre y detalle: Desulfurador. Operación: Continua.
Función: Remover el S2H del biogás
Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles
Uso regular: Reserva: 0
MATERIAL MANIPULADO
Carga: CH4, CO2, S2H, IMPUREZAS.
Descarga: CH4, CO2 IMPUREZAS.
5 DATOS DE DISEÑO
Capacidad, pie3: Tiempo de reacción: s
Temperatura de operación: 77ºF Presión de Operación: 14.5psi
Temperatura d diseño: 77ºF Presión de diseño: 14.5 psi
Diámetro: 0.44 m Altura: 8 m
Espesor: pulg Soldadura: Traslape
Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico
Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico
ACOPLAMIENTOS
Detalles Ubicación Diámetro nominal,
Entrada de biogás pulg
Salida de gas de síntesis pulg
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR
REFORMADOR.
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Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto
Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre
Nombre y detalle: reactor de reformador. Operación: Continua.
Función: Producción gas de síntesis para la obtención de hidrogeno.
Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles
Uso regular: Reserva: 0
MATERIAL MANIPULADO
Carga: CH4, H2O (v), IMPUREZAS.
Descarga: CO, H2, IMPUREZAS.
DATOS DE DISEÑO
Capacidad, pie3: …………………………. Tiempo de reacción: 5 s
Temperatura de operación: 800ºF Presión de Operación: 400psi
Temperatura d diseño: 1300ºF Presión de diseño: 450pis
Diámetro: 1.2 m Altura: 2.4m
Espesor: 4pulg Soldadura: Traslape
Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico
Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico
ACOPLAMIENTOS
Detalles Ubicación Diámetro nominal,
Entrada de gas 7pulg
Entrada de vapor 6pulg
Salida de gas de síntesis 10pulg
ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR
CONVERTIDOR CO.
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Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto
Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre
Nombre y detalle: reactor de convertidor. Operación: Continua.
Función: Aumentar la concentración del gas de síntesis.
Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles
Uso regular: Reserva: 0
MATERIAL MANIPULADO
Carga: CH4, H2O (v), IMPUREZAS.
Descarga: CO2, H2, IMPUREZAS.
DATOS DE DISEÑO
Capacidad, pie3: …………………………. Tiempo de reacción: 5 s
Temperatura de operación: 700ºF Presión de Operación: 350psi
Temperatura d diseño: 1300ºF Presión de diseño: 400pis
Diámetro: 1.52 m Altura: 3.65 m
Espesor: 3 pulg Soldadura: Traslape
Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico
Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico
ACOPLAMIENTOS
Detalles Ubicación Diámetro nominal,
Entrada de gas 8pulg
Entrada de vapor 7pulg
Salida de gas de sintesis 13pulg
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ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR
METANIZADOR.
Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto
Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre
Nombre y detalle: reactor de metanizador. Operación: Continua.
Función: Recuperar mayor parte CH4 mediante el CO2.
Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles
Uso regular: Reserva: 0
MATERIAL MANIPULADO
Carga: CO2, (v), IMPUREZAS.
Descarga: CO, H2, IMPUREZAS.
DATOS DE DISEÑO
Capacidad, pie3: …………………………. Tiempo de reacción: 5 s
Temperatura de operación: 5ºF Presión de Operación: 14.7psi
Temperatura d diseño: 1300ºF Presión de diseño: 14.7 psi
Diámetro: 1.5m Altura: 3.61m
Espesor: 1 pulg Soldadura: Traslape
Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico
Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico
ACOPLAMIENTOS
Detalles Ubicación Diámetro nominal,
Entrada de gas 6pulg
Entrada de vapor 1 ½ pulg
Salida de gas de síntesis 6pulg
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Apéndice
Y
Anexos
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1. DESULFURADOR.
 CALCULO DEL VOLUMEN
Reactivos flujomasico( Tn/hr ) ƍ ( tn/m3) Q (m3/h) Vtotal de entrada V.reactor(m3) μ
A 0.49420 0.014882
ZnO 0,03355
V=π * D^2/4*h
V=π * D^3/4
Di(m)= Altura=
 CALCULO DEL ESPESOR.
 P diseño (bar) = psi
 Tº diseño (ºF) =
 R radio (m) = -------> pulg
 E =
 C (pulg) =
 S( psi) =
 e= = e nominal = pulgadas
C
xPSxE
PxR
e 


6.0
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 CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS (ENTRADA).
 Acoplamiento 1
Q (m3/h) Q (Pie3/s) ƍ (tn/m3) Μ(Cp)
A
ZnO
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,1
Di(m) = Di(nominal)= pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre= (ѵ*ρ*Di)/μ
V= A= pie2
Nre=(Turbulento)
 Acoplamiento 2
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di (m) = Di(nominal)= pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre= (ѵ*ρ*Di)/μ
V= A=pie2
Nre= (Turbuluento)
 CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS(SALIDA)
 Acoplamiento 3
Reactivos flujomasico( Tn/hr ) Q (m3/h) Q (pie3/s) ƍ ( tn/m3) ƍ ( lb/pie3) μ
B 0.82533 92.5672948 9.08085162 0.008916 0.5566 2.98 E-02
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) = Di(nominal)= pulg
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V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
V=0.92175417 A=0.92175417pie2
Nre=4.96E+05 (Turbulento).
 Acoplamiento 4
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) = Di(nominal)= pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
V= A=pie2
Nre= (Turbuluento)
2. REFORMADOR.
 CALCULO DEL VOLUMEN
Reactivos flujomasico( Tn/hr ) ƍ ( tn/m3) Q (m3/h) Vtotal de entrada V.reactor(m3) μ
B 0.48557 0.014882 32.628007 53.77174056 76.81677222 2.73 E-02
VAPOR DE AGUA 0.33775 0.015974 21.143734 3.00E-02
V=π * D^2/4*h
V=π * D^3/4
Di (m)= 4.0909207 Altura= 5.8441725
 CALCULO DEL ESPESOR.
 P diseño (bar) = 400psi
C
xPSxE
PxR
e 


6.0
OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 37
 Tº diseño (ºF) = 1292
 R radio (m) = 2.04546037 -------> 80.5299794pulg
 E = 0.85
 C (pulg) = 0.0625
 S( psi) = 12300
 e= 3.21590105 = e nominal = 4 pulgadas
 CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS (ENTRADA).
 Acoplamiento 1
Q (m3/h) Q (Pie3/s) ƍ (tn/m3) Μ(Cp)
B 32.628007 3.19754468 0.84282272 2.73E-02
Vapor de agua 21.1437336 2.07420026 0.90466672 3.00E-02
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,1
Di(m) = 6.43543336 Di(nominal)= 7pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
V=11.9644334 A= 0.26725417 pie2
3.20E-02 (Turbuluento)
 Acoplamiento 2
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) = 5.34553202 Di(nominal)= 6pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
V=10.5637905 A=0.19635 pie2
Nre=2.37E+05 (Turbuluento)
OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 38
 CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS(SALIDA)
 Acoplamiento 3
Reactivos flujomasico( Tn/hr ) Q (m3/h) Q (pie3/s) ƍ ( tn/m3) ƍ ( lb/pie3) μ
C 0.82533 92.5672948 9.08085162 0.008916 0.5566 2.98 E-02
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) = 9.75308892 Di(nominal)= 10pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
V=16.6493842 A=0.54541667pie2
Nre=3.86E+05 (Turbulento).
3. CONVERTIDOR CO.
 CALCULO DEL VOLUMEN.
V=π * D^2/4*h
V=π * D^3/4
Di(m)= 4.86134011 Altura= 6.94477159
 CALCULO DEL ESPESOR.
Reactivos flujomasico( Tn/hr ) ƍ ( tn/m3) Q (m3/h) Vtotal de entrada V.reactor(m3) μ (cp)
C 0.82533 0.014882 55.4582717 90.23165348 128.9023621 2.73 E-02
VAPOR DE AGUA 0.55547 0.015974 34.7733817 - - 3.00E-02
OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 39
 P diseño (bar) = 293.919psi
 Tº diseño (ºF) = 1292psi
 R radio (m) = 2.43067005m -------> 95.6957231pulg
 E = 0.85
 C (pulg) = 0.0625
 S( psi) = 12300
 e= 3.21590105 = e nominal = 3 pulgadas
 CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS (ENTRADA).
 Acoplamiento 1
Q (m3/h) Q (Pie3/s) ƍ (lb/pie3
) μ (cp)
C 55.4582717 5.43491063 0.84282272 2.73E-02
Vapor de agua 34.7733817 3.41126875 0.90466672 3.00E-02
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) = 8.17046739m Di(nominal)= 8pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre = (ѵ*ρ*Di)/μ
V= 15.5698356 A=0.34906667 pie2
Nre =4.77E+05 (Turbulento)
 Acoplamiento 2
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) =6.68683025 Di(nominal)= 7pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
C
xPSxE
PxR
e 


6.0
OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 40
V=12.7641368 A=0.19635 pie2
Nre=3.35E+05 (Turbulento)
 CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS(SALIDA)
 Acoplamiento 3
Reactivos flujomasico( Tn/hr ) Q (m3/h) Q (pie3/s) ƍ ( tn/m3) ƍ ( lb/pie3) μ
C 1.38 154.777927 15.18371467 0.008916 0.5566 2.98 E-02
Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13
Di(m) =12.2915128 Di(nominal)= 13pulg
V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ
V=0.92175417 A=0.92175417pie2
Nre=4.96E+05 (Turbulento).
4. METANIZADOR
 CALCULO DEL VOLUMEN DEL REACTOR METANADOR
 Densidad del Syngas (D): 380Kg/m3
 Flujo masico del Syngas (D): 1179.84Kg/h
 Flujo volumetrico de Syngas: 310.48m3/h
 Flujo masico de hidrogeno (E): 200 Kg/h
 Densidad del Agua (360°C) (E): 133.70kg/m3
 Flujo volumerico de vapor de agua: 0.00m3/h
 Flujo Volumetrico total: 3.10m3/h
 Velocidad espacial del catalizador: 100h-1
 Tiempo de reacción en el reactor: 0.09s
 Volumen de reacción: 3.10m3
 Volumen de lecho catalítico: 4.44m3
 Volumen del reactor: 5.34m3
OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 41
 REACTOR:
Si: 2 Diámetro = Altura
5.34m3
Entonces:
 Diámetrodel ReactorWGS: 1.50m
 Altura del Reactor: 3.01m
 Altura del Reactor WGS (+20%): 3.61m
 CALCULO DEL ESPESOR DE LAS PAREDES DEL REACTOR WGS
(CILINDRICO).
 Presión (Bar) : 20bar
 Presión ope.: 294psi
 Presión dis: 353psi
 Temperatura (°C): 360ºC
 Temp. ope.: 680ºF
 Factor a Psi : 14.5Psi
 Factor a P.de diseño:1.2
 Diámetro: 59.2pulg S: 13187 (Tabla 18.4 b walas (SA240 - 410)
 Radio interno: 29.6pulg E: 0.85 (Soldadura tralapado)
1.0 Pulg
Se tomara un espesor de 1"
 CALCULO DE LOS ACOPLAMIENTOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL
REACTOR WGS.
'CALCULO DEL ACOPLAMIENTO DE ALIMENTACION - SYNGAS - CORRIENTE (D)
 Flujo masico de Syngas: 1179.84Kg/h
 Flujo masico de Syngas: 2601.10lb/h
 Densidad del Syngas: 3.80Kg/m3
 Densidad del Syngas: 0.24lb/pie3
 Caudal 3.05pie3/s
5.34
Diámetro: 6" (Diámetro nominal).
𝟐∅ = h
𝐕𝐨𝐥 𝑹 =
𝝅
𝟒
𝒙∅ 𝟐
𝒙𝟐∅ =
𝒆 =
𝑷 𝒙 𝑹
𝑺𝒙𝑬 − 𝟎. 𝟔𝑷
=
𝑫𝒊 = 𝟑. 𝟗𝒙 𝑸 𝟎.𝟒𝟓
𝒙𝝆 𝟎.𝟏𝟑
=
OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS
Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 42
CALCULO DEL ACOPLAMIENTO DE ALIMENTACION - H2O(v) - CORRIENTE (E).
 Flujo masico de H2O(v ): 0.00Kg/h
 Flujo masico de H2O(v ): 0.00lb/h
 Densidad del H2O(v ): 133.70Kg/m3
 Densidad del H2O(v ): 8.35lb/pie3
0.00
Diámetro: 1 1/2" (Diámetro nominal).
'CALCULO DEL ACOPLAMIENTO DE LA SALIDA - SYNGAS - CORRIENTE (F)
 Flujo masico de Syngas: 1380.79Kg/h
 Flujo masico de Syngas: 3044.13lb/h
 Densidad del Syngas: 4.20Kg/m3
 Densidad del Syngas: 0.26lb/pie3
 Caudal 3.23pie3/s
5.55
MAN HOLE
 Largo: 50cm
 Ancho: 50cm
 Altura 30cm
𝑫𝒊 = 𝟑. 𝟗𝒙 𝑸 𝟎.𝟒𝟓
𝒙𝝆 𝟎.𝟏𝟑
=
𝑫𝒊 = 𝟑. 𝟗𝒙 𝑸 𝟎.𝟒𝟓
𝒙𝝆 𝟎.𝟏𝟑
=

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  • 1. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 1 Universidad Nacional “Pedro Ruiz Gallo” Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarias Proyecto de Obtención de Hidrogeno a partir de Biogás Autores:CórdovaDelgadoSheyla/HuamanchumoUcedaJany/Ordinola CuevaAnni/VidaurreVasquez Patricia Curso: Diseño de Plantas Industriales I - Informe N°2 Profesor: Juan C. Díaz Visitación
  • 2. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 2 CAPITULO IV SELECCIÓN Y DISEÑO DEL REACTOR
  • 3. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 3 INTRODUCCION El presente capítulo tiene como objetivo establecer la selección del reactor para luego diseñarlo de acuerdo a las especificaciones del proyecto aplicando los criterios técnicos de Ingeniería. Todos los procesos químicos giran en torno al reactor por lo cual representa uno de los factores más importantes para determinar la economía del proceso. Lo cual nos induce dar a conocer una explicación de las características del sistema de reacción, a la vez justificar las condiciones de operación del reactor, mediante un análisis de las variables del sistema de reacción. El diseño de reactores es un problema que el ingeniero químico enfrentará, al trabajar con reacciones químicas para ello, consideramos la selección del tipo de reactor que se va a utilizar así también como su diseño, mediante el uso de diferentes fórmulas, tablas y los cálculos adecuados, se alcanzó el objetivo, para lo cual fue necesario la elaboración de unos planos, para tener una idea mucho más clara y concisa de cómo están conformados los equipos, tan importantes en nuestro proceso.
  • 4. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 4 4.1 Análisis del sistema de reacción 4.1.1 Estequiometria de la reacción. a. Estequiometria de la reacción en el Desulfurador.  Esta es una reacción de eliminación de compuestos sulfurosos que se encuentre en el gas para no envenenar los catalizadores de los reactores. No es un reactor catalítico solo se produce una reacción estereoquímica.  Presión y temperatura son a condiciones atmosféricas  Conversión del 95%  Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son: CORRIENTE DE ENTRADA AL DESULFURIZADOR:  Reactivo limitante: (H2S)
  • 5. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 5  ZnO REQUERIDO EN LA DESHULFURIZACIÓN:  CORRIENTE DE SALIDA DEL DESULFURIZADOR:  ZnS CONVERTIDO EN LA ADSORCIÓN: b. Estequiometria de la reacción en el reformado de vapor.  La carga ya desulfurada en la sección anterior, continúa su paso a través de la unidad hacia la sección de reformado. Como su propio nombre indica, en esta sección es donde se produce la reacción del gas natural con el vapor de agua para producir el H2. Esta reacción se da con un exceso importante de vapor de agua y con un control muy estricto de la temperatura.  Presión a 20atm  Conversión del 95%  Catalizada entre CH4 y H2O  Temperatura de 900ºC
  • 6. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 6  La reacción es endotérmica: La mezcla gaseosa así obtenida es difícil de separar ya sea física o químicamente (es necesario enfriar hasta -205 ºC antes de que el monóxido pueda condensar)  Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son:  Reactivo limitante: (CH4)  Alimentación de vapor requerido:
  • 7. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 7  Corriente de salida del reformador: c. Estequiometria de la reacción en el convertidor de CO. Para aumentar el rendimiento y facilitar también la separación posterior, el monóxido se oxida a dióxido. Para ello, la mezcla es enfriada y se le inyecta vapor de agua de nuevo, esta vez sobre un catalizador de óxido de hierro III (Fe2O3). El problema de separar el dióxido del H. es más sencillo. Hay varias formas de abordar la separación: a. Medios físicos Una opción es enfriar la mezcla por debajo de la temperatura de condensación del CO2 (-78 ºC) muy diferente a la del H2 (-253 ºC). Económicamente viable mediante un servicio de frío en planta. b. Medios químicos El CO2 es un oxido ácido que reacciona con una disolución de carbonato potásico para dar el carbonato ácido de potasio. Calentando este se puede regenerar el carbonato:
  • 8. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 8  Presión 20atm  Temperatura 400ºC  Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son:  Reacción 3:  Reacción 4:  Alimentación de vapor requerido  Corriente de salida de convertidor.
  • 9. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 9 d. Estequiometria de la reacción en el metanizador. Las cantidades de gases de CO Y CO2 que salen del absolvedor pueden envenenar el medio ambiente, por lo tanto se debe reducir o eliminar la mayor parte de acuerdo a las normas del medio ambiente. El proceso más habitual es la conversión de CH4 y H2O mediante la hidrogenación en el metanizador.  Esta reacción se producen a una temperatura de 300º C  Utiliza un catalizador a base de níquel  La concentración residual de esto óxidos de carbono no suele alcanzarlos 10ppmv.  Las concentraciones que se dan en las diferentes corrientes son: 4.1.2 Análisis de la termodinámica y equilibrio de reacción
  • 10. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 10 La reacción global es exotérmica así que por encima de todo es un proceso que genera calor. La composición gaseosa del producto depende de la proporción C/H alimentada y del vapor amaleado, así pues la presión no tiene efecto significativo sobre esta composición. El proceso es habitualmente conducido de 2 a 4 MPa usando equipos compactos que reducen costes de compresión. Una composición típica en la salida para una alimentación de fuel oil es la mostrada en el cuadro. Este gas tiene una relación óxidos de carbón/hidrogeno mucho mas alta que el reformado con vapor. Para obtener una producción de 100 metros cúbicos de hidrogeno y monóxido de carbono se emplean 26 metros de oxígeno al 95 – 99%. La mezcla producto es enfriada directamente en contacto con agua y filtrada de tal forma que se elimina del flujo gas el carbono no reaccionado. A su vez estos restos de carbono se eliminan del agua por filtración para un posterior uso o simplemente se desecha dicha agua. El resto de etapas del proceso son las mismas que en el proceso de reformado: Shift de alta temperatura (mezcla con vapor y mezcla fluidizada a través de óxido de hierro, catalizador, para convertir el monóxido en dióxido, 90 a 95% de conversión), enfriado de nuevo antes de entrar en el Shift de baja temperatura.
  • 11. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 11 Enfriado a 38 ºC con agua antes de entrar al absorbedor de CO2 (usa MEA). Los gases purificados, no en su totalidad o aceptable al menos, se recalientan con los producidos en etapas anteriores antes de pasar al metanador que con Ni catalítico convertirá los gases carbónicos en metano. Este podría ser ya el producto final según especificaciones. 4.1.3 Cinética y mecanismo de reacción. a. Desulfurador 𝑘 𝑒 = 𝑘𝑖𝑑𝑎 𝑘 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 = 𝐶𝐶 𝑝 𝐶 𝐷 𝑞 𝐶𝐴 𝑛 𝐶 𝐵 𝑚
  • 12. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 12  Esta es una reacción de eliminación de compuestos sulfurosos que se encuentre en el gas para no envenenar los catalizadores de los reactores.  No es un reactor catalítico solo se produce una reacción estereoquímica. b. Reformador:  El estudio del equilibrio químico de los componentes del gas a menudo proporciona información útil del funcionamiento del generador. Sin embargo, los productos de la reformación varían de sus valores de equilibrio, pero en cualquier caso daban unos buenos valores de partida. El equilibrio químico requiere para cada temperatura una constante de equilibrio, y dándole el suficiente tiempo los gases alcanzarían la concentración de equilibrio. Por ejemplo para el caso de la reducción del vapor de agua mediante monóxido de carbono la constante de equilibrio se escribe:  Donde las concentraciones de equilibrio para el (CO2), (H2), (CO) y (H2O) expresadas en sus respectivas presiones parciales.
  • 13. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 13 c. Convertidor. Para aumentar el rendimiento y facilitar también la separación posterior, el monóxido se oxida a dióxido. Para ello, la mezcla es enfriada y se le inyecta vapor de agua de nuevo, esta vez sobre un catalizador de óxido de hierro III (Fe2O3). Así pues la reacción global será: d. Metanizador.  El proceso más habitual es la conversión de CO y CO2 en CH4 y H2O mediante la hidrogenación en el metanizador para poder eliminar la mayor parte de los gases contaminantes y poder recircular el CH4 en la alimentación del proceso.
  • 14. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 14 4.1.4 Transporte de masa y energía. a) DESULFURADOR. A’ A B B’  TRANSPORTE DEL MASA DE DESULFURADOR. LA ENTRADADEL DESULFURADOR. A Total 494.2 Kg/Hr CO2 79.07 Kg/Hr CH4 400.30 Kg/Hr H2S 14.83 Kg/Hr Reactivo limitante H2S 14.83 Kg/Hr ZnO 33.55 Kg/Hr ZnS 40.18 Kg/Hr H2O 7.46 Kg/Hr A' (requerido) ZnO 33.55 Kg/Hr LA SALIDA DEL DESULFURADOR. B Total 487.57 Kg/Hr CO2 79.072 Kg/Hr CH4 400.30 Kg/Hr H2S 0.74 Kg/Hr H2O(v) 7.46 Kg/Hr B' ZnS 40.18 Kg/Hr FUENTE: Autores del Proyecto. S - 1
  • 15. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 15  BALANCE DE ENERGIA DEL DESULFURADOR FUENTE: Autores del Proyecto. b) REFORMADOR. B D C  TRANSPORTE DE MASA REFORMADOR. LA ENTRADADEL REFORMADOR. B Total 487.57 Kg/Hr CO2 79.072 Kg/Hr CH4 400.30 Kg/Hr H2S 0.74 Kg/Hr H2O(v) 7.46 Kg/Hr Reactivo limitante H2 112.58 Kg/Hr CH4 300.23 Kg/Hr CO 525.40 Kg/Hr H2O(v) 337.75 Kg/Hr C (Vapor requerido) H2O(v) 337.75 Kg/Hr LA SALIDA DEL REFORMADOR. D Total 825.33 Kg/Hr CO2 79.07 Kg/Hr CH4 100.08 Kg/Hr H2S 0.74 Kg/Hr H2O(v) 7.46 Kg/Hr CO 525.40 Kg/Hr H2 112.58 Kg/Hr FUENTE: Autores del Proyecto. EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr) S-1 A (alimentación) 494.2 Kg/Hr 25 25 A'(ZnO) 33.55 Kg/Hr 25 25 R - 1
  • 16. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 16  BALANCE DE ENERGIA DEL REFORMADOR. EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr) R-1 B 487.57 360 700 C vapor de agua 337.75 110 700 c) CONVERTIDOR. D F E  TRANSPORTE DE MASA CONVERTIDOR. LA ENTRADADEL CONVERTIDOR. D Total 825.33 Kg/Hr CO2 79.07 Kg/Hr CH4 100.08 Kg/Hr H2S 0.74 Kg/Hr H2O(v) 7.46 Kg/Hr CO 525.40 Kg/Hr H2 112.58 Kg/Hr E (vapor requerido) H2O(v) 555.47 Kg/Hr Reacción 3 CO 525.40 Kg/Hr H2O(v) 337.75 Kg/Hr CO2: 825.62 Kg/Hr H2 37.53 Kg/Hr Reacción 4 CH4: 100.08 Kg/Hr H2O: 225.17 Kg/Hr CO2: 275.21 Kg/Hr H2: 50.04 Kg/Hr C - 1
  • 17. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 17 LA SALIDA DEL CONVERTIDOR. F Total 1380.79 Kg/Hr CO2 1179.90 Kg/Hr H2 200.15 Kg/Hr H2S 0.74 Kg/Hr  BALANCE DE ENERGIA DEL CONVERTIDOR. EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr) C-1 D 825.33 360 E vapor de agua 555.47 360 d) Metanizador. P N Q  TRANSPORTE DE MASA METANIZADOR. LA ENTRADADEL METANIZADOR. N Total 1230Kg/Hr CO2 1180Kg/Hr aire 50Kg/Hr LA SALIDA DEL METANIZADOR. P Q Total 1230Kg/Hr CH4 738Kg/Hr H2O 492Kg/Hr M - 1
  • 18. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 18  BALANCE DE ENERGIA DEL METANIZADOR. 4.2 Selección y Diseño del reactor 4.2.1 Selección del tipo de reactor. Se debe tener mucho cuidado al seleccionar el tipo de reactor a utilizar, ya que es un factor clave para optimizarel proceso,es decir, para obtener las mayores conversiones. Los reactores de flujo continuo tipo CSTR son el tipo más importante de reactor para la síntesis a gran escala de productos químicos básicos e intermedios. 4.2.2 Diseño del reactor.  Desulfurador. a. Determinación de la forma geométrica.  Forma: cilíndrica  Posición: Vertical  Cabezal: torisferico  Fondo: torisferico b. Calculo del volumen del reactor y dimensiones El volumen de desulfurador es de m3 c. Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos. El diámetro de desulfurador del es de m d. Selección del material de construcción. Se seleccionó el material de SA202 TIPO A. EQUIPOS CORRIENTES MASA(KG/Hr) Tªinicial(ºC) Tºfinal(ºC) cp(KJ/KgºC) Q(KJ/Hr) M-1 N (alimentación) 1180 Kg/Hr P 738Kg/Hr
  • 19. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 19  Reformador. a. Determinación de la forma geométrica.  Forma: cilíndrica  Posición: Vertical  Cabezal: torisferico  Fondo: torisferico b. Calculo del volumen del reactor y dimensiones. El volumen de reformador es de m3 c. Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos. El diámetro de reformador es de m d. Selección del material de construcción. Se seleccionó el material de SA202 TIPO A.  Conversión: a. Determinación de la forma geométrica.  Forma: cilíndrica  Posición: Vertical  Cabezal: torisferico  Fondo: torisferico b. Calculo del volumen del reactor y dimensiones. El volumen de conversor es de m3 c. Cálculo del diámetro óptimo de los acoplamientos. El diámetro de conversor del es de m d. Selección del material de construcción. Se seleccionó el material de SA202 TIPO A.
  • 20. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 20 4.2.3 Diseño gráfico. Planos del reactor (vistas: frontal, superior, lateral y Cortes.)  El diseño gráfico fue realizado en el programa AUTOCAD 2017.  Los planos del reactor, también se encuentran adjuntos con vistas en 2D y 3D.  Desulfurador.
  • 21. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 21  Reformador  Conversión de CO
  • 22. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 22
  • 23. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 23
  • 24. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 24
  • 25. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 25
  • 26. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 26
  • 27. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 27
  • 28. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 28  Metanizador 4.2.4 Hoja de especificaciones. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR
  • 29. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 29 DESULFURADOR. Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre Nombre y detalle: Desulfurador. Operación: Continua. Función: Remover el S2H del biogás Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles Uso regular: Reserva: 0 MATERIAL MANIPULADO Carga: CH4, CO2, S2H, IMPUREZAS. Descarga: CH4, CO2 IMPUREZAS. 5 DATOS DE DISEÑO Capacidad, pie3: Tiempo de reacción: s Temperatura de operación: 77ºF Presión de Operación: 14.5psi Temperatura d diseño: 77ºF Presión de diseño: 14.5 psi Diámetro: 0.44 m Altura: 8 m Espesor: pulg Soldadura: Traslape Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico ACOPLAMIENTOS Detalles Ubicación Diámetro nominal, Entrada de biogás pulg Salida de gas de síntesis pulg ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR REFORMADOR.
  • 30. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 30 Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre Nombre y detalle: reactor de reformador. Operación: Continua. Función: Producción gas de síntesis para la obtención de hidrogeno. Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles Uso regular: Reserva: 0 MATERIAL MANIPULADO Carga: CH4, H2O (v), IMPUREZAS. Descarga: CO, H2, IMPUREZAS. DATOS DE DISEÑO Capacidad, pie3: …………………………. Tiempo de reacción: 5 s Temperatura de operación: 800ºF Presión de Operación: 400psi Temperatura d diseño: 1300ºF Presión de diseño: 450pis Diámetro: 1.2 m Altura: 2.4m Espesor: 4pulg Soldadura: Traslape Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico ACOPLAMIENTOS Detalles Ubicación Diámetro nominal, Entrada de gas 7pulg Entrada de vapor 6pulg Salida de gas de síntesis 10pulg ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR CONVERTIDOR CO.
  • 31. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 31 Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre Nombre y detalle: reactor de convertidor. Operación: Continua. Función: Aumentar la concentración del gas de síntesis. Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles Uso regular: Reserva: 0 MATERIAL MANIPULADO Carga: CH4, H2O (v), IMPUREZAS. Descarga: CO2, H2, IMPUREZAS. DATOS DE DISEÑO Capacidad, pie3: …………………………. Tiempo de reacción: 5 s Temperatura de operación: 700ºF Presión de Operación: 350psi Temperatura d diseño: 1300ºF Presión de diseño: 400pis Diámetro: 1.52 m Altura: 3.65 m Espesor: 3 pulg Soldadura: Traslape Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico ACOPLAMIENTOS Detalles Ubicación Diámetro nominal, Entrada de gas 8pulg Entrada de vapor 7pulg Salida de gas de sintesis 13pulg
  • 32. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 32 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO REACTOR METANIZADOR. Planta: Obtención de hidrógeno Diseñistas: Autores del proyecto Fecha: 2017-II Tipo de Reactor: Tipo torre Nombre y detalle: reactor de metanizador. Operación: Continua. Función: Recuperar mayor parte CH4 mediante el CO2. Unid. Requeridas: Sistema internacional ingles Uso regular: Reserva: 0 MATERIAL MANIPULADO Carga: CO2, (v), IMPUREZAS. Descarga: CO, H2, IMPUREZAS. DATOS DE DISEÑO Capacidad, pie3: …………………………. Tiempo de reacción: 5 s Temperatura de operación: 5ºF Presión de Operación: 14.7psi Temperatura d diseño: 1300ºF Presión de diseño: 14.7 psi Diámetro: 1.5m Altura: 3.61m Espesor: 1 pulg Soldadura: Traslape Posición: Vertical Tipo de cabezal: Torisferico Material de construcción: SA202 TIPO A Tipo de fondo: Torisferico ACOPLAMIENTOS Detalles Ubicación Diámetro nominal, Entrada de gas 6pulg Entrada de vapor 1 ½ pulg Salida de gas de síntesis 6pulg
  • 33. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 33 Apéndice Y Anexos
  • 34. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 34 1. DESULFURADOR.  CALCULO DEL VOLUMEN Reactivos flujomasico( Tn/hr ) ƍ ( tn/m3) Q (m3/h) Vtotal de entrada V.reactor(m3) μ A 0.49420 0.014882 ZnO 0,03355 V=π * D^2/4*h V=π * D^3/4 Di(m)= Altura=  CALCULO DEL ESPESOR.  P diseño (bar) = psi  Tº diseño (ºF) =  R radio (m) = -------> pulg  E =  C (pulg) =  S( psi) =  e= = e nominal = pulgadas C xPSxE PxR e    6.0
  • 35. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 35  CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS (ENTRADA).  Acoplamiento 1 Q (m3/h) Q (Pie3/s) ƍ (tn/m3) Μ(Cp) A ZnO Di = 3,9*Q^0,45*p^0,1 Di(m) = Di(nominal)= pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre= (ѵ*ρ*Di)/μ V= A= pie2 Nre=(Turbulento)  Acoplamiento 2 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di (m) = Di(nominal)= pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre= (ѵ*ρ*Di)/μ V= A=pie2 Nre= (Turbuluento)  CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS(SALIDA)  Acoplamiento 3 Reactivos flujomasico( Tn/hr ) Q (m3/h) Q (pie3/s) ƍ ( tn/m3) ƍ ( lb/pie3) μ B 0.82533 92.5672948 9.08085162 0.008916 0.5566 2.98 E-02 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) = Di(nominal)= pulg
  • 36. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 36 V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ V=0.92175417 A=0.92175417pie2 Nre=4.96E+05 (Turbulento).  Acoplamiento 4 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) = Di(nominal)= pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ V= A=pie2 Nre= (Turbuluento) 2. REFORMADOR.  CALCULO DEL VOLUMEN Reactivos flujomasico( Tn/hr ) ƍ ( tn/m3) Q (m3/h) Vtotal de entrada V.reactor(m3) μ B 0.48557 0.014882 32.628007 53.77174056 76.81677222 2.73 E-02 VAPOR DE AGUA 0.33775 0.015974 21.143734 3.00E-02 V=π * D^2/4*h V=π * D^3/4 Di (m)= 4.0909207 Altura= 5.8441725  CALCULO DEL ESPESOR.  P diseño (bar) = 400psi C xPSxE PxR e    6.0
  • 37. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 37  Tº diseño (ºF) = 1292  R radio (m) = 2.04546037 -------> 80.5299794pulg  E = 0.85  C (pulg) = 0.0625  S( psi) = 12300  e= 3.21590105 = e nominal = 4 pulgadas  CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS (ENTRADA).  Acoplamiento 1 Q (m3/h) Q (Pie3/s) ƍ (tn/m3) Μ(Cp) B 32.628007 3.19754468 0.84282272 2.73E-02 Vapor de agua 21.1437336 2.07420026 0.90466672 3.00E-02 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,1 Di(m) = 6.43543336 Di(nominal)= 7pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ V=11.9644334 A= 0.26725417 pie2 3.20E-02 (Turbuluento)  Acoplamiento 2 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) = 5.34553202 Di(nominal)= 6pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ V=10.5637905 A=0.19635 pie2 Nre=2.37E+05 (Turbuluento)
  • 38. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 38  CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS(SALIDA)  Acoplamiento 3 Reactivos flujomasico( Tn/hr ) Q (m3/h) Q (pie3/s) ƍ ( tn/m3) ƍ ( lb/pie3) μ C 0.82533 92.5672948 9.08085162 0.008916 0.5566 2.98 E-02 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) = 9.75308892 Di(nominal)= 10pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ V=16.6493842 A=0.54541667pie2 Nre=3.86E+05 (Turbulento). 3. CONVERTIDOR CO.  CALCULO DEL VOLUMEN. V=π * D^2/4*h V=π * D^3/4 Di(m)= 4.86134011 Altura= 6.94477159  CALCULO DEL ESPESOR. Reactivos flujomasico( Tn/hr ) ƍ ( tn/m3) Q (m3/h) Vtotal de entrada V.reactor(m3) μ (cp) C 0.82533 0.014882 55.4582717 90.23165348 128.9023621 2.73 E-02 VAPOR DE AGUA 0.55547 0.015974 34.7733817 - - 3.00E-02
  • 39. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 39  P diseño (bar) = 293.919psi  Tº diseño (ºF) = 1292psi  R radio (m) = 2.43067005m -------> 95.6957231pulg  E = 0.85  C (pulg) = 0.0625  S( psi) = 12300  e= 3.21590105 = e nominal = 3 pulgadas  CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS (ENTRADA).  Acoplamiento 1 Q (m3/h) Q (Pie3/s) ƍ (lb/pie3 ) μ (cp) C 55.4582717 5.43491063 0.84282272 2.73E-02 Vapor de agua 34.7733817 3.41126875 0.90466672 3.00E-02 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) = 8.17046739m Di(nominal)= 8pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre = (ѵ*ρ*Di)/μ V= 15.5698356 A=0.34906667 pie2 Nre =4.77E+05 (Turbulento)  Acoplamiento 2 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) =6.68683025 Di(nominal)= 7pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ C xPSxE PxR e    6.0
  • 40. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 40 V=12.7641368 A=0.19635 pie2 Nre=3.35E+05 (Turbulento)  CALCULO DE ACOMPLAMIENTOS(SALIDA)  Acoplamiento 3 Reactivos flujomasico( Tn/hr ) Q (m3/h) Q (pie3/s) ƍ ( tn/m3) ƍ ( lb/pie3) μ C 1.38 154.777927 15.18371467 0.008916 0.5566 2.98 E-02 Di = 3,9*Q^0,45*p^0,13 Di(m) =12.2915128 Di(nominal)= 13pulg V=Q/A A= (πDi^2)/4 Nre=(ѵ*ρ*Di)/μ V=0.92175417 A=0.92175417pie2 Nre=4.96E+05 (Turbulento). 4. METANIZADOR  CALCULO DEL VOLUMEN DEL REACTOR METANADOR  Densidad del Syngas (D): 380Kg/m3  Flujo masico del Syngas (D): 1179.84Kg/h  Flujo volumetrico de Syngas: 310.48m3/h  Flujo masico de hidrogeno (E): 200 Kg/h  Densidad del Agua (360°C) (E): 133.70kg/m3  Flujo volumerico de vapor de agua: 0.00m3/h  Flujo Volumetrico total: 3.10m3/h  Velocidad espacial del catalizador: 100h-1  Tiempo de reacción en el reactor: 0.09s  Volumen de reacción: 3.10m3  Volumen de lecho catalítico: 4.44m3  Volumen del reactor: 5.34m3
  • 41. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 41  REACTOR: Si: 2 Diámetro = Altura 5.34m3 Entonces:  Diámetrodel ReactorWGS: 1.50m  Altura del Reactor: 3.01m  Altura del Reactor WGS (+20%): 3.61m  CALCULO DEL ESPESOR DE LAS PAREDES DEL REACTOR WGS (CILINDRICO).  Presión (Bar) : 20bar  Presión ope.: 294psi  Presión dis: 353psi  Temperatura (°C): 360ºC  Temp. ope.: 680ºF  Factor a Psi : 14.5Psi  Factor a P.de diseño:1.2  Diámetro: 59.2pulg S: 13187 (Tabla 18.4 b walas (SA240 - 410)  Radio interno: 29.6pulg E: 0.85 (Soldadura tralapado) 1.0 Pulg Se tomara un espesor de 1"  CALCULO DE LOS ACOPLAMIENTOS DE ENTRADA Y SALIDA DEL REACTOR WGS. 'CALCULO DEL ACOPLAMIENTO DE ALIMENTACION - SYNGAS - CORRIENTE (D)  Flujo masico de Syngas: 1179.84Kg/h  Flujo masico de Syngas: 2601.10lb/h  Densidad del Syngas: 3.80Kg/m3  Densidad del Syngas: 0.24lb/pie3  Caudal 3.05pie3/s 5.34 Diámetro: 6" (Diámetro nominal). 𝟐∅ = h 𝐕𝐨𝐥 𝑹 = 𝝅 𝟒 𝒙∅ 𝟐 𝒙𝟐∅ = 𝒆 = 𝑷 𝒙 𝑹 𝑺𝒙𝑬 − 𝟎. 𝟔𝑷 = 𝑫𝒊 = 𝟑. 𝟗𝒙 𝑸 𝟎.𝟒𝟓 𝒙𝝆 𝟎.𝟏𝟑 =
  • 42. OBTENCION DE HIDROGENOA PARTIRDE BIOGAS Córdova Sheyla/ Ordinola Anni/ Huamanchumo Jany/ Vidaurre Patricia. 42 CALCULO DEL ACOPLAMIENTO DE ALIMENTACION - H2O(v) - CORRIENTE (E).  Flujo masico de H2O(v ): 0.00Kg/h  Flujo masico de H2O(v ): 0.00lb/h  Densidad del H2O(v ): 133.70Kg/m3  Densidad del H2O(v ): 8.35lb/pie3 0.00 Diámetro: 1 1/2" (Diámetro nominal). 'CALCULO DEL ACOPLAMIENTO DE LA SALIDA - SYNGAS - CORRIENTE (F)  Flujo masico de Syngas: 1380.79Kg/h  Flujo masico de Syngas: 3044.13lb/h  Densidad del Syngas: 4.20Kg/m3  Densidad del Syngas: 0.26lb/pie3  Caudal 3.23pie3/s 5.55 MAN HOLE  Largo: 50cm  Ancho: 50cm  Altura 30cm 𝑫𝒊 = 𝟑. 𝟗𝒙 𝑸 𝟎.𝟒𝟓 𝒙𝝆 𝟎.𝟏𝟑 = 𝑫𝒊 = 𝟑. 𝟗𝒙 𝑸 𝟎.𝟒𝟓 𝒙𝝆 𝟎.𝟏𝟑 =