Optimización de la distribución de catalizadores en hidrotratamiento de destilados medios
- Autores: Elisa Marisol Verruschi Pigliacampo
- Directores de la Tesis: Carlos Gustavo Dassori (dir. tes.), Francisco Javier Quintana Martín (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2008
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Angel Santos García (presid.), Manuel Rodríguez Hernandez (secret.), Edgardo Santiago Arévalo (voc.), José Luis Martínez del Pozo (voc.), Luis M. Marzo Rodrigo (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Con el enfoque creciente para reducir el contenido de sulfurados y aromáticos en los combustibles, el proceso de hidrotratamiento de destilados medios se hace cada día más importante en las refinerías. Existen diferentes tecnologías para la remoción de sulfurados y aromáticos, y una de las más usadas es el proceso donde se le agrega hidrógeno al combustible para su remoción. Estas tendencias son: la mejora de la actividad del catalizador, a través de la formulación de nuevos catalizadores; adaptación de la reacción y de las condiciones del proceso; diseño de nuevas configuraciones de reactores y desarrollo de nuevos procesos. En la parte de diseño de configuraciones de reactores nuevos, se tiene diferentes propuestas para el diseño de nuevos reactores industriales. Una de estas propuestas es colocar en un único reactor, diferentes tipos de catalizadores, el cual puede ser operado en flujo en equicorriente y en flujo en contra-corriente. En función de lo antes expuesto, el objetivo principal del presente trabajo fue desarrollar una metodología que permita obtener una propuesta de la mejor configuración de lechos catalíticos con dos tipos de catalizadores diferentes para un reactor de hidrodesulfuracion de gasóleo, a través de la propuesta de un modelo que permita obtener la mejor distribución de dos tipos de lechos catalíticos el reactor, tal que estudie la existencia o no y la selección de un tipo de catalizador, y genere como resultado la mejor combinación de catalizadores en el reactor y el tamaño del equipo, minimizando el costo total anual. La metodología general propuesta consta de diferentes etapas. La primera fue el desarrollo de un modelo de simulación detallado para un reactor del proceso de hidrotratamiento de gasóleo con reacciones químicas en las fases líquida y gaseosa, considerando el efecto de la transferencia de masa gas-líquido, la eficiencia de mojado y un factor de efectividad global en el sistema. Luego se evaluó los coeficientes de las velocidades de reacción en base a datos experimentales modificando los que aparecen en la bibliografía, y se simplificó el modelo sin detrimento de la bondad de los resultados. El modelo anterior permite obtener los datos de entrada al modelo de optimización de la red de reactores. Como paso previo al modelo de optimización estocástica se desarrolló un modelo de optimización determinista y finalmente se desarrolló el modelo de optimización bajo incertidumbre basado en programación matemática estocástica no lineal entera mixta, el cual proporciona el mejor diseño del reactor, tipos de catalizadores incluidos, de manera que minimice el consumo de hidrógeno, los costos del catalizador y maximice el tiempo de vida del catalizador. Entre los resultados obtenidos se tiene que se desarrolló el modelo matemático detallado del reactor de hidrotratamiento de destilados medios, el cual, se representó a través de un modelo pseudohomogéneo, que es la característica de los modelos que incorporan el factor de efectividad global El sistema reactivo estudiado fue la reacción de eliminación del sulfurados en compuestos aromáticos y las reacciones de hidrogenación de los compuestos diaromáticos y monoaromáticos a naftenos. Se realizó una simulación isotérmica y adiabática a nivel de planta piloto y una a nivel de planta comercial. Los datos utilizados pertenecen a un experimento a nivel de planta piloto y fueron escalados a nivel de planta comercial. La simulación a nivel de planta piloto se realizó considerando el uso de inertes no porosos, para así lograr un comportamiento similar al de la planta comercial, con respecto a mojado pobre, efecto de pared, retro mezclado de líquido, efectos de transferencia de masa y efectos de la temperatura. En esta etapa se determinó, la composición de la corriente de salida y las velocidades de operación del reactor. Asumiendo que se mantiene la velocidad espacial igual para cada nivel, se realizó el escalamiento a nivel comercial, lo que permitió obtener las nuevas velocidades de operación del reactor. Los datos obtenidos en la simulación en escala de planta comercial, fueron utilizados como datos de entrada a los modelos de optimización determinista y la optimización estocástica. Adicionalmente, se desarrolló la optimización determinista y estocástica del reactor, donde se propuso una metodología para desarrollar optimización no lineal en el reactor de hidrotratamiento de gasóleo con el objetivo de proponer el diseño óptimo para la síntesis de un reactor de hidrotratamiento de gasóleo indicando la distribución del tipo de catalizador, longitud y diámetro del lecho catalítico y conversión de los reactivos, mediante el uso de la química básica a través de propuesta de las reacciones que ocurren en el sistema en función del tipo de catalizador. Se trabajó con dos casos de operación, para obtener el diseño conceptual del reactor en cada uno de los casos y poder establecer así, las tendencias de los resultados obtenidos. La condición de operación que se varió fue el flujo de alimentación del gasóleo. En el caso determinista, el flujo de alimentación seleccionado es único, y para el caso estocástico, es la esperanza matemática de los flujos de alimentación de gasóleos seleccionados. Al comparar los resultados del modelo determinista con los resultados del modelo estocástico se observa, que los resultados del modelo estocástico son más robustos que los del modelo determinista. En el caso del modelo estocástico se pueden observar las tendencias de las opciones de configuración de distribución de uno o dos tipos de catalizadores en el lecho catalítico del reactor, desde dos criterios: uno de calidad y el otro de operación. El primero es la conversión de aromáticos sulfurados y la segunda es el consumo de hidrógeno, este último permite proyectar las tendencias de los costes de operación con respecto al consumo de hidrógeno. En el caso del modelo determinista solo se pudo establecer un único criterio para observar las tendencias, el cual fue el criterio de calidad del gasóleo, medido en conversión del aromático azufrado. En ambos modelos los resultados de las tendencias con respecto al criterio de calidad fue mismo, se obtiene mejor conversión cuando el resultado factible es la opción de trabajar con un reactor con una combinación de dos tipos de catalizadores. SUMMARY With the increasing approach to reduce the sulfated and aromatic content in fuels, the process of hydrotreating the average distillates is gaining a mayor importance everyday in refineries. There are different technologies for the removal of sulfated and aromatic one of the most used processes is when hydrogen is added to fuel. These tendencies are: the improvement of the activity of the catalyst through the formulation of new catalysts; adaptation of the reaction and the conditions of the process; design of new configurations of reactors and development of new processes. In the area of design of configurations of new reactors, there are different proposals for the design from new industrial reactors. One of these proposals is to place in a unique reactor, different types from catalysts which can be operated against the cocurrent flow and crosscurrent flow. Based on the previously exposed, the primary target of the present work was to develop a methodology that that will allow us to obtain a proposal of the best configuration of catalytic beds, with two types of different catalysts for a reactor of hydrodesulfurization of gasoil, through the proposal of a model that allows to obtain the best distribution of two types of catalytic beds the reactor, that will study the existence or not and the selection of a type of catalyst, and as a result will generate the best combination of catalysts in the reactor and the size of the equipment, diminishing the annual total cost. The general methodology proposed consists of different stages. First was the development of a detailed model of simulation for a reactor of the process of gasoil hydrotreating with chemical reactions in the liquid phases and gaseous, considering the effect of the gas-liquid mass transfer, the efficiency of wet and a factor of global effectiveness in the system. The coefficients of the reaction rates where evaluated on the basis of experimental data modifying those that appear in the bibliography, and the model without damage to the kindness of the results was simplified. The previous model allows to obtain the input data to the model of optimization of the network of reactors. As previous step to the model of stochastic optimization a model of determinist optimization was developed and finally the model of optimization under uncertainty was developed based on nonlinear mixed stochastic mathematical programming, which provides the best reactor design, including types catalysts, so that it diminishes the hydrogen consumption, the costs of the catalyst and maximize the time of life of the catalyst. According to the obtained results, a detailed mathematical model of the reactor of hydrotreating of average distillates, has to be developed, which, imagined through a pseudohomogenous model, that is the characteristic of the models that incorporate the factor of global effectiveness. The studied reactive system was the reaction of elimination of sulfur in aromatic compounds and the reaction of hydrogenation of diaromatic and monoaromatic compounds to naftenos. An isothermal and adiabatic plant. The used data belong to an experiment concerning pilot plant and were scaled concerning commercial plant. The simulation concerning pilot plant was realized considering the use of inert nonporous, thus to obtain a behavior similar to the one of the commercial plant, concerning wet poor, wall effect, retro mixed of liquid, effects of mass transfer and temperature effects. In this stage it was determined, the composition of the exiting stream and the speeds of operation of the reactor. Assuming the space speed is stays equal for each level, the scale at a commercial level was realized, which allowed to obtain the new speeds of operation of the reactor. The data collected in the simulation in scale of commercial plant, were used like input data to the models of determinist optimization and the stochastic optimization. Additionally, the determinist optimization and stochastic of the reactor was developed, where a methodology to develop nonlinear optimization in the reactor of hydrotreating gasoil was proposed, with the aim of proposing the optimal design for the synthesis of a reactor of gasoil hydrotreating indicating the distribution of the type of catalyst, length and diameter of catalytic bed and conversion of the reagents, by means of the use of basic chemistry through proposal of the reactions that happen in the system based on the type of catalyst. Two cases of operation were worked with, to obtain the conceptual design of the reactor in each one of the cases and power thus of establishing, the tendencies of the obtained results. The condition of operation that varied was the flow of feeding of the gasoil. In the determinist case, the selected flow of feeding is unique, and for the stochastic case, it is the mathematical hope of the flows of selected gasoil feeding. When comparing the results of the determinist model with the results of the stochastic model we can observe, that the results of the stochastic model are more robust than those of the determinist model. In the case of the stochastic model the tendencies of the options of configuration of distribution of one can be observed or two types of catalysts in the catalytic bed of the reactor, from two criteria: one of quality and the other of operation. First it is the conversion of aromatic sulfurated and second it is the hydrogen consumption, this last one allows to project the tendencies of the costs of operation with respect to the hydrogen consumption. In the case of the determinist model a unique criteria could only be established to observe the tendencies, which were the criteria of quality of the gasoil, measured in aromatic conversion of the sulfured one. In both models the results of the tendencies with respect to the quality criteria were the same, a better conversion was obtained when the feasible result is the option to work with a reactor with a combination of two types of catalysts.
