Por qué la simulación es esencial en el diseño de convertidores

¿Por qué es necesaria la simulación?

Razón principal: la complejidad y rigurosidad de la reacción de síntesis de amoníaco.

01 Limitaciones del equilibrio termodinámico

• La reacción N₂ + 3 horas₂ ⇌ 2NH₃ es reversible, exotérmica e implica una reducción en el número total de moléculas, lo que crea una compensación inherente.
• La simulación permite el cálculo preciso de la concentración de amoníaco en equilibrio en diferentes condiciones de temperatura, presión y composición, proporcionando un techo teórico para seleccionar las condiciones operativas óptimas.

02 Cinética de reacciones complejas

• La velocidad de reacción depende no sólo de la temperatura y la presión, sino también en gran medida del tipo de catalizador, la actividad, el tamaño de las partículas y los procesos de adsorción en la superficie del catalizador.
• La simulación ayuda a construir modelos cinéticos para predecir el tamaño del convertidor y las condiciones de funcionamiento necesarias para lograr una tasa de producción deseada con catalizadores industriales reales.

03 Efectos térmicos fuertes

• La reacción libera una enorme cantidad de calor. En convertidores a gran escala, si el calor no se elimina eficazmente, puede producirse un sobrecalentamiento local (puntos calientes).
• El sobrecalentamiento reduce las tasas de conversión de equilibrio y puede sinterizar el catalizador, lo que provoca una desactivación permanente.
• La gestión de los efectos térmicos es fundamental para la seguridad del convertidor y el funcionamiento estable a largo plazo.

04 Alta Integración de Procesos

Un circuito de síntesis de amoníaco no es solo un convertidor, incluye

• Compresión del gas de alimentación
• Recuperación de calor del calor de reacción
• Separación de productos
• bucle de reciclaje

Estas unidades están estrechamente integradas, lo que significa que un cambio en un parámetro puede afectar a todo el sistema.

Funciones de simulación y análisis

Dada la complejidad mencionada anteriormente, la simulación juega un papel irreemplazable en el diseño y la optimización.

01 Diseño y optimización de convertidores

Escalamiento y configuración

• La ampliación de los convertidores de vidrio de laboratorio a los convertidores industriales de un millón de toneladas por año no es una simple ampliación proporcional.
• Los modelos de CFD (dinámica de fluidos computacional) y cinética química pueden simular la transferencia de momento, la transferencia de calor, la transferencia de masa y la cinética de reacción dentro del convertidor.

Predicción de puntos calientes

• La simulación puede predecir con precisión la distribución de temperatura dentro del convertidor, especialmente en el lecho del catalizador, identificando posibles puntos críticos.
• Esto guía el diseño estructural interno (por ejemplo, lechos múltiples con enfriamiento entre etapas), esquemas de enfriamiento y estrategias operativas.

Evaluación del rendimiento del catalizador

• Los modelos de simulación permiten comparar la actividad del catalizador y los efectos del tamaño de partícula en la progresión de la reacción y la caída de presión, lo que respalda la selección del catalizador y las estrategias de carga.

02 Optimización de todo el proceso y mejora de la eficiencia energética

Integración energética

• El software de simulación de procesos puede modelar todo el ciclo de síntesis de amoníaco.
• La simulación calcula la cantidad y el grado de calor liberado por la reacción, optimiza la red de intercambiadores de calor y maximiza la recuperación de energía, minimizando el consumo de servicios externos (por ejemplo, vapor, agua de refrigeración).
• Esto es crucial ya que el consumo de energía predomina sobre los costos de producción de amoníaco.

Optimización de las condiciones operativas

• Se pueden ejecutar experimentos virtuales para probar diversas presiones, temperaturas, relaciones de reciclaje y concentraciones de gases inertes (por ejemplo, argón, metano), identificando ventanas operativas óptimas para maximizar el rendimiento y minimizar los costos.

03 Análisis de seguridad y confiabilidad

Simulación de condiciones anormales

• Modelos de simulación de arranque, parada, cambios de carga y fallas de equipos.
• Por ejemplo, ¿cómo responderán la temperatura y la presión del sistema a cambios repentinos en la composición de la alimentación o a la inestabilidad del compresor?
• Estos conocimientos respaldan el diseño de enclavamientos de seguridad y estrategias de control para prevenir accidentes.

Dimensionamiento del equipo

• Los datos precisos de flujo, composición y temperatura de la simulación permiten dimensionar con precisión los equipos relacionados (por ejemplo, intercambiadores de calor, tuberías, válvulas, separadores).

04 Evaluación de beneficios económicos y apoyo a la toma de decisiones

Reducción de riesgos

• Detecte fallas de diseño antes de la construcción de la planta para evitar modificaciones costosas posteriores a la instalación.

Predicción de costos

• Pronosticar con precisión el consumo de materias primas y servicios públicos, mejorando las estimaciones de costos para estudios de viabilidad y decisiones de inversión.

CFD en el diseño de convertidores de síntesis de amoníaco

CFD es una técnica de simulación numérica para resolver problemas de flujo de fluidos, transferencia de calor y transferencia de masa, ampliamente aplicada en el diseño de convertidores químicos.

Las simulaciones CFD de campos de flujo, perfiles de temperatura, gradientes de concentración y comportamiento del catalizador mejoran significativamente la eficiencia, el rendimiento y la seguridad del diseño.

01 Diseño y optimización de convertidores

• El CFD simula la turbulencia, la mezcla y la distribución del flujo de gas, lo que ayuda a optimizar la geometría del convertidor (por ejemplo, lecho fijo, multitubular, lecho fluidizado) y las condiciones de operación (400–500 °C, 200–300 atm).
• Herramientas como ANSYS Fluent o COMSOL pueden modelar el flujo multifásico (gas-sólido), proporcionando información cuantitativa sobre la eficiencia de la reacción.

02 Transferencia de calor y masa

• La síntesis de amoníaco es altamente exotérmica. La CFD predice los gradientes de temperatura y la transferencia de calor para garantizar una eliminación eficiente del calor, prevenir el sobrecalentamiento del catalizador y evitar daños en los equipos.
• También ayuda a optimizar la transferencia de masa, lo que impacta directamente la velocidad de reacción y el rendimiento de amoníaco.

03 Seguridad y Gestión de Riesgos

• La CFD puede simular eventos anormales como fugas de gas y sobrecalentamiento localizado, respaldando evaluaciones de seguridad y estrategias de mitigación de riesgos.

04 Desempeño económico

• Al simular varios escenarios de diseño, CFD identifica configuraciones óptimas para minimizar el consumo de energía y la inversión de capital.
• Por ejemplo, la optimización de la distribución del flujo de gas reduce la caída de presión y el consumo de energía del compresor.

05 Sostenibilidad ambiental

• Los diseños optimizados de convertidores pueden reducir las emisiones de CO₂ emisiones, ya que la producción de amoníaco representa entre el 1 y el 2 % del CO2 global₂ emisiones.

06 Ampliación y comercialización

• La CFD captura los efectos de ampliación, como la mala distribución del flujo y los gradientes de temperatura, lo que garantiza que los hallazgos de laboratorio se traduzcan de manera segura a diseños a escala industrial.

07 Innovación e I+D

• La CFD acelera el desarrollo de tecnologías de síntesis de amoníaco de próxima generación, incluido el modelado de nanocatalizadores y convertidores no convencionales como convertidores de microcanales o de plasma.
• La combinación de CFD con dinámica molecular e IA permite una detección rápida y un diseño de convertidores innovador.

08 Control de procesos y comportamiento dinámico

• El CFD simula operaciones dinámicas (por ejemplo, arranque, apagado, variación de carga), lo que respalda el desarrollo de una estrategia de control avanzada.

KAPSOM empleó simulaciones CFD para optimizar aspectos clave del diseño del convertidor de síntesis de amoníaco, como la configuración del gas de extinción, el enfriamiento entre lechos y la distribución de los orificios. Esto resultó en un flujo, una mezcla y una distribución de gas significativamente más uniformes en las condiciones objetivo, creando un enfoque de innovación basado en datos y garantizando la estabilidad y fiabilidad operativa a largo plazo.