Universidad Pontificia Bolivariana

2007

PRÁCTICA 3: SIMULACIÓN DE SISTEMAS REACTIVOS,

REACTORES GENERALES, REACTORES CINÉTICOS DE

TANQUE AGITADO Y REACTORES CINÉTICOS DE FLUJO

PISTÓN CURSO DE DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS II

Adriana Aristizábal

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PRÁCTICA 3: SIMULACIÓN DE SISTEMAS REACTIVOS, REACTORES

GENERALES, REACTORES CINÉTICOS DE TANQUE AGITADO Y

REACTORES CINÉTICOS DE FLUJO PISTÓN

1. INTRODUCCIÓN Los reactores y la correcta simulación de las transformaciones químicas que en ellos ocurren, son aspectos de suma importancia en el diseño de procesos. Con el fin de simular estas transformaciones, HYSYS dispone de una serie de herramientas, varios tipos de modelos de reacción, así como varios tipos de reactores. Cada uno de ellos puede ser empleado en situaciones particulares, y es necesario conocer sus límites de aplicabilidad así como el nivel de detalle y requerimientos de información para especificarlos.

2. OBJETIVOS

- Mostrar los diferentes modelos de reacción empleados en HYSYS. Indicar el nivel de detalle de cada uno ellos, la información requerida para especificarlos y su aplicabilidad.

- Mostrar los modelos de reactor empleados en HYSYS e indicar el nivel de detalle de cada uno ellos, la información requerida para especificarlos y su aplicabilidad.

- Entender la forma en la que el simulador realiza la simulación de un reactor a partir de la información que caracteriza las reacciones y los reactores.

3. MARCO TEÓRICO

3.1 MODELOS DE REACCIÓN HYSYS posee varios tipos de modelos de reacción: 3.1.1 Modelos de reacción que no emplean parámetros cinéticos: Con estos modelos no es posible realizar el diseño de un reactor ya que la cinética de reacción, el volumen del reactor y su patrón de flujo no tienen influencia en los cálculos. Estos modelos incluyen:

Modelo de reacción de conversión: - Es el modelo más simple de todos. - Para especificarlo solo se requiere de la estequiometria de reacción y la conversión

de uno de los reactivos.

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Modelo de reacción de equilibrio: - Aplicable a reacciones reversibles únicamente. En este modelo se supone que

siguiendo una estequiometría determinada, la reacción avanza hasta que se alcanza el equilibrio entre las sustancias involucradas.

- Para especificarlo se requiere de la estequiometría de reacción y la constante de equilibrio como función de la temperatura.

3.1.2 Modelos de reacción que emplean parámetros cinéticos: Al tener en cuenta la cinética, estos modelos permiten involucrar el patrón de flujo del reactor y sus características geométricas dentro de la simulación; lo cual, sumado a un criterio como la conversión deseada y/o la selectividad requerida, permite dimensionar el equipo. Estos modelos incluyen:

Modelo de reacción de rata simple: - Es aplicable a casos en los que la cinética limita la velocidad de reacción. - Puede ser empleado para caracterizar reacciones elementales ó reacciones no

elementales, reversibles ó irreversibles, en donde los coeficientes estequiométricos coinciden con los órdenes cinéticos de reacción.

- Para especificarlo se requiere de la estequiometria de reacción, el factor de frecuencia y energía de activación de la constante de reacción directa. Para el caso de reacciones reversibles, también se requiere de la constante de equilibrio en función de la temperatura.

Modelo de reacción cinético: - Es aplicable a casos en los que la cinética limita la velocidad de reacción. - Puede ser empleado para caracterizar reacciones no elementales, reversibles e

irreversibles, en donde los coeficientes estequiométricos coinciden o no con los órdenes cinéticos de reacción.

- Para especificarlo se requiere de la estequiometria de reacción, los ordenes de reacción directa e inversa de cada una de las sustancias en la reacción, así como el factor de frecuencia y energía de activación de las constantes de reacción directa e inversa. Si la reacción es irreversible pueden omitirse los órdenes de reacción así como el factor de frecuencia y la energía de activación de la reacción inversa.

Modelo de reacción catalítico heterogéneo: - Este es el modelo más complejo de todos. - Tiene en cuenta la influencia combinada de la cinética y la transferencia de masa

en la velocidad real de reacción. Este modelo es muy flexible y puede ser empleado para caracterizar reacciones de casi cualquier tipo (incluidas aquellas que pueden caracterizarse mediante modelos de rata simple y modelos cinéticos).

- Para especificarlo se requiere de la estequiometria de reacción y los ordenes de reacción en el numerador y denominador así como el factor de frecuencia y energía de activación de todas las constantes involucradas.

Tenga en cuenta que los nombres asociados a cada uno de estos modelos de reacción son solo nombres empleados para designarlos y que no necesariamente indican el tipo de

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proceso en el que deben ser empleados. Por ejemplo, podría presentarse un caso en el que, debido a las condiciones de operación, un proceso de reacción catalítico en fase gaseosa posee una expresiones de velocidad de reacción elementales; en cuyo caso es preferible, dada su simplicidad, emplear un modelo de rata simple en lugar un modelo catalítico heterogéneo en el que gran parte de la información debería dejarse en blanco. Concluyendo, la selección del tipo de modelo de reacción mas adecuado para cada caso se relaciona más con la cantidad de información disponible y con la forma de las expresiones de velocidad de las reacciones que se pretende caracterizar, que con el tipo de proceso.

3.2 MODELOS DE REACTORES HYSYS posee varios tipos de reactores para simular los procesos de reacción: 3.2.1 Reactores no cinéticos: Estos reactores trabajan en conjunto con los modelos de reacciones que no emplean parámetros cinéticos. Hysys tiene cuatro tipos de reactores no cinéticos que apareen en la paleta de objetos y que se despliegan de la opción Reactores Generales. Los Reactores generales son fundamentalmente un separador de fases al que se le asocia un conjunto de reacciones. Este tipo de reactores se puede asociar con cualquiera de los modelos de reacción presentados. Para especificarlos es necesario asociarle una o varias reacciones e indicar el volumen del recipiente, el nivel de líquido, la temperatura de salida de sus productos (ó la cantidad de calor que transfiere) y la presión de salida de sus productos (ó la caída de presión en su interior).

* Reactor de conversión: Este tipo de reactores se puede asociar únicamente con modelos de reacción de conversión. - Para especificarlo es necesario asociarle una o varias reacciones de conversión, e

indicar la temperatura de salida de sus productos (ó la cantidad de calor que transfiere) y la presión de salida de sus productos (ó la caída de presión en su interior).

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* Reactor de equilibrio: Este tipo de reactores se puede asociar únicamente con modelos de reacción de equilibrio. - Para especificarlo es necesario asociarle una o varias reacciones de equilibrio, e

indicar la temperatura de salida de sus productos (ó la cantidad de calor que transfiere) y la presión de salida de sus productos (ó la caída de presión en su interior).

* Reactor de Gibss: Este tipo de reactores es el único que no requiere modelos de reacción asociados. Teniendo en cuenta la lista completa de compuestos involucrados en la simulación, el computador manipula las concentraciones a la salida con el fin de minimizar la energía libre de Gibbs mientras que al mismo tiempo respeta los balances elementales alrededor del reactor. - Para especificarlo es necesario indicar la temperatura de salida de sus productos

(ó la cantidad de calor que transfiere) y la presión de salida de sus productos (ó la caída de presión en su interior).

* Reactor de Rendimiento desplazado: Los reactores de rendimiento son para modelar reactores usando tablas de datos para desarrollar cálculos. Esta unidad puede usarse para reactores complejos que no tienen disponible un modelo o los que existen son de alto costo.

3.2.2 Reactores Cinéticos: Estos reactores se fundamentan en modelos de reacciones que emplean parámetros cinéticos. Hysys posee tipos de reactores cinéticos:

* Reactor de tanque agitado (CSTR): Este tipo de reactores se puede asociar únicamente con cualquiera de los modelos de reacción que emplean parámetros cinéticos. - Para especificarlo es necesario asociarle una o varias reacciones e indicar el

volumen del reactor, el nivel de líquido, la temperatura de salida de sus productos

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(ó la cantidad de calor que transfiere) y la presión de salida de sus productos (ó la caída de presión en su interior).

* Reactor de flujo pistón (PFR): - Este tipo de reactores se puede asociar únicamente con cualquiera de los modelos de reacción que emplean parámetros cinéticos. Compuesto por una serie de tubos empacados con catalizador y rodeados por una coraza con fluido térmico, la principal aplicación se presenta en la simulación de sistemas reactivos en lecho catalítico. - Para especificarlo es necesario asociarle una o varias reacciones e indicar varios

parámetros geométricos (número de tubos, diámetro y longitud de los tubos, diámetros y esfericidad del catalizador, etc..), las características del fluido térmico (flujo, temperaturas de entrada y salida, etc..,) ó la temperatura de salida de sus productos ó la cantidad de calor que transfiere, así como la presión de salida de sus productos ó la caída de presión en su interior.

4. PROCEDIMIENTO

4.1 Simulación de un proceso de reacción empleando reacciones de conversión y equilibrio.

Se desea comparar el flujo molar de estireno a partir de la descomposición del etilbenceno. Simule la reacción anterior en un reactor de conversión y en un reactor de equilibrio en Hysys y analice los resultados. Considere la siguiente reacción en fase gaseosa cuya cuya estequiometría y constante de equilibrio se indican a continuación:

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Con:

T [=] K

Kp [=] kPa A = -5.892 B = -13417.38 C = 3,1132 D = -1,4971 x 10

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- Elija el paquete termodinámico adecuado y sustente su elección. Ambos reactores se alimentan con una corriente de Etil Benceno pura.

Especificaciones Corriente de Alimentación

Temperatura 200 °C

Presión 101.3 kPa

Flujo molar 10 kmol/h

Las corrientes de los productos salen a 300 °C. En el reactor de conversión, la conversión es del 50%. Suponga que no hay caída de presión en los reactores. Responda las siguientes preguntas: - Con cual reactor se obtiene mayor flujo de producto? Analice - Estos reactores requieren de una corriente de calor? Necesita enfriamiento o

calentamiento? - Cual reactor es mejor? - Que sucede si la alimentación tiene una composición de 90% peso de etil benceno y

10% de H2? 4.2 Simulación de un proceso de reacción empleando reacciones cinéticas y catalíticas heterogéneas.

Considere la siguiente reacción en fase gaseosa

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Con:

T [=] K

Ci [=] kmol/m3

ri [=] kmol/m3 s

A1 = 5,6 x 107

A2 =3,16 x 107

A3 = 5,6 x 103

Ea1 = 1,0 x 105 kJ/kmol

Ea2 = 2,3 x 105 kJ/kmol

Ea3 = 2,0 x 104 kJ/kmol

Se quiere evaluar el desempeño de un reactor CSTR en el cual se lleva a cabo la anterior

reacción. Se desea evaluar lo anterior para dos casos: si se introduce la anterior reacción

como una reacción cinética o si se introduce en Hysys como una reacción heterogénea

catalítica.

Simule en hysys los dos casos y elija el paquete termodinámico y justifique su elección.

Se alimentan al CSTR 10 kmol/h de reactivos a 100°C y 101.3 kPa. La alimentación es

equimolar en benceno y propeno. La corriente de salida en ambos caso a estudiar tiene

una temperatura de 600 °C. No hay caída de presión en el reactor. El volumen del reactor

es de 5 m3.

Analice los resultados.

4.2 Simulación de un proceso de reacción en un PFR. Considere la siguiente reacción en fase gaseosa

Con:

T [=] K

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Ci [=] kmol/m3

ri [=] kmol/m3 s

A1 = 6,3 x 1010

Ea1 = 52000 kCal/kmol

Válido para un rango de temperatura de 400°C a 950°C.

Simule en hysys los dos casos y elija el paquete termodinámico y justifique su elección.

Simule la producción de benceno en un PFR.

Reactor PFR-100 Tabulador “Design” opción “Parameters”:

* Caída de presión calculada por medio de la ecuación de Ergun. * Corriente de energía tipo enfriamiento calculada con formula. Tabulador “Design” Opción “Heat Transfer”: * Información para el lado del fluido de transferencia de calor: -Coeficiente de transferencia lado externo de tubos: 15.2925 kJ/(h.m²°C) - Flujo molar de fluido de transferencia: 1546.62 kmol/h - Capacidad calorífica del fluido de transferencia: 75 kJ/kmol.°C - Temperatura de entrada del fluido de transferencia: 395 °C * Información para el lado del fluido de proceso (interior de los tubos): -Calculo estándar para el coeficiente de transferencia de calor en el lado interno de tubos. - Exponentes de la correlación de transferencia de calor: A=1.6,B=0.51,C=0.33

Tabulador “Rating” opción “Sizing”:

* Volumen total del reactor 40 m3

* Diámetro de tubos 15 cm * Número de tubos 250 * Espesor de la pared de tubos 5 mm

* Porosidad del lecho de catalizador 0.5 Tabulador “Reactions” opción “Overall”:

* Grupo de reacción: RXN * Número de segmentos 20 * Fracción mínima de paso 1e-6 * Catalizador: - Diámetros de partícula: 1.5 cm - Esfericidad 1 - Densidad del sólido 2500 kg/m3 - Capacidad calorífica 250 kJ/kg°C

Analice los resultados.

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5. Análisis de resultados.

Imprima un reporte de los tres casos y presente por escrito el análisis de resultado.

6. Referencias

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HYSYS 2004

Henao, Carlos A. y Vélez, José G. Manual de prácticas de simulación de diseño de procesos químicos. Universidad Pontificia Bolivariana. Universidad Tecnológica Nacional. Simulación con HYSYS. Trabajo Práctico. Facultad Regional Rosario. Departamento de Ingeniería Química.2003.