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Diseo de un Reactor de Flujo de Pistn (PFR)
Definicin del problema
El siguiente problema de diseo de reactor se ha tomado de Fogler [1], pg. 149, ejemplo 4-4:
Determine el volumen del reactor de flujo de pistn necesario para producir 300 106 kmol/ao
de etileno obtenido mediante pirlisis de etano. Asuma una reaccin irreversible que cumpla la
ley de velocidad de primer orden. Se desea obtener un 80 % de conversin de etano, operando
el reactor isotrmicamente a 1100 K y a una presin de 6 atm.
Tabla 1: valores dados de deshidrogenacin del etano
Parmetros Valores
Constante de velocidad k con T = 1000 K 0,072 s-1
Constante de velocidad k con T = 1100 K 3,07 s-1
Temperatura de reaccin T 1100 K
Presin de reaccin P 6 atm
Conversin de etano XC2H6 0,80
Tasa de flujo molar de etileno FC2H4 300 106 lbmol/ao
Planteamiento de solucin
CHEMCAD permite evaluar un reactor de flujo de pistn (PFR por sus siglas en ingls en lo sucesivo) o un reactor continuo de tanque agitado (CSTR) aplicando el modelo de reactor cintico. Ambos reactores presentan dos modos de funcionamiento: rating y design. En el primero, es posible calcular la conversin si el usuario especifica el volumen y, en el segundo, es posible calcular el volumen requerido del reactor si se sabe la conversin deseada de un componente clave.
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La figura 1 muestra la configuracin del diagrama de flujo en CHEMCAD.
El modelo PFR es un modelo riguroso capaz de simular reactores tubulares. Los supuestos bsicos de este modelo son que no se produce mezcla axial o transferencia de calor alguna
(flujo de pistn). La unidad de reactor cintico de CHEMCAD muestra cinco modos de funcionamiento: "isothermal", "adiabatic", "specified heat duty", "specified temperature profile" y "specified utility conditions". Las utilities pueden ser paralelas o contrarias a la
corriente (co-current frente a counter-current). La simulacin de este tipo de reactor requiere una definicin general del reactor, de los datos de estequiometra y de los datos de media para
cada reaccin. La simulacin, adems, permite definir hasta 20 reacciones simultneas.
La reaccin que tiene lugar en este reactor es la deshidrogenacin de etano. Por consiguiente, se obtienen etileno e hidrgeno, todos ellos en fase gaseosa (g):
C2H6 (g) C2H4 (g) + H2 (g)
Basndonos en la informacin proporcionada por Fogler, esta es una reaccin irreversible de primer orden, lo que conduce a la ecuacin cintica (1)
26 = 26 (1),
1
1
2
Figura 1: diagrama de flujo de un reactor cintico
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donde:
CC2H6: concentracin de etano
-rC2H6: velocidad de reaccin del etano
k: constante de velocidad
La constante de velocidad k depende de la temperatura. Su dependencia de la temperatura se puede calcular con la ecuacin de Arrhenius (consulte la ecuacin 2).
=
(2),
donde:
k: constante cintica
A: factor de frecuencia
Ea: energa de activacin
R: constante de gases (1987 cal/Kmol = 8,314 J/Kmol)
T: temperatura absoluta
El factor de frecuencia y la energa de activacin se pueden determinar grficamente como se muestra en la figura 2.
Figura 2: determinacin grfica de los parmetros cinticos
Los valores resultantes son A = 6,04 E16 1/s y Ea = 82 kcal/mol.
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Asumiendo un 80 % de conversin de etano, la corriente de alimentacin requerida se puede calcular con la siguiente ecuacin:
FC2H6 =300106lb ethylene
year
453,6 g ethylene
lb ethylene
mol ethylene
28 g ethylene
year
365 day
day
24 h
h
3600 s
mol ethane
0,8 mol ethylene= 192,64
mol ethane
s
Implementacin del reactor cintico en CHEMCAD
La simulacin se realiza con CHEMCAD Steady State. Antes de la simulacin se deben seleccionar los componentes y el modelo termodinmico. En "Thermophysical: Select components", estn seleccionados los componente etano (n. CAS: 74-84-0), etileno (n. CAS: 67-64-1) e hidrgeno (n. CAS: 110-05-4). Tras haber especificado la presin y la temperatura, el asistente "Thermodynamics Wizard" posterior sugiere un modelo adecuado. Para el ejemplo dado, CHEMCAD sugiere el modelo de valor-k y el modelo de entalpa SRK. Asimismo, en "Format: Engineering Units" se seleccionan a continuacin las unidades mtricas y las unidades de presin se cambian a "atm"; las unidades de tiempo a "seconds"; las unidades de temperatura a "Kelvin" y las de masa/molaridad a "mol".
Se debe introducir ahora en el diagrama de flujo el valor de UnitOp (unit operation) para el reactor cintico y asignar una corriente de alimentacin y una corriente de producto. La corriente de alimentacin se configura con los datos indicados en la tabla 2 (consulte la figura 3).
Tabla 2: datos relevantes para este ejemplo de simulacin
Unidades Componentes Termodinmica Corrientes de
alimentacin
Unidades
Mtricas
(modificado)
Etano
Etileno
Hidrgeno
K: SRK,
H: SRK
= 1100
= 6
26 = 192,64 /
1 reactor
cintico
(KREA)
1 alimentacin
1 producto
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Figura 3: definicin de la alimentacin Figura 4: parmetros de diseo del reactor cintico
El reactor cintico se inicializa en el paso siguiente. En la ventana de configuracin (figura 4) en "Reactor Mode" se pueden seleccionar dos opciones de diseo diferentes. Para este caso, seleccionaremos PFR (reactor de flujo de pistn). Se requieren ahora los siguientes parmetros de entrada para inicializar el PFR: nmero de reacciones, modo trmico, modo de clculo, presin del reactor, cada de presin y temperatura, fase de reaccin y expresin de la velocidad cintica.
En este ejemplo, solo tenemos una reaccin y el reactor se har funcionar a 1100 K, por lo que se selecciona el modo isotrmico. Como ambas corrientes son gaseosas se selecciona la opcin "vapor only". Ahora es necesario definir el modo de clculo y la expresin de la velocidad. La conversin del componente clave es el parmetro de diseo, de modo que las opciones Specify conversion, Calculate volume y Standard-all reactions aparecen seleccionadas respectivamente (consulte la figura 4).
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En la segunda pestaa de la pantalla KREA (More specifications), se deben ajustar las unidades de la reaccin relativas a la ley de velocidad (Reaction engineering units) de acuerdo con las unidades de A y Ea, tal y como se han definido anteriormente (consulte la figura 5).
Figura 5: ventana de configuracin "More specifications
Despus de pulsar el botn OK aparecer una nueva ventana, donde se podrn introducir los parmetros relativos a la constante de velocidad, los coeficientes estequiomtricos y el factor exponencial como se muestra en la figura 6.
Figura 6: ventana de configuracin "Kinetic data
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La simulacin est ahora lista para ejecutarse.
Evaluacin de los resultados de la simulacin
Con el fin de obtener una visin sencilla del proceso, se pueden visualizar las propiedades del reactor calculadas y las caractersticas de la corriente en un diagrama de flujo usando Format -Add stream box/ Format-Add UnitOp box" (consulte la figura 7).
Figura 7: resultados despus de la simulacin del PFR.
Podemos ver que se logra la conversin de etano requerida y la velocidad molar de salida de etileno. Se necesita un volumen PFR de 2,28 m3 para la deshidrogenacin de 192,64 mol/s de etano. Este volumen calculado del reactor coincide con el resultado dado por Fogler.
Para realizar otros anlisis es posible trazar perfiles distintos a travs del reactor. Estos perfiles pueden seleccionarse en "Plot-UnitOp Plots/ Plug flow reactor profile" (consulte la figura 8).
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Figura 8: perfil del reactor del reactor de flujo de pistn / caudales de flujo de componentes en m3/h. Vol.
Enfoques para la optimizacin de reactores de flujo de pistn
CHEMCAD permite analizar y optimizar fcilmente los parmetros del reactor. Esto se logra mediante un estudio de sensibilidad que puede configurarse en Run-Sensitivity study/ New Analysis.
La figura 9 muestra la influencia de la presin de la reaccin sobre el volumen requerido del reactor en las condiciones dadas, mientras que la figura 10 muestra el impacto de una variacin de temperatura del reactor.
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Figura 9: volumen requerido del reactor con cambio de presin.
Figura 10: volumen requerido del reactor con cambio de temperatura
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La simulacin anterior se gener con CHEMCAD 6.5.3
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Autora:
Andrea Bernrdez
Fuentes:
[1] Fogler, H.S.: Elements of Chemical Recation Engineerin