Práctica No. 13

13. REACTOR CSTR
1. OBJETIVOS
1.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético
1.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor CSTR de tipo
cinético
1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor CSTR, con una reacción de tipo cinético
2. INTRODUCCION
Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de
tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus
propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La ecuación de diseño de un
reactor de mezcla completa es:
X
V
τ
=
= A
FAo C Ao − rA
(13.1)
Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo
espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la
conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A
La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante.
Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la
siguiente manera
− rA = kCAn
(13.2)
Siendo k, la constante específica de velocidad de reación, n, el orden cinético de la reacción
y CA, la concentración de reaccionante
El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de
reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de
Arrhenius, de la forma
⎛ E ⎞
k = A exp ⎜ −
⎟
⎝ RT ⎠
(13.3)
Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala
absoluta y R, la constante universal de los gases
Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende
solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se
requieren para una especificación completa es de seis. Las variables que usualmente, se
especifican son el flujo calórico en la corriente de energía, la caída de presión en el tanque
y el volumen del reactor, además de la energía de activación, el factor pre-exponencial y el
orden de la reacción
3. PROCESO ESTUDIADO
La reacción que estudiaremos es la de la obtención de propilenglicol a partir de óxido de
propileno y agua, cuya estequiometría es
C 3 H 6 O + H 2 O → C 3 H 8 O2
Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de
propileno al 20 % mol y se considera un nitrógeno puro que actúa como un inerte y con el
propósito de mantener la presión de la reacción.
La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de óxido de propileno,
COxido, con una cinética de la forma
r = KCOxido
(13.4)
y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius
de la siguiente forma
⎛ 32444 ⎞
K = 1.7 x1013 exp⎜ −
⎟
RT ⎠
⎝
(13.5)
Siendo T, la temperatura en Kelvin
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación:
Componentes:
Reacción
Tipo:
Uniquac - Ideal
Oxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno
Cinético
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Estequiometría:
Base:
Oxido de propileno + Agua Æ Propilenglicol
La Base para la ecuación cinética es la Concentración; el Componente Base es el
óxido de propileno; la fase de la reacción es Liquido combinado y las unidades
bases son kgmol/m3 para la concentración, kgmol/h-m3 para la velocidad de
reacción, y ºK para la temperatura.
Parámetros Cinéticos
La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (13.4) es decir de orden uno
con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (13.5) se tiene que el factor preexponencial es 1.7x1013 h-1 y la energía de activación es 32444 kJ/kgmol
5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes
óxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno
Reacción de tipo cinético
2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid
Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la
derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho
3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título
“Reactions” seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para
desplegar la ventana de título “Kinetic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por
HYSYS a la reacción que se va a introducir.
Figura 1. Estequiometría de la reacción química
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4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los
componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción
química.
5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada
uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los
reaccionantes y positivo al producto. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor
0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista
estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 °C
6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna “Fwd Order”
escriba uno para óxido de propileno que es el orden de la reacción a la derecha y en
la columna “Rev Order” escriba cero para todos los componentes porque la reacción
es irreversible. La ventana de la pestaña “Stoichiometry” se debe observar como lo
muestra la Figura 1
7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 2.
Figura 2. Bases para la cinética de la reacción
Figura 3. Ecuación de Arrhenius
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8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña “Parameters” e
introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en
la Figura 3. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”.
9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la
simulación presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior
izquierdo.
10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al
paquete fluido
11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de
simulación
Corrientes de materia y energía
12. Instale las corrientes “Alimento” e “Inerte” con las siguientes especificaciones
Alimento
Temperatura, °C
25
Presión, kPa
130
Flujo molar, kgmol/h
350
Composición (Fracción mol)
Oxido de propileno 0.2
Agua
0.8
Propilenglicol
0.0
Nitrógeno
0.0
Inerte
60
130
0
0.0
0.0
0.0
1.0
13. Instale una corriente de energía con el nombre de “Enfriante”
Reactor de mezcla completa
14. Instale un reactor de mezcla completa seleccionando el icono de nombre “CSTR”
que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100”
15. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades
de la siguiente manera
Nombre
Inlets
Vapor Outlet
Liquid Outlet
Energy
R-100
Inerte, Alimento
Vapor
Liquido
Enfriante
16. Despliegue la página “Parameters” y deje el valor de cero, por defecto, para la caída
de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía. Observe que
se han introducido dos especificaciones
17. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y
seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe en el
cuadro “Reaction” que se muestra a la reacción Rxn-1 del proceso. Si es necesario
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revisarla se puede presionar el botón “View Reaction”. Observe que se han
introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de
activación y el orden de la reacción. Sin embargo, la banda roja solicita la
especificación del volumen con el cual se debe completar el número requerido para
una convergencia en la simulación
18. Haga clic en la pestaña “Rating” y dentro de la página “Sizing” introduzca un
volumen de 8 metros cúbicos. Observe que la convergencia se ha alcanzado porque
se han completado las seis especificaciones requeridas. HYSYS sugiere unas
medidas para la altura y el diámetro de un tanque cilíndrico
19. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el
porcentaje de conversión de óxido de propileno alcanzado en la reacción.
20. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes
en la reacción
21. En la página “Comnposition” de la pestaña “Worksheet” se observan las
concentraciones de propilenglicol en las corrientes de producto
El diagrama de flujo final del reactor de mezcla completa simulado se observa en la Figura
4.
Figura 4. Reactor de mezcla completa
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