15. REACCION CATALITICA HETEROGENEA

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1 15. REACCION CATALITICA HETEROGENEA 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar la cinética de una reacción catalítica heterogénea 1.2. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción catalítica heterogénea 1.3. Analizar el desempeño de un reactor tubular catalítico 2. INTRODUCCION Las reacciones catalíticas heterogéneas incluyen reacciones en la superficie junto con adsorción (o deserción) de reaccionantes y productos. Esto hace que la ecuación de velocidad de estas reacciones dependa considerablemente del mecanismo de reacción. HYSYS incluye una expresión general para la ecuación de velocidad de una reacción catalítica heterogenea con la siguiente forma r = k Re ac Pr od α i f C i k r i= 1 j= M K M k i= 1 g = 1 C γ g kg C β j j n (15.1) k f y k r son las constantes de velocidad de reacción directa e inversa, K es la constante de velocidad de adsorción y M es el número de reaccionantes y productos adsorbidos incluyendo los inertes. Las constantes de velocidad se introducen en HYSYS en la forma de la ecuación de Arrhenius. Se requiere, por lo tanto, el factor pre-exponencial y la energía de activación para cada una de las constantes La reacción catalítica heterogénea puede utilizarse tanto en reactores de mezcla completa como en reactores tubulares. 3. PROCESO ESTUDIADO La reacción catalítica irreversible que utilizaremos en esta simulación es la deshidrogenación del tolueno para producir benceno y metano, es decir: C + 7H8 + H 2 C6H 6 H 2

2 su mecanismo de reacción es tal que se puede expresar su cinética de acuerdo al Modelo de Langmuir-Hinshelwood cuya forma matemática es r x = P H 2 B P P T P T (15.2) Siendo P, presión parcial de cada uno de los componentes hidrógeno, tolueno y benceno, k, una constante de velocidad de reacción y K s, constantes de velocidad de adsorción. La reacción se lleva a cabo en un reactor tubular. El tolueno se alimenta al reactor con un flujo de 50 mol/min, 640 C, 4053 kpa y una composición de 30 % mol de tolueno, 45 % mol de hidrógeno y 25 % mol de nitrógeno. El hidrógeno se alimenta en exceso para prevenir la coquización. La caída de presión a través del reactor es de 69 kpa. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final del reactor tubular Figura 1. Reactor tubular 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción Tipo: Estequiometría: Base: Peng-Robinson Tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno Cinético Tolueno + Hidrógeno Benceno + Metano La Base para la ecuación cinética es la Presión Parcial; el Componente Base es el tolueno; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kpa para la presión, kgmol/h-m 3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (2). Al introducir las constantes en HYSYS, los factores pre-exponenciales serán las constantes que aparecen en dicha ecuación y para cada una de ellas se asume una energía de activación de cero 90

3 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes tolueno, hidrógeno, benceno, metano 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 Heterogeneous Catalytic Reaction: Rxn-1, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. Figura 2. Estequiometría de la reacción química 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, comos se muestra en la Figura 2. 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. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura Para la introducción del numerador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña Numerator e introduzca la constante de velocidad de reacción como se observa en el cuadro Forward Reaction y los órdenes relativos a tolueno e 91

4 hidrógeno obsérvelos en la columna Forward Order. La ventana se debe observar como lo muestra la Figura 4 Figura 3. Bases para la cinética de la reacción Figura 4. Numerador de la ecuación de velocidad de reación 8. Para la introducción del denominador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña Denominator e introduzca los factores pre-exponenciales, las energías de activación y los ordenes de cada uno de los términos del denominador como lo muestra la Figura 5. 92

5 Figura 5. Denominador de la ecuación cinética 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 una corriente con el nombre de Alimento con las siguientes especificaciones Temperatura, C 640 Presión, kpa 4053 Flujo molar, kgmol/h 3 Fracción mol Tolueno 0.30 Fracción mol Hidrógeno 0.45 Fracción mol Nitrógeno 0.25 Reactor de flujo pistón 13. Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre Plug Flow Reactor que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de R Llene la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades introduciendo la corriente Alimento en el cuadro Inlets y el nombre Producto en el cuadro Outlet 93

6 15. Despliegue la página Parameters e introduzca un valor de 69 kpa, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones 16. Haga clic en la pestaña Reactions. Despliegue el cuadro de título Reaction Set y seleccione el conjunto de reacciones denominado Global Rxn Set. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del dimensionamiento del reactor 17. Haga clic en la página Details de la pestaña Reactions y observe la reacción escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción positivo, es decir, que es endotérmica 18. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Results. Observe el porcentaje de conversión de tolueno alcanzado en la reacción. 19. Seleccione el radio botón Reaction Balance y observe el balance de componentes en la reacción 20. Haga clic en la pestaña Rating y abra la página Sizing para completar las especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 6. Figura 6. Dimensiones y empacado de los tubos 21. En la página Composition de la pestaña Worksheet se puede observar la concentración de la corriente de producto 22. Haga clic en la pestaña Performance y presione el botón Plot que se encuentra en la esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del reactor tubular. Seleccione otros perfiles sobre la página Conditions y de las otras páginas 94