13. REACTOR CSTR. X r

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1 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: V F Ao A = τ = (13.1) C Ao X r A Siendo V, el volumen del reactor, F Ao, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, C Ao, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, X A, la conversión de A y r A, 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 n r A = kc A (13.2) Siendo k, la constante específica de velocidad de reación, n, el orden cinético de la reacción y C A, 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 (13.3) RT

2 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 3H 6O + H 2O C3H 8O2 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, C Oxido, con una cinética de la forma r = KC Oxido (13.4) y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius de la siguiente forma K = x10 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 78

3 Estequiometría: Oxido de propileno + Agua Propilenglicol Base: 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/m 3 para la concentración, 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 (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 1.7x10 13 h -1 y la energía de activación es 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 79

4 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 80

5 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 Inerte Temperatura, C Presión, kpa Flujo molar, kgmol/h Composición (Fracción mol) Oxido de propileno Agua Propilenglicol Nitrógeno 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 Llene la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades de la siguiente manera Nombre R-100 Inlets Inerte, Alimento Vapor Outlet Vapor Liquid Outlet Liquido Energy 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 81

6 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 82