14. REACTOR PFR 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 PFR de tipo cinético 1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción de tipo cinético 2. INTRODUCCION Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la concentración, la presión y la temperatura. La ecuación de diseño de un reactor tubular es: V F Ao = τ C Ao X A dx = 0 r A A (14.1) 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 Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de temperatura y provee el área de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros mas grandes 3. PROCESO ESTUDIADO La reacción que estudiaremos es el craqueo adiabático en fase vapor de la acetona para transformarla en metano y keteno en un reactor PFR.. La estequiometría de la reacción es CH + 3 CO CH3 CH2CO CH4 Se utiliza un reactor tubular que se alimenta con acetona pura en estado gaseoso. El keteno que se produce es un compuesto completamente inestable cuya transformación no se incluye en esta simulación.
La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de acetona, C Acetona, con una cinética de la forma r = KC Acetona (14.2) y la constante específica de velocidad de reacción está dada por una ecuación de la forma de Arrhenius y propuesta por Jeffreys así K = 14 34222 8.2x10 exp T (14.3) Siendo T, la temperatura en Kelvin y K, en segundos -1 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: PRSV (Peng-Robinson Stryjek-Vera) Componentes: Acetona, keteno y metano Reacción Tipo: Cinético Estequiometría: Acetona Keteno + Metano Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración Molar; el Componente Base es la acetona; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kgmol/m 3 para la concentración, kgmol/s-m 3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos: La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (14.2), es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (14.3) se tiene que el factor pre-exponencial es 8.2x10 14 s -1 y la energía de activación es 2.8x10 5 kj/kgmol 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación PRSV y los componentes acetona, keteno y metano 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 84
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 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 acetona 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. 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 85
11. Presione el botón Return to Simulation Environment para ingresar al ambiente de simulación Figura 2. Bases para la cinética de la reacción Figura 3. Ecuación de Arrhenius Corrientes de materia y energía 12. Instale una corriente con el nombre de Acetona con las siguientes especificaciones Temperatura, C 761.85 Presión, kpa 162 86
Reactor de flujo pistón Flujo molar, kgmol/h 137.9 Fracción mol Acetona 1.0 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-100 14. Llene la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades de la siguiente manera Nombre R-100 Inlets Acetona Outlet Producto 15. 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, 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 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 4. Figura 4. Dimensiones y empacado de los tubos 87
19. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Results. Observe el porcentaje de conversión de acetona alcanzado en la reacción. 20. Seleccione el radio botón Reaction Balance y observe el balance de componentes en la reacción 21. En la página Composition de la pestaña Worksheet se observan la concentración de acetona en las corrientes 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, comos se muestra en la Figura 5. Seleccione otros perfiles sobre la página Conditions y de las otras páginas Figura 5. Perfil de temperatura en el reactor tubular 88