TUTORIAL_DE_REACTOR.pdf

FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES-CUATITLÁN (FES-C) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

SECCIÓN DE INGENIERÍA. MATERIA PETROQUÍMICA I

Profesores: ARTURO ORTEGA DÍAZ

MARTÍN CRUZ-DÍAZ

TUTORIAL DE REACTOR.

INTERFASE DEL USUARIO. Abra Aspen Plus y seleccione la opción Blank Simulation.

MODELOS DE REACTORES. Hay 7 modelos de reactores: RSTOIC, RYIELD, REQUIL, RGIBBS, RPLUG, RCSTR y RBATCH disponibles en Aspen. RPLUG, RCSTR y RBATCH son modelos rigurosos para flujo pistón. RSTOICH debe utilizarse en los casos en que la estequiometría es conocida, pero la cinética de reacción es desconocida o insignificante. Si la cinética de reacción y la estequiometría son desconocidos se utilizará el reactor RYIELD en la simulación. Para realizarlos cálculos del reactor en fases homogéneas o heterogéneas se seleccionara REQUIL o RGIBBS. REQUIL basa sus cálculos en soluciones simultáneas de estequiometría química y cálculos de equilibrio de fase, mientras que RGIBBS resuelve el modelo reduciendo al mínimo la energía libre de Gibbs. Todos los modelos de reactores pueden tener cualquier número de corrientes de alimentación de material. Estas corrientes son mezcladas internamente. Los modelos rigurosos pueden incorporar la ley de potencia o la cinetica de Langmuir-Hinschelwood-Hougen-Watson.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ En la siguiente tabla se da un resumen de los modelos de reactor disponibles en ASPEN PLUS.

Modelo Estequiometría Cinética Riguroso Alimentación RSTOIC Si No No Varias RYIELD No No No Varias REQUIL No No No Varias RGIBBS No No No Varias RBATCH Si Si Si 1 RCSTR Si Si Si Varias RPLUG Si Si Si 1

Tabla 1. EJEMPLO: Pirólisis de Benceno. El Difenil (C12H10) es un importante intermediario industrial. Un esquema de producción implica la deshidrogenación pirolítica de Benceno (C6H6). Durante el proceso también se forma Trifenil (C18H14) por una reacción secundaria. Las reacciones son las siguientes:

Sustituyendo los compuestos por letras. A = C6H6, B = C12H10, C = C18H14 y D = H2.

Murhpy, Lamb y Watson presentaron algunos datos de laboratorio en relación con estas reacciones. En estos experimentos, el benceno líquido fue vaporizado, calentado a la temperatura de reacción y alimentado a un reactor de flujo tapón (PFR). La corriente de producto es condensada y analizada para varios componentes. Los resultados son tabulados en la siguiente tabla.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ

Temperatura °F

Velocidad de flujo (lbmol/h)

yA yB yC yD

1400 0.0682 0.8410 0.0695 0.00680 0.0830 1265 0.0210 0.8410 0.0737 0.00812 0.0900 1265 0.0105 0.7040 0.1130 0.02297 0.1590 1265 0.0070 0.6220 0.1322 0.03815 0.2085 1265 0.0053 0.5650 0.1400 0.05190 0.2440 1265 0.0035 0.4990 0.1468 0.06910 0.2847 1265 0.0030 0.4820 0.1477 0.07400 0.2960 1265 0.0026 0.4700 0.1477 0.07810 0.3040 1265 0.0007 0.4430 0.1476 0.08700 0.3220 1265 0.0003 0.4430 0.1476 0.08700 0.3220

Tabla 2 Datos adicionales Dimensiones del tubo del reactor: L = 37.5 in, D = 0.5 in Ley de velocidad

−=−

A

CBAAA K

PPPkr

1

211

−=−

B

DCBABB K

PPPPkr

222

Constante de velocidad de reacción.

−=RT

EAk A

111 exp

−=RT

EAk B

222 exp

Constantes de equilibrio.

21 '')ln('

''ln TETDTC

T

BAK A ++++=

2

2 '''')ln(''''

''ln TETDTCT

BAK B ++++=




MARTÍN CRUZ-DÍAZ

Valor de los parámetros E1 = 30190 cal/mol A1 = 7.4652E6 lbmol/h/ft3/atm2 E2 = 30190 cal/mol A2 = 8.6630E6 lbmol/h/ft3/atm2

A’ = -19.76 A’’ = -28.74 B’ = -1692 B’’ = 742 C’ = 3.13 C’’ = 4.32

D’ = -1.63E-3 D’’ = -3.15E-3 E’ = 1.96E-7 E’’ = 5.08E-7

P = 14.69595 psi R = 1.987 cal/mol/K Ejercicio. Siga las instrucciones durante la sesión de laboratorio para recrear los datos presentados en la tabla 2 para T = 1400 y P = 1atm usando Aspen Plus. ¿Cuál es la diferencia porcentual entre las fracciones molares experimentales y las de simulación? Simulación. Vamos a empezar a crear nuestro diagrama de flujo agregando un reactor en la ventana de flujo de proceso. Seleccione la etiqueta de Reactor/RPlug/ICON2. Ahora el diagrama de flujo deberá tener un icono que representa su reactor de flujo pistón como se muestra en siguiente figura.




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Ahora seleccione la etiqueta de Streams/Material, dibuje y conecte una corriente de alimentación de material y una corriente de producto a la salida del reactor.

Cuando haya terminado de agregar las corrientes requeridas su diagrama de flujo deberá ser similar al siguiente.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ Puede cambiar el nombre de los objetos que inserte en el diagrama de flujo para hacer esto haga clic con el botón derecho del Mouse y aparecera una ventana seleccione Rename Block.

Después cambie el nombre de la corriente S1 a FEED, corriente S2 a PRODUCT y B1 a REACTOR. En esta etapa el diagrama de flujo esta completo y el resto de la especificación se hace con las formas de entrada.




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Siempre que tenga dudas sobre qué hacer a continuación, haga clic en el botón Next

Este botón le llevará a la siguiente parte de la especificación o le dirá lo que está faltando en sus especificaciones. Haga clic en el boton Next.

Entrada de componentes. Los componentes que se utilizaran para nuestra simulación se dan en la siguiente imagen. Llene la tabla como se indica en la imagen.




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Para introducir los componentes, tecleamos el botón Find. Aparecerá una ventana en Component name or formula escribimos el nombre de cada componente, tecleamos el botón Find now, seleccionar el componente de la lista y teclear el botón Add. Repetir lo mismo para los demás componentes.




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Entradas del Setup. Ahora configuraremos las tablas de corrientes ir a Setup/Report option/Streams, realice los cambios mostrados en las figuras.




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Aunque es opcional, también es una buena idea agregar un título y una descripción para su proyecto.




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Entrada de propiedades. En esta sección los parámetros de varios componentes se introducirán. La Presión es baja asumiremos condiciones ideales. SYSOPO es el método en Aspen Plus que proporciona un comportamiento ideal en las fases líquidas y vapor.




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Entradas de corrientes. Benceno puro en fase vapor es alimentado a presión atmosférica, las condiciones fueron especificadas en la descripción del problema.




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Entradas de Block. Ahora especificaremos las características del reactor. En primer lugar, suponemos operación isotérmica en las condiciones de entrada.




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Ahora introduciremos las dimensiones físicas del reactor.




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MARTÍN CRUZ-DÍAZ Finalmente definimos una reacción para nuestra simulación. El nombre predeterminado es R-1.

Representaremos las reacciones con la cinetica de power law.




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Entrada de reacciones.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ En esta sección primero introduciremos la estequiometría y los coeficientes de la power law para todos los componentes en cada reacción, después seleccionaremos la pestaña de cinética. En Aspen Plus representaremos las dos reacciones reversibles como cuatro reacciones separadas, cada uno con su propia expresión cinética. Seleccione New para continuar y completar las casillas como se sugiere en las siguientes imágenes.




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Después de completar la primera reacción seleccione New Reaction No. Introduzca el numero dos como se sugiere a continuación.

Nuestra cinética es de segundo orden.




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Observe que en estas entradas todas las especies tienen la misma base “mol de beceno”. De manera similar introduzca las dos últimas ecuaciones. La siguiente pantalla muestra los resultados de las relaciones estequiométricas.




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Note que la definición de la expresión del factor de cinética es un poco diferente. Esta es una definición más general para la constante de velocidad de reacción específica. Cuando T0 es ignorada Aspen Plus toma por default la ecuación de Arrhenius. También tenga en cuenta que k debe ser especificada en unidades del SI independientemente de las unidades utilizadas en otros lugares.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ




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Todas las entradas requeridas están completas. Estamos listos para correr nuestra simulación. Tecleamos el botón Next.

Panel de control.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ El panel de control mostrará el progreso de nuestra simulación. Todas las advertencias, errores, y mensajes de estado serán presentados en esta pantalla. Después de que la simulación se ha realizado satisfactoriamente podemos analizarlos los resultados presionando el icono de carpeta azul con la señal de comprobación sobre la barra de tareas de Panel de control.




MARTÍN CRUZ-DÍAZ Resultados. El resumen de resultados es mostrado automáticamente. La primera página es la pantalla de estado de ejecución.

La pantalla de corrientes da los resultados para todas las corrientes. Puede comparar las fracciones molares a las presentadas en la especificación de problema original.




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La pantalla de perfiles es donde usted encontrará la concentración, la temperatura, etc. perfiles a lo largo del reactor. Esos resultados pueden ser analizados seleccionando barra de menú Plot/Plot Wizard.




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Vamos a crear una grafica del perfil de concentración molar.




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