DISEO DE PROCESOS

PRCTICAS DE HYSYS 1

ADRIANA ARISTIZBAL

7.1 TIPOS DE REACCINES EN HYSYSEn Hysys hay dos tipos de modelos de reaccin

7. REACTORES QUMICOS EN HYSYS

Modelos de reaccin que no emplean parmetros cinticos: Conversin y equilibrio.

Modelos de reaccin que emplean parmetros cinticos: Heterogneas catalticas, cinticas y de rata simple.

Con estos modelos no es posible realizar el diseo de un reactor ya que la cintica de reaccin, el volumen del reactor y su patrn de flujo no tienen influencia en los clculos.

7.1.1 Modelos de reaccin que NO emplean parmetros cinticos :

Este tipo de reaccin no requiere ningn paquete para prediccin.

Se debe especificar la estequiometra de la reaccin y la conversin que puede ser funcin de la temperatura.

Reacciones de Conversin

- La conversin no puede exceder 100%.

- La reaccin procede hasta que se alcance la conversion especificada o se consuma el reactivo lmite.

Requieren conocer la relacin entre la constante de equilibrio y la temperatura.

Hay formas diferentes de relacionar T con Keq en hysys para este tipo de reaccin:

Reacciones de Equilibrio

Ln(Keq) Equation: Keq es funcin de la Temperatura de la siguiente forma:

Gibbs Free Energy

Relaciones Keq vs T:

Fixed Keq: si Keq o Ln (Keq) es una constante

Keq vs T table: si se tienen datos de temperatura vs Keq de forma tabular.

-Reacciones de equilibrio (Equilibrium):

Las Reacciones de Equilibrio son aplicable a reacciones reversibles nicamente.

En este modelo se supone que siguiendo una estequiometra determinada, la reaccin

avanza hasta que se alcanza el equilibrio entre las sustancias involucradas.

Para especificarlo se requiere de la estequiometra de reaccin y la constante de

equilibrio como funcin de la temperatura.

En hysys hay una base de datos de Reacciones de Equilibrio de las cuales se

disponen de la relacin de Keq vs T.

NOTALa Temperatura de todas las ecuaciones de Keq SIEMPRE debe ser Kelvin, por lo tanto los coeficientes A,B, etc debe ajustarse de acuerdo a esta condicin. Si esto es muy complicado deben generarse tablas de Keq vs T y suministrar los datos de esta forma.

7.1.2 Modelos de reaccin que emplean parmetros cinticos :

Al tener en cuenta la cintica, estos modelos permiten involucrar el patrn de flujo del reactor y sus caractersticas geomtricas dentro de la simulacin; lo cual, sumado a un criterio como la conversin deseada y/o la selectividad requerida, permite dimensionar el equipo.

Se debe especificar la expresin de la velocidad de reaccin de la siguiente forma:

Heterognea Cataltica

Los trminos de las reacciones Heterogneas Catalticas se refieren a las reacciones inversas y directas (indicadas con ' ), donde:

K: constante de reaccin.E: energa de activacin A: factor pre-exponencial f(Basis): la propiedad de la cual depende la velocidad de reaccin (concentracin, presiones parciales)

Se debe especificar las unidades de la expresion de la velocidad de reaccin.

Cintica Es aplicable a casos en los que la cintica

limita la velocidad de reaccin. Puede ser empleado para caracterizar

reacciones no elementales, reversibles e irreversibles, en donde los coeficientes estequiomtricos coinciden o no con los rdenes cinticos de reaccin.

Para especificarlo se requiere de la estequiometria de reaccin, los ordenes de reaccin directa e inversa de cada una de las sustancias en la reaccin, as como el factor de frecuencia y energa de activacin de las constantes de reaccin directa e inversa. Si la reaccin es irreversible pueden omitirse los rdenes de reaccin as como el factor de frecuencia y la energa de activacin de la reaccin inversa.

En esta pestaa se especifican los coeficientes estequiomtricos los cuales son negativos para reactivos y positivos para productos los cuales si estn bien especificados deben tener un Balance Error de cero.

Tambin se deben especificar las orden de la reaccin inversa y directa para cada componente.

En la pestaa Basis hay que especificar cual es la propiedad base de la velocidad de reaccin, el componente al cual se refiere esta, el rango de temperatura para el cual es vlida la velocidad de reaccin, la fase de la reaccin y las unidades.

La reacciones Kinetic tienen la siguiente forma:

Rata Simple Es aplicable a casos en los que la cintica limita

la velocidad de reaccin.

Puede ser empleado para caracterizar reacciones elementales reacciones no elementales, reversibles irreversibles, en donde los coeficientes estequiomtricos coinciden con los rdenes cinticos de reaccin.

Para especificarlo se requiere de la estequiometra de reaccin, el factor de frecuencia y energa de activacin de la constante de reaccin directa. Para el caso de reacciones reversibles, tambin se requiere de la constante de equilibrio en funcin de la temperatura.

Tipo de Reaccin

DESCRIPCINConversion Conversion % (x % = C0 + C1T + C2T2)

Equilibrium

Keq=f(T); el equilibrio se basa en la estequiometria de la reaccin.

Keq= estimada o especificada

GibbsMinimizacin de la Energa Libre de Gibbs de todos los componentes

Kinetic Donde los parmetros de la reaccin inversa deben ser termodinmicamente consistentes.

Heterogeneous Catalytic

Forma de Yang y Hougen : Esta forma incluye Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal y Mars-van Krevelen etc.

Simple RateEn la cual Keq es estimada a partir de los datos de equilibrio.

Reacciones en HYSYS:

Las velocidades de Reaccin en HYSYS son dadas en unidades de volumen de la fase gas o liquido segn la fase en la que se lleve a cabo la reaccin.

Por ejemplo si se tiene la expresion de la elocidad de reaccin por Kg de catalizador, para convertir de unidades de kgcat a volumen de gas:

TIPS IMPORTANTES Las reacciones que se definen en el

Simulation Basis Environment se pueden asociar a varios reactores.

Cuando se realizan modificaciones a una reaccin desde un reactor, el cambio es local y solo se asume en esa unidad.

Si se efectan cambios a una reaccin desde el Simulation Basis Environment o en el paquete de reacciones estos cambios se reflejan en todos los reactores que usen este set de reacciones.

TIPS IMPORTANTES Se debe especificar la fase en la cual

se lleva la reaccin. La opcin OVERALL es para reacciones en fase lquido-gas simultneo.

Se debe asociar un paquete de fluidos al set de reacciones, si esto no se hace por defecto se asocia el paquete principal.

Se debe asociar las sustancias al set de reacciones

7.2 TIPOS DE REACTORES EN

HYSYSEn HYSYS hay dos clases de reactores:

- Ideales - Generales.

7.2.1 REACTORES IDEALES

Este tipo de reactores se puede asociar nicamente con cualquiera de los modelos de reaccin que emplean parmetros cinticos.

El PFR (Plug Flow Reactor, or Tubular Reactor) generalmente consiste en un banco de tubos. Se supone flujo tapn, lo que mplica que el flujo en la direccin radial es isotropico (sin gradiente de masa o energa). Se desprecia el flujo axial.

Cuando los reactivos atraviesan la longitud del reactor PFR, son consumidos continuamente y hay una variacin axial de concentracin.

PFR

Para obtener la solucin del PFR y los perfiles a travs de la longitud del reactor, este se divide en varios subvolumenes (por defecto 20 subvolumenes en hysys).

Las EDO's del PFR son una adicin reciente a los paquetes de simulacin y son resueltas mediante la divisin del volumen en pequeos segmentos y encontrar una solucin secuencial para cada volumen.

Compuesto por una serie de tubos empacados con catalizador y rodeados por una coraza con fluido trmico, la principal aplicacin se presenta en la simulacin de sistemas reactivos en lecho cataltico.

Se debe especificar en un PFR:

Parmetros geomtricos (nmero de tubos, dimetro y longitud de los tubos, dimetros y esfericidad del catalizador, etc..)

Caractersticas del fluido trmico (flujo, temperaturas de entrada y salida, etc..,) Temperatura de salida de sus productos la cantidad de calor que transfiere, as como

Presin de salida de los productos la cada de presin en su interior.

Reaccin y ley de velocidad

DIMENSIONAMIENTO Para dimensionar un PFR se deben especificar dos

de los siguientes parmetros: Volumen Total, Longitud y dimetro. El tercer valor se calcula a partir de los dos especificados.

Especifique el nmero total de tubos en el PFR.

- En el campo Wall Thickness especificar el espesor del tubo.

Especifique la fraccin de espacio vaci (Void fraction) en el PFR. Si esta fraccin es menor a 1 se requiere especificar los datos del catalizador . El espacio vaci del reactor es calculado a partir del volumen y de la fraccin de espacio vaco.

Notas:

- Si no se especifica una corriente de energa la operacin se considera adiabtica.

- Si selecciona el boton Ergun Equation para un PFR sin catalizador slido, Hysys fija la cada de presin en cero.

- Active el checkbox Single Phase cuando la reaccin se lleva a cabo en una sola fase. Si esta opcin esta inactiva Hysys considera que la reaccin se lleva a cabo en fase vapor-lquido.

Simulacin de un PFR Adiabtico

El Estireno es un monmero usado en la produccin de diferentes plsticos. El estireno se produce a partir de la deshidrogenacin de etilbenceno:

C6 H5 C2 H5 C6 H5 CH = CH2 + H2

En este reactor no consideraremos el hecho de que la reaccin anterior es una reaccin de equilibrio y se modelar este sistema usando la expresin de Cintica de Velocidad (Kinetic Rate):

Notar que la velocidad de reaccin tiene unidades y que el trmino de la concentracin es presin parcial con unidades de kPa.

C6 H5 C2 H5 C6 H5 CH = CH2 + H2

1. Iniciar HYSYS2. Crear la lista de componentes

3. Crear el Fluid Package, use el paquete termodinmico Peng-Robinson.

4. En la etiqueta Reactions del Simulation Basis Manager,

Presionar el botn Add Rxn para insertar la reaccin de deshidrogenacin.

Aparece la siguiente ventana con el visor de reacciones en la cual seleccionamos Kinetic.

7. Abrir la etiqueta Stoichiometry y en la matriz Stoichiometry and Rate Info, seleccionar la columna Component. Ingresar en esta columna los componentes que intervienen en la reaccin, automticamente aparece la columna Mole Wt.

Luego colocar los valores de los coeficientes estequiomtricos en la columna Stoich Coeff,considerando valores negativos para los reactantes y positivos para los productos.

8. Ir a la etiqueta Basis y establecer:

Todo lo anterior se conoce a partir de la ley de velocidad.

Las unidades para la ley de velocidad (Rate Units) son gmole/L-s).

Las unidades de la presin (Basis Units) son kPa

Reaccin en fase vapor.

El Base Component es el E-Benzene

Basis como Partial Pressure

9. En la etiqueta Parameters adicionar el factor pre-exponencial A (sin unidades) y la energa de activacin E con unidades de cal/mol (la cual es transformada a kJ/Kmol despus de ingresarla). Dejar la celda Beta en blanco o colocar cero. Notar que no se ingresa signo negativo en el factor pre-exponencial.

10. Cerrar el visor de propiedades

11. Crear un set de reacciones para este caso (Add Set).

HYSYS provee el nombre Set 1 y abre la vista de la propiedad Reaction Set.

12. Para atribuir la Reaccin recin creada al Reaction Set, colocar el cursor en la celda bajo Active List. Despliegue la lista de las reacciones y seleccione el nombre de la Reaccin (Reaccion kinetic).El Set Type corresponde al tipo de reaccin que usted ha aadido al Reaction Set. El mensaje de estado ahora exhibir a Ready.

14. Para adjuntar el Reaction Set al Fluid Package (modelo termodinmico de Peng Robinson), resaltar a Set 1 en Reaction Sets y presiona el botn Add to FP. Cundo un Reaction Set determinado est adjuntado a un Paquete de Fluido, se vuelve disponible para las unidades de operacin dentro del Flowsheet usando el Fluid Package particular.

17. Ahora ingrese a la ventana de simulacin presionando el botn Enter Simulation Environment...

18. Colocar el reactor PFR. Hay dos formas:

-De la paleta de Objetos

- Flowsheet (F12) / Add Operation/ Plug Flow Reactor

19. Especificar la corriente de Entrada: Etilbenceno puro a razn de 152.2 gmol/s y a las condiciones de 880 K y 1.378 bar.

La barra inferior (roja) indica los siguientes errores Requires a Set Reaction

20. A continuacin adicionar el set 1 de reacciones haciendo clic en la etiqueta Reactions .

Y la barra inferior nos indica Unknown Dimensions

21. Ir a la etiqueta Rating y especificar el volumen, en este caso el volumen es 0.77 m3 y la Longitud 3.00 m

22. Retornar a la etiqueta Design en la pgina Parameters y especificar que este reactor no tiene cada de presin y es un reactor adiabtico. La barra inferior se torna Verde con la palabra OK

23. Al Ingresar a la ventana de Simulacin tendremos el PDF del reactor PFR con las corrientes completamente especificadas.

RESULTADOS

23. Al ingresar al Workbook tenemos la composicin de las corrientes.

24. Para ver la operacin del Reactor, hacemos clic en la etiqueta Unit Ops

y luego en View UnitOp

Y luego clic en Plot..

En la pestaa Parameters hay muchas opciones para graficar el comportamiento de las variables con la longitud del reactor

Seleccionar la variable que deseamos graficar y los componentes

CSTR

El CSTR calcula las condiciones de las corrientes de salida del reactor considerando que est perfectamente mezclado y que la concentracin en cada punto del reactor es la misma. Se puede emplear para reacciones en fase lquida o gaseosa, pero debe especificarse.

El modelo CSTR es un modelo algebrico estndar que ha estado en los paquetes de simulacin por muchos aos.

Para especificar el reactor es necesario asociarle una o varias reacciones y especificar:

Volumen del reactorNivel de lquidoTemperatura de salida de productos calor transferidoPresin de salida de los productos la cada de presin en su interior.La estequiometra de las reacciones Los parmetros de la velocidad de reaccin de cada reaccin.

DIMENSIONAMIENTOSe debe especificar por lo menos una de las

siguientes medidas: volumen, dimetro o altura (altura se especifica en tanque horizontales).

Notas Si se especifica el volumen cilndrico del tanque

entonces por defecto la relacin Longitud / Dimetro del reactor CSTR es 3:2.

La altura del lquido en un tanque cilndrico vertical varia linealmente con el volumen del lquido.

La relacin entre la altura y el volumen del lquido no es lineal en tanques horizontales cilndricos y esfricos.

C6 H5 C2 H5 C6 H5 CH = CH2 + H2

Ejercicio: se llevar a cabo la reaccin en fase vapor siguiente en un reactor CSTR adiabtico.

Las unidades para la ley de velocidad (Rate Units) son gmole/L-s).

El reactor es un tanque cilndrico vertical de volumen del reactor es de 5 m3 . No tiene prdidas de calor.No hay cada de presin.El nivel de lquido en el tanque es del 50%.Corriente Alimentacin

Temperatura 800CPresin 506.6 atmFlujo molar 10 Kmol/hFraccin msica E-Benzene

1

Solucin:

7.2.2 REACTORES GENERALES

-Estos reactores trabajan con modelos de reacciones que no emplean parmetros cinticos.

-Los Reactores generales son fundamentalmente un separador de fases al que se le asocia un conjunto de reacciones.

-Este tipo de reactores se puede asociar con cualquiera de los modelos de reaccin presentados.

Para especificarlos es necesario asociarle una o varias reacciones e indicar:

Volumen del recipienteNivel de lquidoTemperatura de salida de productos el calor que transfiere.Presin de salida de productos la cada de presin en su interior.

- Hysys tiene cuatro tipos de reactores no cinticos que apareen en la paleta de objetos y que se despliegan de la opcin Reactores Generales:

Gibbs Reactor Equilibrium Reactor Conversion Reactor Yield Shift Reactor

REACTOR DE GIBBS

Los Reactores de Gibbs calcula la composicin de equilibrio de la corriente de salida minimizando la energa libre de Gibbs de la corriente de entrada. Solo se requiere especificar la estequiometra.

Al minimizar la energa de Gibbs se producen la reaccin ms probable. Este es un proceso

espontneo en la naturaleza.

Con el Reactor de Gibbs se obtienen resultados muy parecidos que con un Reactor de Equilibrio si se suministra informacin correcta pero en el reactor de Gibbs no se requiere una expresin de Keq en funcin de la temperatura. En este caso solo los reactivos reaccionan y no los productos (en la reaccin inversa).

Los Reactores de Gibbs no requieren de un set de reacciones.

.

Ejercicio: Lleve a cabo la reaccin anterior en un reactor de Gibbs en las mismas condiciones de operacin .

REACTOR DE EQUILIBRIO

En los Reactores de Equilibrio se determina la composicin de la corriente de salida

especificando la estequiometra de las reacciones que ocurren y los valores de la constante de

equilibrio o su dependencia de la temperatura para cada reaccin.

Los Reactores de Equilibrio se puede asociar nicamente con modelos de

reaccin de equilibrio.

Hysys tiene varias reacciones de equilibrio en una lista con todos los parmetros

necesarios.

REACTOR DE CONVERSIN

Este tipo de reactores se puede asociar nicamente con

modelos de reaccin de conversin.

Se debe especificar la estequiometra de todas las reacciones que se lleven a cabo y la conversin del componente

base, el Reactor de Conversin calcula las composiciones de la corriente de

salida.

Ejercicio: Lleve a cabo la reaccin en fase vapor de deshidrogenacin del etilbenceno en un reactor de conversin, donde la conversin del etilbenceno es del 80%.

Yield Shift Reactor

Los reactores de rendimiento son para modelar reactores usando tablas de datos para desarrollar clculos. Esta unidad puede usarse para reactores complejos que no tienen disponible un modelo o los que existen son de alto costo.

Reacciones Qumicas y Reactores en HYSYS

Reactor en HYSYS Tipos de Reaccin

Conversion Reactor Conversin % (x%=C0 + C1T + C2T

2)

PFR Simple Rate, Heterogeneous Catalytic, Kinetic

CSTR Simple Rate, Heterogeneous Catalytic, Kinetic

Equilibrium Reactor

Keq=f(T); El equilibrio se basa en la estequiometra de la reaccin

Keq= Estimada a partir de la Energa Libre de Gibbs

Keq= Especificada como una constante o desde una

tabla de valores

Gibbs

Minimizacin de la Energa Libre de Gibbs de todos los componentes especificados. Hay dos opciones: 1) No es requerida la estequiometra de la reaccin2) La estequiometra de la reaccin es dada

Observe que segn el tipo de reactor las especificaciones requeridas son diferentes.

Los reactores ideales (CSTR y PFR) requieren especificar los parmetros de la ley de velocidad y la estequiometria de las reacciones

Los Tanques, Separadores y las operaciones de separacin de tres fases tambin pueden llevar a cabo reacciones.

NOTAS:

REFERENCIAS Copyright 2004 Hyprotech, a

subsidiary of Aspen Technology Inc. All rights reserved. HYSYS 2004

Hysys. User Guide.

MONCADA, Luis. Simulacin de Procesos con HYSYS. 2006.