tutorial hysys. reactores quimicos

DISEÑO DE PROCESOS PRÁCTICAS DE HYSYS 1

ADRIANA ARISTIZÁBAL

7.1 TIPOS DE REACCIÓNES EN HYSYS

En Hysys hay dos tipos de modelos de reacción

7. REACTORES QUÍMICOS EN HYSYS

Modelos de reacción que no

emplean parámetros cinéticos:

Conversión y equilibrio.

Modelos de reacción que

emplean parámetros cinéticos:

Heterogéneas catalíticas, cinéticas

y de rata simple.

Con estos modelos no es posible

realizar el diseño de un reactor ya

que la cinética de reacción, el

volumen del reactor y su patrón de

flujo no tienen influencia en los

cálculos.

7.1.1 Modelos de reacción que NO emplean parámetros cinéticos :

Este tipo de reacción no requiere ningún paquete para predicción.

Se debe especificar la estequiometría de la reacción y la conversión que puede ser función de la temperatura.

Reacciones de Conversión

- La conversión no

puede exceder

100%.

- La reacción procede

hasta que se alcance

la conversion

especificada o se

consuma el reactivo

límite.

Requieren conocer la relación entre la constante

de equilibrio y la temperatura.

Hay formas diferentes de relacionar T con Keq en

hysys para este tipo de reacción:

Reacciones de Equilibrio

Ln(Keq) Equation: Keq es función 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 únicamente.

En este modelo se supone que siguiendo una

estequiometría determinada, la reacción

avanza hasta que se alcanza el equilibrio entre

las sustancias involucradas.

Para especificarlo se requiere de la

estequiometría de reacción y la constante de

equilibrio como función de la temperatura.

En hysys hay una base de datos de

Reacciones de Equilibrio de las cuales se

disponen de la relación de Keq vs T.

NOTA

La 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 condición. Si esto es muy

complicado deben generarse tablas de

Keq vs T y suministrar los datos de esta

forma.

7.1.2 Modelos de reacción que emplean parámetros cinéticos :

Al tener en cuenta la cinética, estos modelos permiten involucrar el patrón de flujo del reactor y sus características geométricas dentro de la simulación; lo cual, sumado a un criterio como la conversión deseada y/o la selectividad requerida, permite dimensionar el equipo.

Se debe especificar la expresión de la velocidad de reacción de la siguiente forma:

Heterogénea Catalítica

Los términos de las reacciones Heterogéneas

Catalíticas se refieren a las reacciones inversas y

directas (indicadas con ' ), donde:

K: constante de reacción.

E: energía de activación

A: factor pre-exponencial

f(Basis): la propiedad de la cual depende la

velocidad de reacción (concentración, presiones

parciales…)

Se debe especificar las unidades de la expresion

de la velocidad de reacción.

Cinética • Es aplicable a casos en los que la cinética limita la

velocidad de reacción.

• Puede ser empleado para caracterizar reacciones no elementales, reversibles e irreversibles, en donde los coeficientes estequiométricos coinciden o no con los órdenes cinéticos de reacción.

• Para especificarlo se requiere de la estequiometria de reacción, los ordenes de reacción directa e inversa de cada una de las sustancias en la reacción, así como el factor de frecuencia y energía de activación de las constantes de reacción directa e inversa. Si la reacción es irreversible pueden omitirse los órdenes de reacción así como el factor de frecuencia y la energía de activación de la reacción inversa.

• En esta pestaña se especifican los coeficientes estequiométricos los cuales son negativos para reactivos y positivos para productos los cuales si están bien especificados deben tener un Balance Error de cero.

• También se deben especificar las orden de la reacción inversa y directa para cada componente.

• En la pestaña Basis hay que especificar cual es la propiedad base de la velocidad de reacción, el componente al cual se refiere esta, el rango de temperatura para el cual es válida la velocidad de reacción, la fase de la reacción y las unidades.

• La reacciones Kinetic tienen la siguiente forma:

Rata Simple • Es aplicable a casos en los que la cinética limita la velocidad

de reacción.

• Puede ser empleado para caracterizar reacciones elementales ó reacciones no elementales, reversibles ó irreversibles, en donde los coeficientes estequiométricos coinciden con los órdenes cinéticos de reacción.

• Para especificarlo se requiere de la estequiometría de reacción, el factor de frecuencia y energía de activación de la constante de reacción directa. Para el caso de reacciones reversibles, también se requiere de la constante de equilibrio en función de la temperatura.

Tipo de Reacción DESCRIPCIÓN

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

Equilibrium

Keq=f(T); el equilibrio se basa en la estequiometria de la reacción. Keq= estimada o especificada

Gibbs Minimización de la Energía Libre de Gibbs de todos los componentes

Kinetic Donde los parámetros de la reacción inversa deben ser termodinámicamente consistentes.

Heterogeneous Catalytic

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

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

Reacciones en HYSYS:

Las velocidades de Reacción en HYSYS son dadas en unidades de volumen de la fase gas o liquido según la fase en la que se lleve a cabo la reacción. Por ejemplo si se tiene la expresion de la elocidad de reacción 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 reacción desde un reactor, el cambio es local y solo se asume en esa unidad.

• Si se efectúan cambios a una reacción 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 reacción. La opción OVERALL es para reacciones en fase líquido-gas simultáneo.

• 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 HYSYS

En HYSYS hay dos clases de reactores:

- Ideales

- Generales.

7.2.1 REACTORES IDEALES

Este tipo de reactores se puede asociar únicamente con cualquiera de los modelos de reacción que emplean parámetros cinéticos.

El PFR (Plug Flow Reactor, or Tubular Reactor) generalmente consiste en un banco de tubos. Se supone flujo tapón, lo que mplica que el flujo en la dirección radial es isotropico (sin gradiente de masa o energía). Se desprecia el flujo axial. Cuando los reactivos atraviesan la longitud del reactor PFR, son consumidos continuamente y hay una variación axial de concentración.

PFR

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

• Las EDO's del PFR son una adición reciente a los paquetes de simulación y son resueltas mediante la división del volumen en pequeños segmentos y encontrar una solución secuencial para cada volumen.

• Compuesto por una serie de tubos empacados con catalizador y rodeados por una coraza con fluido térmico, la principal aplicación se presenta en la simulación de sistemas reactivos en lecho catalítico.

Se debe especificar en un PFR:

• Parámetros geométricos (número de tubos, diámetro y longitud de los tubos, diámetros y esfericidad del catalizador, etc..)

• Características del fluido térmico (flujo, temperaturas de entrada y salida, etc..,) ó Temperatura de salida de sus productos ó la cantidad de calor que transfiere, así como

• Presión de salida de los productos ó la caída de presión en su interior.

• Reacción y ley de velocidad

DIMENSIONAMIENTO • Para dimensionar un PFR se deben especificar dos de los

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

• Especifique el número total de tubos en el PFR.

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

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

Notas: - Si no se especifica una corriente de energía la

operación se considera adiabática.

- Si selecciona el boton Ergun Equation para un PFR sin catalizador sólido, Hysys fija la caída de presión en cero.

- Active el checkbox Single Phase cuando la reacción se

lleva a cabo en una sola fase. Si esta opción esta inactiva Hysys considera que la reacción se lleva a cabo en fase vapor-líquido.

Simulación de un PFR Adiabático

El Estireno es un monómero usado en la producción de diferentes plásticos. El estireno se produce a partir de la deshidrogenación de etilbenceno:

C6 H5 − C2 H5 C6 H5 −CH = CH2 + H2

En este reactor no consideraremos el hecho de que la reacción anterior es una reacción de equilibrio y se modelará este sistema usando la expresión de Cinética de Velocidad (Kinetic Rate):

Notar que la velocidad de reacción tiene unidades y que el término de la concentración es presión parcial con unidades de kPa.

C6 H5 − C2 H5 C6 H5 −CH = CH2 + H2

1. Iniciar HYSYS 2. Crear la lista de componentes

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

4. En la etiqueta Reactions del Simulation Basis Manager,

Presionar el botón Add Rxn para insertar la reacción de deshidrogenación.

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 reacción, automáticamente aparece la columna Mole Wt.

Luego colocar los valores de los coeficientes estequiométricos 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 presión (Basis Units) son kPa

Reacción 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 energía de activación E con unidades de cal/mol (la cual es transformada a kJ/Kmol después 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 Reacción recién creada al Reaction Set, colocar el cursor en la celda <empty> bajo Active List. Despliegue la lista de las reacciones y seleccione el nombre de la Reacción (Reaccion kinetic). El Set Type corresponde al tipo de reacción que usted ha añadido al Reaction Set. El mensaje de estado ahora exhibirá a Ready.

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

17. Ahora ingrese a la ventana de simulación presionando el botón 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 razón 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 continuación 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 página Parameters y especificar que este reactor no tiene caída de presión y es un reactor adiabático. La barra inferior se torna Verde con la palabra OK

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

RESULTADOS 23. Al ingresar al Workbook tenemos la composición de las corrientes.

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

y luego en View UnitOp

Y luego clic en Plot..

En la pestaña 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 está

perfectamente mezclado y que la concentración en

cada punto del reactor es la misma.

Se puede emplear para reacciones en fase líquida o

gaseosa, pero debe especificarse.

El modelo CSTR es un modelo algebráico estándar que ha estado en los paquetes de simulación por muchos años. Para especificar el reactor es necesario asociarle una o

varias reacciones y especificar:

Volumen del reactor

Nivel de líquido

Temperatura de salida de productos ó calor

transferido

Presión de salida de los productos ó la caída de

presión en su interior.

La estequiometría de las reacciones

Los parámetros de la velocidad de reacción de cada

reacción.

DIMENSIONAMIENTO

Se debe especificar por lo menos una de las siguientes medidas: volumen, diámetro o altura (altura se especifica en tanque horizontales).

Notas

• Si se especifica el volumen cilíndrico del tanque entonces por defecto la relación Longitud / Diámetro del reactor CSTR es 3:2.

• La altura del líquido en un tanque cilíndrico vertical varia

linealmente con el volumen del líquido. • La relación entre la altura y el volumen del líquido no es lineal en

tanques horizontales cilíndricos y esféricos.

C6 H5 − C2 H5 C6 H5 −CH = CH2 + H2

Ejercicio: se llevará a cabo la reacción en fase vapor siguiente en un reactor CSTR adiabático.

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

El reactor es un tanque cilíndrico vertical de volumen del reactor es de 5 m3 . No tiene pérdidas de calor. No hay caída de presión. El nivel de líquido en el tanque es del 50%.

Corriente Alimentación

Temperatura 800°C

Presión 506.6 atm

Flujo molar 10 Kmol/h

Fracción másica E-Benzene 1

Solución:

7.2.2 REACTORES GENERALES

-Estos reactores trabajan con modelos de reacciones que no emplean parámetros cinéticos.

-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 reacción presentados.

Para especificarlos es necesario asociarle una o varias reacciones e indicar: Volumen del recipiente Nivel de líquido Temperatura de salida de productos ó el calor que transfiere. Presión de salida de productos ó la caída de presión en su interior.

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

• Gibbs Reactor

• Equilibrium Reactor

• Conversion Reactor

• Yield Shift Reactor

REACTOR DE GIBBS

Los Reactores de Gibbs calcula la composición de

equilibrio de la corriente de salida minimizando la

energía libre de Gibbs de la corriente de entrada.

Solo se requiere especificar la estequiometría.

Al minimizar la energía de Gibbs se producen la

reacción más probable. Este es un proceso

espontáneo en la naturaleza.

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

• Los Reactores de Gibbs no requieren de un set

de reacciones.

.

• Ejercicio: Lleve a cabo la reacción anterior en un reactor de Gibbs en las mismas condiciones de operación .

REACTOR DE EQUILIBRIO

En los Reactores de Equilibrio se determina la

composición de la corriente de salida

especificando la estequiometría de las reacciones

que ocurren y los valores de la constante de

equilibrio o su dependencia de la temperatura

para cada reacción.

Los Reactores de Equilibrio se puede

asociar únicamente con modelos de

reacción de equilibrio.

Hysys tiene varias reacciones de equilibrio

en una lista con todos los parámetros

necesarios.

REACTOR DE CONVERSIÓN

Este tipo de reactores

se puede asociar

únicamente con

modelos de reacción

de conversión.

Se debe especificar la estequiometría de todas las reacciones que se lleven a cabo y la

conversión del componente base, el Reactor de Conversión calcula las composiciones de la

corriente de salida.

• Ejercicio: Lleve a cabo la reacción en fase vapor de deshidrogenación del etilbenceno en un reactor de conversión, donde la conversión del etilbenceno es del 80%.

Yield Shift Reactor

Los reactores de rendimiento son para modelar

reactores usando tablas de datos para

desarrollar cálculos. Esta unidad puede usarse

para reactores complejos que no tienen

disponible un modelo o los que existen son de

alto costo.

Reacciones Químicas y Reactores en HYSYS

Reactor en HYSYS Tipos de Reacción

Conversion Reactor Conversión % (x%=C0 + C1T + C2T2)

PFR Simple Rate, Heterogeneous Catalytic, Kinetic

CSTR Simple Rate, Heterogeneous Catalytic, Kinetic

Equilibrium Reactor

Keq=f(T); El equilibrio se basa en la estequiometría de la reacción

Keq= Estimada a partir de la Energía Libre de Gibbs Keq= Especificada como una constante o desde una tabla de valores

Gibbs

Minimización de la Energía Libre de Gibbs de todos los componentes especificados. Hay dos opciones: 1) No es requerida la estequiometría de la reacción 2) La estequiometría de la reacción es dada

Observe que según el tipo de reactor las

especificaciones requeridas son diferentes.

Los reactores ideales (CSTR y PFR) requieren

especificar los parámetros de la ley de velocidad

y la estequiometria de las reacciones

Los Tanques, Separadores y las operaciones de

separación de tres fases también 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. Simulación de Procesos con HYSYS. 2006.