Post on 28-Jul-2020
Integración IVMódulos de DWSIM (III)
Equipos con reacción química en DWSIM
2018
Profesor: Dr. Nicolás J. ScennaJTP: Dr. Néstor H. RodríguezAux. 1ra: Dr. Juan I. Manassaldi
Modelos de reactores presentes en DWSIM
Reacciones químicas soportadas por DWSIM
Las reacciones pueden se de 4 tipo:
Equilibrio (Equilibrium): Se definen a partir de una constante de equilibrio (K). La fuente de información para la constante de equilibrio puede ser un cálculo directo de energía Gibbs, una expresión definida por el usuario o un valor constante. Pueden utilizarse en reactores de Equilibrium y Gibbs.
Conversión (Conversion): Se definen por la cantidad de un compuesto básico que se consume en la reacción. Esta cantidad puede ser un valor fijo o una función de la temperatura del sistema. Son soportadas por el reactor de Conversión.
Cinética (Kinetic): Se definen a partir de una expresión cinética. Son soportadas por los reactores PFR y CSTR.
Catalíticas heterogéneas (Heterogeneous Catalytic): Obedecen al mecanismo de Langmuir-Hinshelwood, donde los compuestos reaccionan sobre una superficie sólida de catalizador. En este modelo, las velocidades de reacción son una función de la cantidad de catalizador (es decir, mol/kg cat.s). Son soportadas por los reactores PFR y CSTR.
Modelos de reactores presentes en DWSIM
Para realizar una simulación de un reactor, se necesitan definir las reacciones químicas que tendrán lugar en el reactor. Esto se realiza a través del Administrador de Reacciones (Reactions Manager).
Administrador de Reacciones químicas (Chemical Reactions Manager).
Conversión
Equilibrio
Cinética
Catalíticas heterogéneas
Reacciones de Conversión
Compuestos incluidos en la reacción
Nombre y descripción
Reacciones de Conversión
Componente base de la reacción
Coeficientes estequiométricos
Verifica la estequiometría
Reacciones de Conversión
Calor de reacciónReacción
Fase de la reacción
% de conversión en función de la temperatura
Ejemplos de Reacciones de Conversión
2 2 33 2H N NH Conversión del 40% del Nitrógeno
Ejemplos de Reacciones de Conversión
4 2 2 22 2CH O CO H O Combustión del 100 %
El N2 no interviene en la reacción.
Suele aparecer porque se utiliza aire para la combustión.
Reacciones de Equilibrio
Funcionalidad de la constante de equilibrio
Forma de calculo de la Keq
Ejemplos de Reacciones de Equilibrio
2 2 33 2H N NH
Ejemplos de Reacciones de Equilibrio
n-Butano -Butanoi
Reacciones de Cinética
Orden de reacción (directo e inverso)
Parámetros de Arhenius
'
k
kA B
E
RTk Ae
'
' 'E
RTk A e
Ejemplos de Reacciones de Cinética
MeAc BuOH MeOH BuAc
Ejemplos de Reacciones de Cinética
6 5 2 5 6 5 2 2 2C H C H C H C H CH H
Ley funcional de la velocidad de reacciónLas variable son:TR1, R2, …, RnP1, P2, …, Pn
Reacciones Heterogéneas Catalíticas
Reacciones Heterogéneas Catalíticas
3 2 3 32CH OH H O CH OCH
Reacciones Heterogéneas Catalíticas
3 2 3 32CH OH H O CH OCH
Reacciones Heterogéneas Catalíticas
2 2 2H O CO H CO
Reacciones Heterogéneas Catalíticas
4 2 23CH H O H CO
Ejemplo: Combustión de gas natural
Se desea conocer la temperatura de llama que se alcanza al quemar 1 kg/s de gas natural (suponemos metano puro) con una relación másica de 1:40 fuel-aire. Se considera que el gas y el aire ingresan a 298.15 y 1 atm.
4 2 2 22 2CH O CO H O
Reacción de combustión del metano
Corriente de combustible
Corriente de aire
Mezcla para ingresar al reactor
Reactor de conversión
Paquete de reacciones que intervienen en el reactor
Métodos de calculo disponibles:• Isotérmico• Adiabático• Con temperatura de salida definida
Caída de presión
Reactor de conversión
Compressor
air
Combustor
fuel
expander
exhaust
Ejemplo: Simulación de una turbina de Gas
Ejemplo: Simulación de una turbina de Gas
Ejemplo: Simulación de una turbina de Gas
Ejemplo: Reactor de equilibrio
2 2 33 2H N NH Alimentación estequiométrica
Reacción de equilibrio
Reactor de equilibrio 450 ºC 100 atm
Reactor de Gibbs
Reactor de Gibbs
Reactor de Gibbs
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
3
2
k
l l l
k
l l l
k
l l l
EtO H O MEG
MEG EtO DEG
DEG EtO TEG
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
k
l l lEtO H O MEG
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
k
l l lEtO H O MEG
1
1 1
E
RTk Ae
21EtO EtO H Or k C C
Define las unidades de la expresión cinética
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
k
l l lEtO H O MEG
1
1 1
E
RTk Ae
21EtO EtO H Or k C C 2 3
;EtO H O
molC C
m
3EtO
molr
m s
3
1
mk
mol s
¿?
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
k
l l lEtO H O MEG
1
1 1
E
RTk Ae
3
1.
mk
mol s
1
JE
mol
T K
3
1.
mA
mol s
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
k
l l lEtO H O MEG
1 exp 13.62 8220k T
13.62 8220
1 e.min
T Lk e
mol
13.62 38220
1
e
60.1000 .s
T mk e
mol
1A1E
RTe
13.62 3
1
e
60.1000 .s
mA
mol
1 8220E
RT T
1 8220E R
1 8220 8.314472.
JE K
mol K
3
1 13.7069.s
mA
mol
1 68344.9598J
Emol
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
Análisis Paramétrico
Se analizara de manera automática la variación de la composición de salida con el tamaño del reactor
Análisis Paramétrico
Análisis Paramétrico
Análisis Paramétrico
Análisis Paramétrico
Copiamos los datos y los pegamos en Excel
Análisis Paramétrico
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 10 20 30 40 50 60
Ethylene glycol
Diethylene glycol
Triethylene glycol
Análisis Paramétrico
Se analizara la variación de la conversión del EtO con el tamaño del reactor
Análisis Paramétrico
Se analizara la variación de la conversión del EtO con el tamaño del reactor
¿Conversión?
in out
in
EtO EtO
EtO
EtO
F Fx
F
Moles consumidos de EtO
Moles alimentados de EtO
Análisis Paramétrico
in out
in
EtO EtO
EtO
EtO
F Fx
F
Moles consumidos de EtO
Moles alimentados de EtO
Variables del flowsheets que necesito para la expresión de la conversión
Molar Flow (Mixture) / Ethylene Oxide
Análisis Paramétrico
in out
in
EtO EtO
EtO
EtO
F Fx
F
Moles consumidos de EtO
Moles alimentados de EtO
Análisis Paramétrico
Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
2 2 33 2H N NH
Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
2 2 33 2H N NH
100 bar
350 bar
600 bar