REACTORES Objetivo: Simular modelos de reactores de ASPEN HYSYS según las características de las reacciones.
Consideraciones Energía Libre de Gibbs: En el equilibrio la energía es mínima Equilibrio: la Equilibrio: la reacción continua hasta el equilibrio termodinámico el cual es gobernado por la Keq Vs estequiometria de la reacción. Conversión: Conversión : la reacción no alcanza necesariamente el equilibrio, la extensión de la reacción es definida por el porcentaje(%) de conversión del reactante limite. Cinético: Cinético: la reacción continua hasta el equilibrio a una velocidad gobernada por parámetros cinéticos. La extensión de la reacción es gobernada por la tasa relativa de reacciones directas e inversas, así como también por el volumen de reacción (tiempo de residencia). Adicionalmente a la cinética de la reacción, los efectos de la transferencia de masa pueden influir en la extensión de la reacción. En ocasiones la cinética de la reacción limita la reacción y otras veces podría hacerlo la transferencia de masa.
Pasos para fijar SETS de REACCIONES 1.- Definir reacciones en el “Reactions Tab” del “Simulation Basis Manager” 2.- Crear sets de reacciones y añadir reacciones definidas en (1) a estos sets de reacciones. 3.- Conectar un “Fluid Package” a cada set de reacciones.
DEFINIENDO REACCIONES REACCIONES EN HYSYS Reacciones de Conversión Necesita los coeficientes de conversión (fijados o dependientes de la temperatura)
Reacciones de equilibrio: e quilibrio: Keq: calculada a partir de la energía libre de Gibbs o dependiente de la temperatura. Aproacch: para simular una reacción de equilibrio entre un valor aproach de temperatura( el calor de reacción determina en qué dirección (fwd o back)- se llevará a cabo la reacción.
Library: reacciones predefinidas
Reacciones Cinéticas Son necesarios los parámetros de Arrhenius (tanto fwd & reverse) para la constante K dependiente de la temperatura & ordenes de reacción (introducida por la estequiometria).
Catalítica Heterogénea Basada en la cinética pero usa los modelos de Yang Hougen.
Simple Rate Basada en la cinética pero la expresión de la reacción reversa es derivada a partir de los datos de equilibrio.
Tips para definir Reacciones Rxn Component List = Master Component List
Cualquier component perdido puede ser añadido a trav és del “Reactions Manager View” y son inmediatamente añadidos al “Master Component list”
Coeficientes Estequiometricos
Productos son positivos, reactantes consumidos son negativos.
Calor de Rxn positivo = Endotérmico
Definiendo Sets de Reacciones
Todas las reacciones pertenecen a un set de reacción. Los set se conectan a los reactores.
La misma reacción puede estar presente en múltiples sets de reacciones.
Tips: o
Reacciones de equilibrio y cinético pueden ser mezcladas en un set, las reacciones de conversión no.
o
El orden de la reacción en un Set de Reacciones es determinado mediante “ranking”.
TIPOS DE REACTORES
Conversión: se especifica la estequiometria y la composición de salida es calculada. Equilibrio: se especifica la estequiometria y la constante de equilibrio; la composición de salida es calculada. Gibbs: minimiza la energía libre de Gibbs para determinar la composición de equilibrio a la salida, no es necesaria la estequiometria. Yield: se fija los rendimientos de los productos del reactor, no es necesaria la estequiometria. Reac to res Cin é ti co s : CSTR Se especifica la estequiometria y la constante cinética Se asume que el contenido es mezclado totalmente, las condiciones de salida son calculadas. PFR Se especifica la estequiometria y la constante cinética Asume que la corriente pasa a través de un reactor flujo-pistón, la composición de salida es calculada.
NOTA: LAS OPERACIONES TANQUE, SEPARADOR Y SEPARADOR TRIFASICO PUEDEN LLEVAR A CABO PROCESOS DE REACCION.
EJERCICIO La producción de gas de síntesis es un importante etapa en la producción de amoniaco. Dicho gas comprende hidrogeno y nitrógeno en una relación 3:1. El principal papel de la planta de gas de síntesis es convertir gas natural principalmente en metano y luego en hidrogeno. Típicamente se usan cuatros reactores en una planta de gas de síntesis, pero en este caso se emplearan 5 reactores ya que el combustor, un recipiente sencillo, será modelado como dos reactores en serie, con dos reacciones diferentes. En la figura 1 se presenta el DFP con las condiciones del procesos.
s i s e t n í S e d s a G e d a t n a l P a l e d P F D . 1 a r u g i F
1. Seleccione el modelo termodinámico apropiado. Pueden usar el PR 2. Adicione los siguientes compuestos: CH 4, H2O, CO, CO 2, H2, N2 y O2. 3. Adicionar las reacciones Reacciones de Reformado CH4 + H2O CO + H2 CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 Reacciones de Combustión CH4 + O2 CO2 + H2O Water Gas Shift CO + H2O CO2 + H2 Esto será de una manera muy similar como el usado en adicionar componentes en la simulación. Realice Click en la pestaña Reactions que se encuentra en el ambiente de simulación básico. Note que todo los componentes son mostrados en Rxn Component List( ver figura 2)
Figura 2. Verificando componentes
Click en el botón Add Rxn y en la nueva ventana seleccione conversión, tal como se evidencia en la figura 3
Figura 3.- Adicionando reacciones
Introduzca la información correspondiente a la primera reacción. Para ello deberá
desplegar
la
lista
y
seleccionar
los
componentes
correspondientes(ver figura 4 y 5)
Figura 4. Adicionando Componentes
Figura 5. Adicionando coeficientes estequiometricos
Seleccione la pestaña Basis e introduzca el porcentaje de conversión. Recuerde que debe ser del reactivo limitante (Ver figura 6).
Figura 6. Adición del porcentaje de conversión.
Repita
los
pasos
anteriores
para
las
dos
reacciones
restantes,
considerando la información suministrada en la siguiente tabla.
Tabla N°1. Porcentaje de conversión de las Reacciones 2 y 3
Nombre
Rxn2
Rxn3
Reacción
CH4 + 2H2O
CH4 +2O2
Componente Base
Porcentaje Conversión
CO2 + 4H2
CH4
65
CO2 + 2H2O
CH4
100
Figura 7. Datos de la reacción Rxn2
Figura 8. Datos de la reacción Rxn3
Para introducir la reacción Rxn4, considere que la misma es una reacción de equilibrio. Adicione la reacción, pero en vez de seleccionar de conversión, seleccione de equilibrio.(ver figura 9)
Figura 9. Ventanas que se apertura al adicionar una reacción de equilibrio
A continuación ubíquese en la pestaña Library, y seleccione la reacción Rxn4 según el listado que se le presenta y la adiciona.(ver figura 10)
Figura 10. Selección de la reacción de equilibrio
4. Después de haber adicionado las reacciones, ahora se deben crear los sets de cada reactor. Continuando en la pestaña Reactions, debe hacer click en Add Set y adicione las reacciones Rxn1 y Rxn2. Coloque el siguiente nombre al set: Reforer Rxn Set
Figura 11. Adicionando Set de reacciones
5.
Adicione dos sets adicionales con la información que se les presenta en la tabla 3
Tabla 3. Nombre de los dos sets de reacciones adicionales
NOMBRE DEL SET DE REACCI N
REACCIONES A ACTIVAR
Combustor Rxn Set
Rxn1, Rxn2, Rxn3
Shift Rxn Set
Rxn4
Figura 12. Vista de los dos sets de reacciones adicionados
6. Ahora se debe adicionar los sets de reacciones al paquete del fluido. Como existen tres (3) sets de reacciones, es necesario ingresarlos en el orden en que ellos serán usados. Selecciona el set Reformer Rxn set y presiona Add to FP, luego presiona Add Set to Fluid Package (ver figura 13)
Figura 13. Adicionando set de reacciones al paquete de fluido
7. Repetir el paso anterior para los sets restantes en el orden: combustor y Shift 8. Una vez que se han adicionado los sets, ya puede ingresar al ambiente de simulación y construir la simulación.
9. Adicione cuatro (4) corriente de materia considerando la información que se le presenta en la tabla 4.
Tabla 4. Características de las corrientes de materias a adicionar
GAS
REFORMER
NATURAL
STEAM
Temperatura, °C
370
250
16
250
Presión, kPa
3500 90
240
90
140
100% CH4
100% H2O
NOMBRE
Flujo Molar, kmol Composición molar
AIRE
79% N2 21% O2
COMBUSTOR STEAM
100% H2O
Figura 14. Adicionando las leneas de corrientes
10. Ahora corresponde adicionar los reactores. El primer rector es de conversión. De la paleta de objeto realice cli en General Reactors, otra ventana se abrirá y seleccionará el reactor de conversión.
Figura 15. Adicionando reactor de conversión. 11. Coloque como nombre del reactor Reformer y attach las corrientes Gas Natural y
Reformer Steam como alimentaciones del mismo. Nombre la corriente de vapor Combustor Feed y la de líquido Reformer LP. La corriente de energía será nombrada como Reformer Q. El mismo deberá verse como lo representado en la figura 16
Figura 16. Representación del primer reactor de conversión (Reformer)
12. Realice click sobre el reactor y en la pestaña Design en la página de Paramters, seleccione el duty como Heating. Ver figura 17
Figura 17. Selección del duty en el reactor Reformer 13. Ahora ubíquese en la pestaña Reactions, específicamente en la página Details, seleccione Reformer Rxn Set como el set de reacciones. Inmediatamente
conectara con las reacciones que corresponden a este reactor.
Figura 18. Adicionando el set de reacciones al reactor
14. Selecciona Conversion % y cambia el valor de Co de la Rxn 1 en 40% y para Rxn2 en 30%. Observar figura 19.
Figura 19. Cambiando porcentajes de conversión
Au n el reactor no est aráco mp letamente resu elto
El segundo reactor en una planta de gas de síntesis es el combustor. El mismo será modelado como un reactor de conversión y reactores de equilibrio en serie. Esto es porque las reacciones de conversión y de equilibrio no pueden ocurrir en reactores de distintos tipo, es decir, la reacción de conversión no puede ser asociada con la reacción de equilibrio y viceversa.
15. Adicionando otro reactor de conversión con la siguiente información(ver figura 20)
Tabla 5 Parámetros del Reactor Combustor
Nombre
Combustor
Corrientes de alimentación
Combustor Feed, Air, combustor Steam
Corriente Vapor salida
Mid Combust
Corriente Liquida Salida
Combustor LP
Set de Reacciones
Combustor Rxn Set
Rxn1
35%
Rxn2
65%
Rxn3
100%
Figura 20. Reactor Combustor con las corrientes de entrada y salida
16. Como podrá haber visto, la única corriente que se le especificó la presión fue la de Gas Natural. En esta ocasión se va a definir la presión de la corriente Reformer
Steam agregando un Set Operation(operación lógica).
Adicione el set
operation en el flowsheet y operacionalice tal como se muestra en la figura 21.
Figura 21. Variables a considerar para el set-1. Presión de Reformer steam será igual a la de Gas Natural
Una vez que se especifique el Set-1, el primer reactor converge. 17. Repita el paso anterior para la presión de las corrientes de Combustor Steam y
Aire, tomando como Source la presión del Gas Natural. Considere las mismas
condiciones de parameters empleadas anteriormente. En la figura 22. Podrá ver la conversión del segundo reactor así como también la instalación de los SET-1, SET-2 y SET-3
Figura 21. Instalación de los Sets
18. Ahora es el momento de adicionar los Reactores Shift, para ello deberá seleccionar de la paleta de objeto el reactor de equilibrio, e introduzca la información proporcionada a continuación en la tabla 6
Tabla 6. Características del reactor de Equilibrio Combustor Shift
Nombre
Combustor Shift
Corrientes de alimentación
Mid Combust
Corriente Vapor salida
Shift1 Feed
Corriente Liquida Salida
Combustor Shift LP
Set de Reacciones
Shift Rxn Set
En la figura 22, se puede observar cómo está quedando el DFP, una vez que se agregue la información suministrada en la tabla anterior.
Figura 22. Representación del reactor de equilibrio COMBUSTOR SHIFT
19. Adicione los dos reactores de equilibrio restantes con la información que se le suminstra a continuación en la tabla 7.
Tabla 7. Características del reactor Shifter 1 y Shifter2
Nombre del reactor
Shifter 1
Corrientes de alimentación
Shift1 Feed
Corriente Vapor salida
Shift2 Feed
Corriente Liquida Salida
Shifter 1 LP
Corriente de Energía
Shift1 Q
Duty
Cooling
Temperatura Corriente Alimentación
450°C
Set de Reacciones
Shift Rxn Set
Nombre del reactor
Shifter 2
Corrientes de alimentación
Shift2 Feed
Corriente Vapor salida
Gas de Sintesis
Corriente Liquida Salida
Shifter 2 LP
Corriente de Energía
Shift2 Q
Duty
Cooling
Temperatura Corriente Alimentación
400°C
Set de Reacciones
Shift Rxn Set
Una vez realizada la simulación, responda las siguientes preguntas
¿Cuál es la composición molar del Hidrogeno en la corriente de Gas de síntesis?_______
¿Cuál es la composición molar del Nitrógeno en la corriente de Gas de síntesis?_______
¿Cuál es la relación de H 2/N2 en la corriente de Gas de síntesis?_______
La corriente Shift1 Feed, debería alcanzar una temperatura de 930°C. „¿Que variable se debería manipular de tal manera de alcanzar el objetivo?__________________________
¿Qué valor alcanza el flujo de la corriente Combustor Feed, para poder alcanzar la temperatura requerida en Shift1 Feed?______________kmol/h
