11. REACTOR DE CONVERSION 1. OBJETIVOS 1. 2. 3. 4.

Simular, en estado estacionario un reactor de conversión Relacionar dos variables mediante la opción “Set” de HYSYS Verificar los resultados obtenidos por HYSYS con los cálculados teóricamente Utilizar la facilidad que permite la operación “Set” para simular una separación instantánea P-Vf

2. INTRODUCCION Reacción de conversión HYSYS permite la simulación de procesos químicos con reacciones de varios tipos. En la reacción de conversión se especifica, además de su estequiometría, el componente base, la fase en que se realiza la reacción y una ecuación polinómica para calcular la conversión en función de la temperatura de la reacción. Si la conversión es independiente de la temperatura se especifica la conversión con solo el término constante del polinomio función de temperatura En un reactor donde se realizan un sistema de N reacciones de conversión en paralelo, los flujos de salida de cada uno de los componentes en el sistema se pueden calcular mediante un balance de materia, asignando una conversión (η) para cada una de las reacciones y considerando sus coeficientes estequiométricos (γ) positivos para los productos y negativos para los reaccionantes escribiendo las reacciones con coeficiente estequiométrico de uno para cada reactivo límite ( l ). Si hay un componente inerte su coeficiente estequiométrico es cero El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera:

N

F = Fi + ∑ γ r , kη Fi l ( r ) k p

k

r =1

(11.1)

Siendo p, el símbolo correspondiente a la corriente producto, i, el de la corriente de entrada, k, el que representa a cada uno de los componentes y l(r) el componente límite en la reacción r La ecuación (11.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente es igual a su flujo de entrada mas la sumatoria de lo producido en cada reacción menos lo consumido en cada reacción

Operación “Set” La operación “Set” se utiliza para establecer el valor de una variable de proceso específica mediante una relación lineal con otra variable de proceso. La relación es entre las mismas variables de proceso en dos objetos similares; por ejemplo, la temperatura en dos corrientes o el UA en dos intercambiadores de calor. La operación puede emplearse tanto en simulación estacionario como dinámica La variable dependiente u objetivo se define en términos de la variable independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relación lineal

Y = MX + B

Siendo

(11.2)

Y = variable dependiente u objetivo X = variable independiente o fuente M = multiplicador o pendiente B = ajuste o intercepto

Para instalar la operación “Set”, seleccione el botón “Set” en la paleta de objetos ó seleccione “Add Operation” del menú “Flowsheet” y seleccione la opción “Set” 3. PROCESO ESTUDIADO Dos corrientes, una de monóxido de carbono puro a 550 °C, 1000 kPa y 100 kgmol/h y otra de hidrógeno puro a las mismas condiciones de temperatura y presión se alimentan a un separador de fases que servirá como reactor para la conversión de dichos reactivos en metano y agua. Se establece que el flujo molar de la corriente de hidrógeno sea tres veces el flujo molar de la corriente de monóxido

4. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: ECUACION: UNIDADES:

Monóxido de carbono, Hidrógeno, Agua y Metano Peng-Robinson Sistema SI

REACCION DE CONVERSIÓN:

CO + 3 H2

CH4 + H2O

Para añadir una reacción de conversión, haga clic en la pestaña “Reactions” y en la ventana “Simulation Basis Manager” añada los componentes de la reacción haciendo clic en el botón “Add Comps…” y seleccionándolos de la librería. Haga clic en el botón 68

“Add Rxn…” y en la pestaña “Stoichiometry” de la ventana “Conversión Reaction: Rxn-1” añada los componentes en el siguiente orden: monóxido de carbono, hidrógeno, metano y agua. Complete la página estequiometría introduciendo con signos negativos los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y con signos positivos los de los productos, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Estequiometría de la reacción de conversión

En la pestaña “Basis” establezca el monóxido de carbono como el componente base para la conversión, la fase de la reacción es la global u “Overall” y especifique una conversión constante del 80 % en el cuadro “Co”. Observe la Figura 2. Cuando la reación es especificada completamente, en forma automática es añadida al conjunto de reacciones “Global Rxn Set”. Añada el “Global Rxn Set” al paquete fluido presionando el botón “Add to FP”. Hecho esto salga del ambiente básico. Se pueden crear otros conjuntos de reacciones donde incluir las reacciones que se desee, cuando sea necesario. 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corrientes de alimentación: Monóxido: Instale la corriente “Monóxido” con las siguientes especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” Temperatura Presión Flujo molar

550 °C 1000 kPa 1000 kgmol/h

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Figura 2. Datos básicos para la reacción de conversión

En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique que la fracción molar de monóxido de carbono es uno y cero las correspondientes a los otros componentes. Hidrógeno: Instale la corriente “Hidrógeno” con las siguientes especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” Temperatura Presión

550 °C 1000 kPa

En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique que la fracción molar de hidrógeno es uno y cero las correspondientes a los otros componentes. Reactor de Conversión: Instale un Separador de fases con las siguientes especificaciones Pestaña Design

Página Connections

Name Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

R-100 Monóxido, Hidrógeno Vapor Líquido

Pestaña Design

Página Parameters

Delta P

0 kPa

En la pestaña “Reactions” de la ventana de propiedades del Separador de fases que opera como el reactor “R-100”, añada en el cuadro “Reaction Set” el conjunto de

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reacciones “Global Rxn Set” que contiene la reacción de conversión definida anteriormente Operación Set Instale, ahora, la operación Set que establezca el flujo molar de FH2 en proporción estequiométrica a FCO, es decir que FH2 = 3*FCO + 0 Al hacer doble clic en el icono de la operación “SET-1”, seleccione el flujo molar de la corriente “Hidrógeno” como la variable objetivo o dependiente, haciendo clic en el botón “Select Var” de la sección “Target Variable”. Seleccione a la corriente “Monóxido” como objeto variable independiente en la sección “Source”. Observe la Figura 3. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” introduzca la relación lineal entre los flujos de las corrientes “Monóxido” e “Hidrógeno”. Especifique el valor de 3.0 como el factor del flujo de la corriente “Monóxido” en el cuadro “Multiplier” y el valor 0.0 como el ajuste de la relación lineal en el cuadro “Offset”. Observe la Figura 4. Despliegue el libro de trabajo y observe las especificaciones de las corrientes conectadas al reactor. Haga cambios en el flujo de la corriente “Monóxido” y observe cómo la operación “SET-1” hace que el flujo de la corriente “Hidrógeno” sea el triple del flujo especificado Aunque este ejemplo es trivial, este tipo de aplicación puede ser útil cuando sea aplicado a problemas más grandes. Por ejemplo, en diagramas de flujo donde los alimentos al reactor son recirculados, la operación “Set” puede asegurar que sus flujos relativos están siempre en proporción estequiométrica

Figura 3. Conexiones del botón SET-1

Figura 4. Relación lineal entre los flujos 71

El diagrama de flujo final del reactor de conversión incluyendo el botón de ajuste se observa en la Figura 5

Figura 5. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano

6. CASOS DE ESTUDIO 1. Escriba las ecuaciones de balance de materia de cada uno de los componentes de la reacción simulada 2. Con las ecuaciones planteadas, verifique los resultados de los flujos de cada uno de los componentes con los obtenidos por HYSYS vistos en el libro de trabajo 3. Utilice el botón “Set” para simular una separación instantánea P-Vf de una mezcla que contiene 20 % mol de benceno, 50 % mol de tolueno y 30 % mol de o-Xileno a una presión de 14.5 psia y una fracción de vaporización de 0.8 4. Realice los cálculos de separación instantánea y compárelos con los obtenidos por HYSYS

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