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Introducción a Aspen HYSYS®
Introducción a Aspen HYSYS®
¿Qué es Aspen HYSYS®?
Aspen HYSYS® es una herramienta de simulación de procesos muy poderosa, específicamente creada teniendo en cuenta su arquitectura de programa, diseño de interfaz, capacidades de ingeniería y operación interactiva. Este software permite simulaciones tanto en estado estacionario como en estado transitorio. Los variados componentes que comprende Aspen HYSYS® proveen un enfoque extremadamente poderoso del modelado en estado estacionario, permitiendo modelar una amplia gama de procesos con confianza.
El éxito de Aspen HYSYS® se debe a su fuerte base termodinámica, con paquetes de propiedades que llevan a la presentación de un modelo más realista. En los últimos años, este programa ha sido ampliamente usado en la industria para investigación, desarrollo, simulación y diseño de procesos como procesamiento de gases, instalaciones criogénicas, procesos químicos y de refinación. También ha sido utilizado en universidades en cursos introductorios y avanzados, especialmente en ingeniería química.
Objetivos del curso electivo
Considerando la importancia que tiene la simulación de procesos en la industria actual y la poca disponibilidad horaria que tienen las cátedras de la facultad para dedicar a este tema, se resolvió dictar un curso electivo sobre el manejo de Aspen HYSYS®. El objetivo es que el alumno aprenda los conceptos básicos de esta herramienta simulando una serie de problemas que ha tenido que resolver "a mano" a lo largo del cursado de distintas materias troncales de la carrera, como Balances y fenómenos de transporte, Termodinámica, Fisicoquímica, Operaciones Unitarias I y II, Tecnología del Calor, Cinética Química y Catálisis.
Si bien Aspen HYSYS® contiene una infinidad de posibilidades, el curso se centrará en la simulación estacionaria y de tipo elemental, abriendo el camino a los alumnos para adentrarse más en el mundo de la simulación si lo desean.
Iniciando Aspen HYSYS®
Acceso al programa
La primera tarea a la hora de emprender una simulación es conocer la ruta para acceder al programa. El programa de instalación crea la siguiente ruta de acceso: 1. Hacer clic en Inicio. 2. Seleccionar Programas/ AspenTech/ Aspen Engineering Suite /Aspen HYSYS/ Aspen HYSYS.
Configurando las preferencias de la sesión
Previo a comenzar a trabajar, es conveniente fijar las preferencias de trabajo. La interfaz de Aspen HYSYS® es muy personalizable respecto a la simulación, las variables, los reportes de resultados, etc. En este caso, nos centraremos en la configuración del sistema de unidades: 1. Hacer clic en Tools, en la barra de menús, y luego en Preferences. 2. En la pestaña Variables, se pueden observar los 3 sistemas de unidades cargados: EuroSI, Field y SI (Predeterminado). 3. Para editar un sistema de unidades, se debe utilizar la herramienta Clone, seleccionar el sistema a clonar y hacer clic en Clone. Esto creará un nuevo sistema con el nombre NewUser, donde tanto el nombre como las unidades podrán ser editados. 4. Una vez realizados los cambios deseados, se puede guardar el sistema de unidades personalizado haciendo clic en Save Preferences Set.
Creando una nueva simulación - Simulation
Basis Manager
Especificando componentes, paquetes de propiedades y
reacciones
Para crear una nueva simulación, se puede seleccionar File/New/Case, presionar Ctrl+N o hacer clic en New Case en la barra de herramientas. Cualquiera de estas acciones abrirá la ventana Simulation Basis Manager, donde se especifican todos los componentes, propiedades y reacciones a utilizar en la simulación.
En el Simulation Basis Manager se pueden observar pestañas como: - Components: permite cargar los compuestos químicos a utilizar en la simulación. - Fluid Pkgs: aquí se selecciona el paquete termodinámico que utilizará el programa para estimar las propiedades de las sustancias. - Hypotheticals: permite crear componentes hipotéticos y estimar sus propiedades. - Oil manager: es una herramienta que permite cargar datos experimentales de hidrocarburos y generar componentes hipotéticos. - Reactions: brinda la posibilidad de cargar reacciones químicas con sus respectivos datos cinéticos.
Adicionando componentes a la simulación
Los pasos a seguir para agregar componentes a la simulación son: 1. Seleccionar la pestaña Components y hacer clic en el botón Add. 2. Esto llevará a la ventana Component List View, que es la lista de todos los compuestos disponibles en HYSYS. 3. Seleccionar los componentes deseados para la simulación, buscándolos por Sim Name, Full Name o Fórmula. 4. Hacer doble clic sobre el componente o clic en el botón <---Add Pure para agregarlo a la lista de componentes de la simulación. 5. Dar un nombre a la lista de componentes. 6. Cerrar la ventana para volver al Simulation Basis Manager.
Introducción a Aspen HYSYS®
Paquetes de propiedades termodinámicas y sus
aplicaciones
En los manuales de los simuladores de procesos, por lo general, se halla una sección dedicada a los paquetes de propiedades termodinámicas y sus respectivas aplicaciones. Además, las últimas versiones de Aspen HYSYS® incluyen una aplicación que facilita la selección del paquete de acuerdo a la aplicación específica (Launch Property Wizard).
Entrando al ambiente de simulación
Ya se tiene la información mínima para comenzar la simulación. En caso de existir reacciones químicas deben cargarse previamente, pero esto lo veremos durante el desarrollo de los problemas. Para entrar en el ambiente de simulación, hacer clic en el botón "Enter Simulation Environment" o bien en el ícono correspondiente en la barra de herramientas.
Trabajando en el diagrama de flujos de procesos (PFD)
Una vez que se han especificado los componentes y el paquete de fluidos, y entrado al ambiente de simulación, se tendrá una vista como la siguiente:
Antes de proceder, es importante destacar algunas características de la ventana de simulación:
Aspen HYSYS®, a diferencia de la mayoría de los simuladores, resuelve el diagrama de flujo luego de cada cambio en él. Esta característica puede ser desactivada cliqueando el botón "Solver Holding" (el botón de luz roja) localizado en la barra de herramientas. Si se selecciona este botón, Aspen HYSYS® no resolverá la simulación. Para retornar al modo de resolución, se debe seleccionar el botón "Solver Active" (el botón de luz verde). Aspen HYSYS® es capaz de resolver de forma simultánea la información que se encuentra tanto corriente abajo como corriente arriba. Por lo tanto, es muy importante prestar atención a las especificaciones de todo el diagrama para asegurarse de que no se le está proveyendo al programa información conflictiva. De modo contrario, se obtendrá un error.
Volviendo a ingresar al Simulation Basis Manager
Si se desea re ingresar al Simulation Basis Manager para cambiar alguna información, solo basta con hacer clic en el botón correspondiente de la barra de herramientas superior.
Cerrar accidentalmente el PFD
Suele suceder que se cierra accidentalmente el diagrama de flujos. Para regresar, ir a "Tools/PFDs", y asegurarse que esté seleccionado "Case", y luego hacer clic en "View".
Paleta de objetos
Es la barra vertical que puede observarse a la derecha en la Figura 7. En ella se hallan corrientes de materia y energía y muchas de las operaciones unitarias que iremos utilizando a lo largo del curso. Se recomienda explorarla un poco para ir familiarizándose con ella. En caso de no estar visible, presionar F4 o bien ir a "Flowsheet" y seleccionar "Palette".
Las corrientes de materiales se utilizan para transportar componentes de una unidad de proceso a otra en la simulación. Hacer clic en la flecha azul de la paleta de objetos, seleccionar el menú "Flowsheet" y luego hacer clic en "Add Stream". Presionar F11.
Especificando corrientes de materiales
Para ingresar información en una corriente de materiales, hacer doble clic sobre la corriente que se muestra en la Figura 8. Dentro de esta ventana es donde el usuario especifica los detalles de la corriente. Para una corriente de material necesitamos especificar 4 variables: composición, flujo, y dos de las siguientes: temperatura, presión o fracción de vapor.
En la figura 9, se observa una barra amarilla de advertencia que indica la información que se necesita. El programa va computando los grados de libertad de acuerdo a la información que requiere para que se especifique la corriente. Cuando los grados de libertad son 0, entonces la barra se pone de color verde y con un mensaje de "OK". Para completar la información, sólo basta con seguir las órdenes que da Aspen HYSYS®.
Los valores mostrados en azul han sido especificados por el usuario y pueden modificarse, mientras que los valores en negro fueron calculados por Aspen HYSYS® y no se pueden modificar. El siguiente código de color para las corrientes de materiales indican si Aspen HYSYS® tiene la información suficiente como para caracterizar completamente la corriente:
Azul oscuro = correctamente especificada y completamente resuelta. Azul claro = las propiedades no han sido resueltas.
Guardando la simulación
Guardar la simulación es muy sencillo: ir a "File/Save As", elegir una ubicación y darle el nombre deseado, o bien hacer clic en el botón correspondiente.
Balances de Masa y Energía con Reacción
Química
Ejercicio Nº2 – Trabajo Práctico Nº
La temperatura de un reactor de conversión de CO puede moderarse mediante la inyección de un exceso de vapor de agua. Suponga una alimentación de 30% de CO, 20% de H2 y 50% de agua a 280ºC, y que se convierte el 90% del CO. Se mantiene una temperatura de salida del reactor de 400 ºC mediante el agregado de vapor adicional, y la estequiometria de la reacción es:
CO(g) + H2O(g) ⇌ CO2(g) + H2(g)
a) Calcule cuánto vapor adicional a 260ºC será necesario (por mol de alimentación) para mantener la temperatura de salida del reactor a 400ºC.
b) Calcule los flujos de salida del reactor.
Para resolver este problema utilizaremos un tipo de reactor llamado Conversion Reactor. Se utiliza cuando se conoce cuanto de los reactivos se transforma en productos. Este tipo de reactor trabaja con reacciones de Conversión. Este tipo de reacciones no requiere ningún tipo de conocimiento termodinámico ni cinético.
Necesitaremos aprender cómo se carga una reacción o un conjunto de reacciones en el Simulation Basis Manager y cómo se anexa a un paquete de propiedades.
Creación del Caso de Simulación
Sistema de unidades: Flujo molar en gmol/h. Componentes: CO, H2O, CO2, H2. El reactor trabajará a presión atmosférica y altas temperaturas (260-400ºC). El CO2 y el H2 son no polares, mientras que el H2O y el CO son polares. Sin embargo, al trabajar a presión baja y altas temperaturas el efecto de la polaridad no es muy marcado y podemos modelar el sistema con una ecuación de estado. En este caso elegir Peng Robinson (PR). En el Simulation Basis Manager, ir a la pestaña Reactions. Para agregar una reacción hacer click en el botón Add Rxn… Aparecerá una ventana que indica el tipo de reacción que se desea agregar. Seleccionar Conversion y hacer click en Add Reaction. En la nueva ventana, debemos cargar la estequiometria de la reacción. Seleccionar los componentes que participan de la reacción y asignarle su coeficiente estequiométrico. El estado indica Not Ready, pues todavía nos falta especificar la pestaña Basis. Completar la pestaña como se indica. Volviendo a la pestaña Reactions, ir al ítem Reaction Set. Allí se puede ver el conjunto de reacciones, en caso de haber más de una, y
establecer si son simultáneas, consecutivas, etc. En nuestro caso hay sólo una reacción. Debemos anexar la reacción al paquete de propiedades, para ello hacer click en Add to FP. Y luego en Add Set to Fluid Package. Crear las corrientes de alimentación con los datos indicados. Insertar un reactor de conversión y entrar a las especificaciones del mismo. En la pestaña Reactions, seleccionar Global Rxn Set. Para poder solucionar el problema tendremos que recurrir a la herramienta Adjust. Esto permitirá que el software resuelva el balance de masa y seguidamente el de energía hasta llegar a los valores especificados. Le diremos que ajuste el flujo de alimentación de vapor para que la temperatura de la corriente de salida sea 400 ºC.
Ejercicios Propuestos
Ejercicio Nº5 – Trabajo Práctico Nº
Una corriente de gas de proceso a 400°C se debe enfriar rápidamente hasta 200°C, poniéndola en contacto directo con benceno líquido frío a 20°C. Si la composición de la corriente caliente es: 40% de C6H6, 30% de C6H5CH3, 10% de CH4 y 20% de H2; calcule el flujo necesario de benceno para una alimentación de gas de 1000 kgmol/h, suponiendo que el proceso es adiabático.
Ejercicio Nº4 – Trabajo Práctico Nº
A un reactor se alimenta amoníaco a 450°C y 5 bar, en donde 90% del NH reacciona para formar NO, de acuerdo a la siguiente reacción:
4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g)
Suponiendo que se alimentan 1,5 moles de oxígeno y 5 moles de nitrógeno (que actúa como diluyente) a 450°C y 5 bar, por cada mol/h de NH3, calcule la temperatura de salida del reactor si el mismo opera adiabáticamente. Utilice un reactor de conversión para resolver el problema. Justifique el paquete termodinámico usado. Compare los resultados.
Termodinámica
Ciclo Rankine
Ejercicio Nº1 – Trabajo Práctico Nº
Un generador de vapor (economizador – recalentador – caldera) produce vapor a 450 ºC y 16 Kg/cm2, que usado en un ciclo Rankine produce 8000 CV, siendo el vapor de escape saturado y seco a 45 ºC.
a) Esquematizar la instalación y graficar en coordenadas T-S. b) Determinar cada uno de los estados por los que pasa el vapor (T, P, V, H, S). Calor absorbido en cada parte y en todo el generador. d) Trabajo producido por la
Simulación en Aspen HYSYS
Crear una simulación con los siguientes componentes: Benceno y Tolueno en una lista.
Paquete de propiedades: Peng Robinson para la mezcla a destilar, ASME Steam para el agua.
Crear una corriente de material con la siguiente información:
Nombre = Alimentación Composiciones: Benceno = 0.40, Tolueno = 0.60 (Fracciones másicas) Presión = 1 atm Fracción de vapor = 0
Flujo másico = 15000 kg/h
Antes de insertar la operación Distillation Column, se deben conocer ciertos parámetros de la misma. Para ello se utiliza la operación Short Cut Distillation que permite realizar un cálculo preliminar.
Conclusiones
El ejercicio requiere el diseño de una columna de destilación para separar una mezcla de benceno y tolueno. Se deben calcular diversos parámetros de diseño, como la producción de los productos, el número de platos, el diámetro de la columna, la cantidad de vapor de calefacción y el consumo de agua de refrigeración. La simulación en Aspen HYSYS permite obtener estos resultados de manera sistemática y detallada.
Descargado por Richard Inclan Mendez (ricardo_266@hotmail.es) lOMoARcPSD|
Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 48
DISEÑO DE UNA COLUMNA DE ABSORCIÓN DE GASES EJERCICIO Nº6 – UNIDAD Nº2 Se desea diseñar una columna de absorción para eliminar el dióxido de carbono (CO2) de un gas de combustión que contiene 15% de CO2, 5% de O2 y 80% de N2 en base seca. El gas de combustión ingresa a la columna a 40ºC y 1,2 atm. Se utilizará como solvente una solución acuosa de monoetanolamina (MEA) al 30% en peso, que ingresa a la columna a 25ºC y 1,2 atm. Se desea obtener un gas de salida con menos de 1% de CO2. Calcular: a) Caudal de gas de combustión y de solución de MEA. b) Número de etapas teóricas y situación del plato de alimentación. c) Diámetro de la columna y altura total de la misma. d) Caída de presión en la columna. e) Calor requerido en el rehervidor y calor disipado en el condensador.
Crear una simulación con lo siguiente: o Componentes: CO2, O2, N2, H2O, MEA. Agrupar en dos listas independientes: Gases y Líquidos. o Paquete de propiedades: Electrolyte NRTL para la solución acuosa de MEA. Peng
Robinson para la mezcla gaseosa. o Sistema de unidades: Fouling (Ensuciamiento) en m2C/W, Ht. Coeff en W/m2C, Heat Flux en W/m2.
Agregar la operación Absorber, haciendo click en el botón. Ingresar a las especificaciones de la operación y en la pestaña Design completar con lo siguiente: Nota: Asegurarse de haber especificado bien el paquete de propiedades para cada fluido. En Parameters, seleccionar donde dice Absorber Model, Equilibrium Stage. Lo que quiere decir que vamos a hacer un diseño de columna de platos. Pasar a la pestaña Worksheet, y especificar las condiciones de las corrientes de entrada. Finalmente pasar a la pestaña Rating. Allí tendremos que especificar todos los datos de diseño. En Sizing Data, verificar que esté tildado Overall. Completar como se muestra en las figuras.
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Diseño de una columna de absorción de gases
Ejercicio Nº6 - Unidad Nº
Se desea diseñar una columna de absorción para eliminar el dióxido de carbono (CO2) de un gas de combustión que contiene 15% de CO2, 5% de O2 y 80% de N2 en base seca. El gas de combustión ingresa a la columna a 40ºC y 1,2 atm. Se utilizará como solvente una solución acuosa de monoetanolamina (MEA) al 30% en peso, que ingresa a la columna a 25ºC y 1,2 atm. Se desea obtener un gas de salida con menos de 1% de CO2.
Cálculos:
a) Caudal de gas de combustión y de solución de MEA. b) Número de etapas teóricas y situación del plato de alimentación. c) Diámetro de la columna y altura total de la misma. d) Caída de presión en la columna. e) Calor requerido en el rehervidor y calor disipado en el condensador.
Simulación en Aspen HYSYS
Crear una simulación con los siguientes componentes: CO2, O2, N2, H2O, MEA. Agrupar en dos listas independientes: Gases y Líquidos. Paquete de propiedades: Electrolyte NRTL para la solución acuosa de MEA, Peng Robinson para la mezcla gaseosa.
Sistema de unidades: Fouling (Ensuciamiento) en m2C/W, Ht. Coeff en W/m2C, Heat Flux en W/m2.
Composición H2O = 1 Presión = 1 atm Temperatura = 20ºC
Std Ideal Liq Vol Flow = 250 m3/h
Utilizar una nueva operación llamada Pipe Segment.
Determinar el diámetro de la tubería utilizando una velocidad de circulación típica del agua, por ejemplo 1,5 m/s.
Agregar una válvula de retención tipo bisagra y una tubería de 8 m de largo antes de la bomba.
Especificar el material de la tubería como Acero dulce (Mild Steel).
Agregar una bomba y una segunda tubería de 90 m de longitud, 2 codos de 90º y una válvula esférica.
Especificar en la corriente de salida una temperatura de 20ºC y presión de 1 atm.
Estudio del NPSH
Para estudiar el NPSH, ir a la pestaña Performance de la Tubería 1 y hacer click en View Profile. Esto permitirá ver la presión previa al ingreso a la bomba y restar la presión de vapor, para determinar a qué altura de columna de agua equivale.
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Ejercicio Nº2 - Trabajo Práctico Nº
Solución con tanque cerrado a presión manométrica de 2
Kg/cm
Plantear la solución para el ejercicio anterior, pero considerando que el tanque donde se recepciona el fluido es cerrado y se encuentra a una presión manométrica de 2 Kg/cm2.
Comparar los resultados obtenidos con la resolución manual.
Procedimiento de simulación en Aspen HYSYS
El procedimiento sería similar al ejercicio anterior, pero con la diferencia de que la presión de la corriente de salida final sería de 2 Kg/cm (manométrica) en lugar de 1 atm.
Realizar la comparación de los resultados, especialmente en lo referido al NPSH, con la resolución manual del problema.
Tecnología del Calor
Verificación (Rating) de un intercambiador de calor
Ejercicio Nº4 - Trabajo Práctico Nº
Se tiene una corriente de metanol líquido con caudal de 50000 Kg/h que se debe enfriar desde 55 ºC hasta 32 ºC. Se dispone como fluido de enfriamiento agua de río a 12 ºC, que no puede calentarse por encima de 40 ºC.
El equipo especificado en la carpeta de Tecnología del Calor tiene las siguientes características:
Número de intercambiadores en serie: 2 Diámetro de carcasa: 23 1/4" (590.55 mm) Número de tubos por carcasa: 372 Número de pasos por carcasa: 1 Número de pasos por tubos: 6 Longitud de tubos: 4 m Diámetro exterior de tubos: 19.05 mm Diámetro interior de tubos: 14.80 mm Disposición de tubos: Δ Paso entre tubos: 15/16" (23.8 mm) Fluido en tubos: H2O Fluido en carcasa: Metanol Resistencia ensuciante en tubos: 4.10-4 m2K/W Resistencia ensuciante en carcasa: 1.10-4 m2K/W Separación entre bafles: 300 mm Segmentación de bafles: 25%
Realizar la verificación (Rating) de este intercambiador de calor utilizando Aspen HYSYS.
Procedimiento de simulación en Aspen HYSYS
Crear una simulación con: Componentes: Agua y Metanol en listas independientes. Paquete de propiedades: ASME Steam para el agua, modelo de coeficiente de actividad (NRTL, Wilson, etc.) para el metanol.
Sistema de unidades: Fouling en m2C/W, Ht. Coeff en W/m2C, Heat Flux en W/m2.
Agregar la operación Heat Exchanger.
En la pestaña Design, seleccionar Heat Exchanger Model = Steady State Rating.
La pantalla posterior es para especificar parámetros opcionales. Hacer clic en Done (Hecho).
Abrir nuevamente la pantalla de especificaciones. Ir a la pestaña Performance y verificar que la composición de SO2 sea cercana al valor de consigna. Puede probar cambiando el número de platos. Luego de cambiar este dato, recuerde "correr" la columna (Run).
Ahora veremos cómo se reemplazan los platos por lecho relleno. Ir a Tools/Utilities (o bien Ctrl+U). Agregar la utilidad Tray Sizing.
Seleccionar el Absorbedor en Select TS… Ir a Auto Section… Seleccionar lecho relleno (Packed) y luego el tipo de empaque Raschig Rings (ceramic) 1_inch (Glitsch). Finalmente Complete AutoSection.
En la pestaña Performance, tildar Packed en Section Results. Observar los resultados de diseño.
Comparar los resultados con los dados en el cuadernillo.
EJERCICIOS PROPUESTOS
EJERCICIO Nº4 – UNIDAD Nº
Una mezcla equimolecular de heptano – octano, entra como alimentación en un plato intermedio de una columna de rectificación que trabaja a presión atmosférica normal. Se desea obtener un producto destilado que contenga 98% de moles de heptano y un producto de cola que contenga 5% de moles de heptano. La alimentación entra en la columna a su temperatura de ebullición. El vapor procedente del plato 1 entra en el condensador de reflujo. La relación de reflujo es (L/D) = 3. Determinar el número de platos teóricos necesarios y la posición del plato de alimentación. Se tomará como base de cálculo un caudal de alimentación de 100 moles/h. Especificar además parámetros de diseño.
EJERCICIO Nº8 – UNIDAD Nº
El gas procedente de un reactor tiene 3.0% de óxido de etileno (OE) y 10% de CO2, siendo el resto nitrógeno. Se desea recuperar el 98% de OE por absorción en agua. El absorbedor operará a 20 atm utilizando agua con 0. moles% de OE a 30ºC y el gas entra a 30ºC saturado con agua. El flujo total de gas de alimentación es 10 kmol/h y se utilizan 1.4 moles de H2O por mol de gas seco.
Calcular: a) El diámetro de la columna. b) La altura de relleno, si se utilizan anillos Pall de 1 ½".
CINÉTICA QUÍMICA Y CATÁLISIS
En esta sección del curso nos abocaremos a la Ingeniería de las Reacciones Químicas. Primero simularemos reactores homogéneos tipo flujo pistón y
tanque agitado. Y posteriormente, nos encargaremos de las reacciones catalíticas en reactores de lecho estático. Los ejemplos han sido tomados del apunte de Cinética Química y de otras fuentes. Además, completaremos el uso de la herramienta para cargar reacciones químicas al ambiente de simulación, que comenzó con las reacciones de conversión en el apartado de Balances de Materia y Energía.
REACTOR TUBULAR DE FLUJO PISTÓN
EJEMPLO – UNIDAD Nº4 (Apunte de cátedra)
Una compañía desea producir difenilo por deshidrogenación pirolítica del benceno, según:
2 C6H6 ⇌ C12H10 + H
Para tal dispone de un reactor adiabático tubular, tipo multitubo, formado por 500 tubos de 1.5 cm de diámetro y 1 metro de longitud, además de instalaciones como para poder alimentar a dicho reactor con 6000 gmol/h de benceno vaporizado a 1 atm y 800ºC.
Se conoce que: - k0 = 9 x 10^8 m^3/gmol-s - (-ΔH) = 29.0455 - 2045.001/T - 4.977009 ln T + 6.1254 x 10^-4 T - (ΔS) = 1.2 x 10^-3 J/gmol-K
La caída de presión a lo largo del reactor puede considerarse despreciable. Se desea:
a) Conocer la conversión y la producción que se alcanzará. b) Representar el camino seguido por la velocidad de reacción en función de la longitud del reactor.
Crear un caso de simulación con lo siguiente: - Sistema de unidades: Flujo molar en gmol/h, presión en atm. - Componentes: Benceno (C6H6), Hidrógeno (H2) y Difenilo (C12H10) - Paquete de fluidos: El reactor trabajará a presión atmosférica y altas temperaturas (alrededor de 800ºC) y además la reacción será en fase gaseosa.
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Modelado del sistema con una ecuación de
estado
Peng Robinson o SRK
En el Simulation Basis Manager, ir a la pestaña Reactions. Para agregar una reacción, hacer click en el botón Add Rxn…
Aparecerá una ventana que indica el tipo de reacción que se desea agregar. Seleccionar Simple Rate y hacer click en Add Reaction.
conversión de benceno. Si se tilda Reaction Balance, puede verse la producción de bifenilo.
Para obtener la gráfica de velocidad de reacción vs. longitud de reactor ir a la pestaña Performance, tildar Rxn Rates y posteriormente cliquear Plot.
REACTOR TANQUE AGITADO
EJEMPLO Nº2 – UNIDAD Nº3 (Apunte de cátedra)
Se desea producir ácido acético mediante hidrólisis de anhídrido acético en un reactor tanque continuo operando a 50ºC (isotérmico). La alimentación consiste en 1000 kg/h de una solución acuosa de anhídrido al 35.8 % en masa. Calcular el volumen del reactor necesario si la conversión exigida es del 95%. Se conoce además que la cinética de la reacción es de primer orden respecto a la concentración de anhídrido y que los datos cinéticos son los siguientes:
ln (k) = 17.387 - 5745.2/T
Creación del caso de simulación
Sistema de unidades: SI Componentes: Ácido acético, anhídrido acético y agua. Paquete de fluidos: el sistema posee especies polares en solución acuosa, podría emplearse cualquier método de coeficiente de actividad, sin embargo algunos no presentan los coeficientes binarios para todas las especies, en este caso elegiremos van Laar.
En la pestaña Reactions, hacer click en Add Rxn… y luego en Kinetic. Cargar la estequiometria de la reacción. Completar las columnas Fwd Order y Rev Order, ya que la reacción es irreversible y de primer orden respecto al anhídrido.
Pasar a la pestaña Basis y completar los datos correspondientes.
Con los datos que se brindan en el enunciado completar los parámetros de la ecuación de Arrhenius.
Volviendo a la pestaña Reactions, ir al ítem Reaction Set. Anexar la reacción al paquete de propiedades, para ello hacer click en Add to FP. Y luego en Add Set to Fluid Package.
Ingreso al ambiente de simulación
Crear una corriente de material con las siguientes características: Nombre: Alimentación Temperatura: 50ºC Presión: 1 atm Flujo másico: 1000 kg/h Composiciones: Agua: 0.642 Anhídrido: 0.
Insertar un reactor tanque agitado haciendo click en el botón correspondiente de la paleta de objetos. Especificar la entrada y salida del reactor. También la corriente de energía.
En Parameters, tildar Single Phase (fase única) y especificar el porcentaje del tanque que ocupa el líquido: en este caso supondremos 100%. Pasar a la pestaña Reactions y seleccionar el set de reacciones que se especificó (Global Rxn Set). En la corriente Salida, indicar temperatura de 50ºC.
Cálculo del volumen del reactor
Para hallar el volumen necesario, tendremos que recurrir a la operación lógica Adjust. Colocar un ajustador donde la variable a ajustar sea el volumen del reactor y la variable objetivo sea la conversión, cuyo valor debe ser 95%.
Aumentar el número de iteraciones y dar click en Start. Para que comience a trabajar el ajustador, volver a la pantalla del reactor e indicar un volumen cualquiera en la pestaña Rating, por ejemplo 100 L. Rápidamente observará como ese valor se ajusta llegando al resultado esperado.
CONVERTIDOR AGUA-GAS
Este ejemplo nos llevará a través del proceso completo para especificar reacciones múltiples en un reactor de flujo pistón de lecho catalítico. Las reacciones que vamos a modelar son aquellas que se encuentran en las primeras etapas de la producción de algunos compuestos químicos como amoníaco y metanol, es decir, en el proceso de reformado con vapor.
(1) CH4 + H2O → 3H2 + CO (2) CO + H2O ⇌ CO2 + H
La primera reacción es la reacción de reformado con vapor en la cual el gas natural (modelado enteramente como metano) reacciona con vapor de agua para dar hidrógeno y monóxido de carbono. La segunda reacción es la reacción de sustitución agua-gas en la cual se produce más hidrógeno y el CO se convierte en CO2.
Creación del caso de simulación
Sistema de unidades: SI. Componentes: CO, CO2, H2O, H2, N2, CH4.
Los componentes son todos gases y, salvo el agua y el monóxido, no polares. Puede usarse con confianza alguna ecuación de estado. Esta vez utilizaremos una variante de Peng Robinson que tiene en cuenta desvíos generados por sustancias polares: PRSV.
Para cargar las reacciones químicas, en la pestaña Reactions, hacer click en Add Rxn… luego seleccionar Heterogeneous Catalytic y cliquear Add Reaction. Llenar la pestaña Stoichimetry de la misma manera que para otras reacciones.
Pasar a Basis y completar de acuerdo a la reacción.
