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Integración IVMódulos de DWSIM (III)
Equipos con reacción química en DWSIM
2019
Profesor: Dr. Nicolás J. ScennaJTP: Dr. Néstor H. RodríguezAux. 1ra: Dr. Juan I. Manassaldi
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Reactor de Conversión
A B C D
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Reactor de conversión
, , 0E E i i S S im x R m x i
, 1S i
i
x
, 1E i
i
x
, , ,E E A S S AA E E Am x m x m x
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Reactor de conversión
ji
i j
RRi j
CA B D
A B C D
RR R R
a b c dA B C D
A B C D
A B C DR R R R
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Reactor de conversión
, , 0E E i i S S im x R m x i
, 1S i
i
x
, 1E i
i
x
, , ,E E A S S AA E E Am x m x m x
A B
A C
A D
R R
R R
R R
, ,E E i i S S i Am x R m x
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Reactor de conversión
, , 0E E i i S S im x R m x i
, 1S i
i
x
, , ,E E A S S AA E E Am x m x m x
A B
A C
A D
R R
R R
R R
,i S S i AR m x
10 variables
9 ecuaciones
1 Grado de libertad
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Modelos de reactores presentes en DWSIM
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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.
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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).
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Administrador de Reacciones químicas (Chemical Reactions Manager).
Conversión
Equilibrio
Cinética
Catalíticas heterogéneas
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Reacciones de Conversión
Compuestos incluidos en la reacción
Nombre y descripción
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Reacciones de Conversión
Componente base de la reacción
Coeficientes estequiométricos
Verifica la estequiometria
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Reacciones de Conversión
Calor de reacciónReacción
Fase de la reacción
% de conversión en función de la temperatura
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Ejemplos de Reacciones de Conversión
2 2 33 2H N NH Conversión del 40% del Nitrógeno
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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.
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Reacciones de Equilibrio
Funcionalidad de la constante de equilibrio
Forma de calculo de la Keq
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Ejemplos de Reacciones de Equilibrio
2 2 33 2H N NH
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Ejemplos de Reacciones de Equilibrio
n-Butano -Butanoi
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Reacciones de Cinética
Orden de reacción (directo e inverso)
Parámetros de Arhenius
'
k
kA B
E
RTk Ae
'
' 'E
RTk A e
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Ejemplos de Reacciones de Cinética
MeAc BuOH MeOH BuAc
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Ejemplos de Reacciones de Cinética
6 5 2 5 6 5 2 2 2C H C H C H C H CH H
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Ley funcional de la velocidad de reacciónLas variable son:TR1, R2, …, RnP1, P2, …, Pn
Reacciones Heterogéneas Catalíticas
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Reacciones Heterogéneas Catalíticas
3 2 3 32CH OH H O CH OCH
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Reacciones Heterogéneas Catalíticas
2 2 2H O CO H CO
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Reacciones Heterogéneas Catalíticas
4 2 23CH H O H CO
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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
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Reacción de combustión del metano
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Corriente de combustible
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Corriente de aire
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Mezcla para ingresar al reactor
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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
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Reactor de conversión
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Compressor
air
Combustor
fuel
expander
exhaust
Ejemplo: Simulación de una turbina de Gas
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Ejemplo: Simulación de una turbina de Gas
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Ejemplo: Simulación de una turbina de Gas
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Ejemplo: Reactor de equilibrio
2 2 33 2H N NH Alimentación estequiométrica
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Reacción de equilibrio
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Reactor de equilibrio 450 ºC 100 atm
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Reactor de Gibbs
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Reactor de Gibbs
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Reactor de Gibbs
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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
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Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
1
2
k
l l lEtO H O MEG
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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
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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
¿?
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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
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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
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Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
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Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
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Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
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Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
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Ejemplo: Reactor CSTR y PFR
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Análisis Paramétrico
Se analizara de manera automática la variación de la composición de salida con el tamaño del reactor
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Análisis Paramétrico
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Análisis Paramétrico
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Análisis Paramétrico
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Análisis Paramétrico
Copiamos los datos y los pegamos en Excel
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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
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Análisis Paramétrico
Se analizara la variación de la conversión del EtO con el tamaño del reactor
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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
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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
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Análisis Paramétrico
in out
in
EtO EtO
EtO
EtO
F Fx
F
Moles consumidos de EtO
Moles alimentados de EtO
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Análisis Paramétrico
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Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
2 2 33 2H N NH
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Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
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Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
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Estudio paramétrico del reactor de equilibrio
2 2 33 2H N NH
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