Practica 1 [PDF]

Zitiervorschau

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS Ingeniería Química

“REACTORES HETEROGÉNEOS”

Práctica No. 1. Reactores de lecho fijo, construcción, operación y secuencia de cálculo para el diseño. NOMBRE DE LOS ALUMNOS:

GARCÍA VERGARA EDITH ALEJANDRA SEGURA GARCÍA ALEJANDRA

MATRICULAS: PERIODO ESCOLAR NOMBRE DEL DOCENTE

15081968/15081993 JUN – AGO 2019

GRUPO

M.C. Jorge González Toto

8°A

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

OBJETIVO Los alumnos conocerán la definición de un reactor de lecho fijo, así como sus características, ventajas, desventajas, y el modelo matemático para desarrollar estos tipos de reactores.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 2

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

MARCO TEÓRICO 1.

¿Qué es un reactor de lecho fijo?

Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador que se operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de forma: granulares, gránulos compactados, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho catalizador consiste en un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalizadoras se emplean en procesos comerciales para la oxidación del amoníaco y para la oxidación del acetaldehído o ácido acético. 2.

¿Cuáles son las características de un reactor de lecho fijo?

El régimen de flujo se ve afectado por la densidad del gas, la viscosidad del líquido y las velocidades superficiales de ambas fases. La caída de presión dependerá de la densidad del gas, viscosidad del líquido, de las velocidades superficiales y del flujo másico de ambas fases. La mojabilidad del catalizador depende de la presión, del flujo másico del líquido, la temperatura, entre otras. 3.

Menciona la diferencia de un reactor de lecho fijo y uno fluidizado:

Lecho fijo: es un reactor tubular que contiene una masa de partículas las cuales están inmovilizadas, y por tanto en íntimo contacto unas con otras a través de las que circulan los gases reaccionantes, las partículas permiten el paso tortuoso del fluido sin separarse unas de otras, esto hace que la altura del lecho se mantenga constante y por tanto la fracción de vacio en el lecho (porosidad) se mantiene constante. Lecho fluidizado: la característica distintiva de un reactor de lecho fluidizado es que el lecho de sólidos o partículas catalíticas está soportado por un flujo de gas y además las partículas están en suspensión, pero la velocidad del fluido no es suficiente para arrastrarlas. Este reactor facilita la carga y la extracción del catalizador, lo cual es una ventaja cuando el lecho de solidos debe ser eliminado y reemplazado con frecuencia; con un caudal de gas suficiente para fluidizar el lecho catalítico son empleados ampliamente dentro de los sectores de la industria química que producen gasolinas, polímeros y pigmentos.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 3

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Comparación básica entre los reactores de lecho fijo y fluidizado Lecho Fijo

Modelo de flujo-contacto

Lecho Fluidizado

Flujo fluido complejo Flujo del fluido próximo a flujo Si el fluido es un gas que se en pistón por lo que la forman burbujas grandes eficacia del contacto es (cortocircuito o bypass) por lo elevada que la eficacia contacto es baja

Control de temperatura

Formación zonas calientes, con desarrollo de ΔT radial y axial

Control fácil, ΔT=0

Pérdidas de presión/ Tamaños de partícula

La pérdida de presión es elevada al usar dp pequeños para reducir la influencia de la transferencia interna de materia (TIM)

Se pueden usar dp pequeños. La eficacia de partícula es elevada, y la pérdida de presión reducida.

Desactivación/ Regeneración

Para solucionar los problemas por desactivación, el reactor se sobredimensiona y el catalizador se cambia en las paradas.

Permite la extracción fácil del catalizador sin parar la unidad.

4.

¿Cuáles son las aplicaciones de un reactor de lecho fijo? 

Hidrocracking catalítico



Oxidación de ácido fórmico en agua



Oxidación de materia orgánica refractaria en aguas residuales catalizadores de pd o microorganismos fijados (biofiltros).

con

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de un reactor de lecho fijo?

5.

Ventajas: 

Altas conversiones de reacción.



Altas cargas de catalizador por unidad de volumen del líquido.

Desventajas: 

La baja selectividad del catalizador debido al largo tamaño de la partícula, la mala transmisión de calor debido a la pequeña mezcla radial.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 4

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS 6.

Menciona la clasificación de los catalizadores para un reactor de lecho fijo:

Catalizador gaseoso 

Óxido nitroso, que se usa en la oxidación del SO3 (óxido de azufre) para la obtención de H2SO4.

Catalizadores líquidos 

Ácido sulfúrico H2SO4



Ácido clorhídrico HCL



Ácido fosfórico H3PO4

Catalizadores sólidos 

Catalizadores metálicos



Ni (níquel), Pd (paladio), Pt (platino), Ag (plata), Fe (hierro)

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL DISEÑO 1. Elegir el dispositivo (TIPO DE REACTOR)

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 5

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

2. Proceder al diseño Encontrar la masa de catalizador mínima (wmin) Determinar la longitud (l) y diámetro de cada etapa (d) Cinética de la reacción, balances de materia y energía Características de las partículas y del lecho: composición química y propiedades físicas como tamaño, forma, densidad y porosidad Interacción fluido-partícula, perdida de presión (p) Reversibilidad de la reacción

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 6

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

DESARROLLO PROBLEMA 1. Se desea realizar la construcción de un reactor para la producción de anhídrido aftáltico con una capacidad de 6 millones de libras por año a partir de naftaleno. Esta reacción es muy exotérmica y rápida. La necesidad de evitar condiciones explosivas requiere que la alimentación de naftaleno sea menor al 1%. De hecho, cálculos preliminares de diseño indican que la concentración adecuada es de 0.75% mol de naftaleno en aire. En el diseño utilice la presión de entrada como 25 psia y evalúe las temperaturas de alimentación de 630, 640, 650 y 660 K. La temperatura en cualquier parte del reactor no puede exceder 673K. Utilizando un modelo unidimensional del reactor de lecho fijo realice el diseño del reactor isotérmico. El siguiente modelo será el de reactor adiabático. La estequiometria de la reacción puede considerarse como la siguiente:

Se ingresan las unidades estipuladas en el problema, presión en psia y temperatura en K.

Se seleccionan los componentes: Naphthalene, Oxygen, Phthalic Anhydride, Carbon Dioxide y Agua.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 7

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Seleccionamos la opción “continuar” y automáticamente CHEMCAD nos indicará los parámetros de presión y temperatura ideales para nuestra simulación.

Seleccionamos la opción “continuar” y automáticamente CHEMCAD nos indicará el paquete termodinámico que mejor se ajusta a nuestros componentes, en esta ocasión cambiamos el paquete UNIQUAC por PENG ROBINSON.

Seleccionamos la opción “ok” y procedemos a ingresar una línea de alimentación con nombre “entrada”, le ingresamos una temperatura de 670 K y una presión de 25 psia.

Se ingresa un reactor de Gibbs, que se encuentre en estado adiabático, seleccionamos “ok”.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 8

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Se ingresa una corriente de salida a la que nombraremos “producto”, seleccionamos “ok”.

Seleccionamos la opción “ok” y procedemos a ingresar las tablas. En la opción “format”, “add stream box”, “all streams” y finalmente insertamos las tablas de composición y propiedades.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 9

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Seleccionamos la opción “plot”. “stream properties” ingresamos el número de la línea que deseamos analizar y “ok”. Así nos abrirá la gráfica y la tabla de la línea seleccionada.

RESULTADO DEL APRENDIZAJE

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 10

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 11

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 12

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

HIDROCRAQUEO

El proceso de hidrocraqueo es uno de los múltiples procesos que tienen lugar en una unidad de refino de petróleo. Este proceso se encuentra situado generalmente tras el proceso de destilación atmosférica, en la que se lleva a cabo una primera separación del crudo. Dado que de los compuestos más pesados de dicha columna aún se pueden seguir obteniendo productos de alto valor, como gasolina o keroseno, es necesario incorporar unidades adicionales que los extraigan. Un ejemplo de estas unidades sería el proceso de craqueo catalítico, mediante el cual se obtiene la mayor parte de la producción de gasolina. Otro ejemplo de estas unidades es el proceso de hidrocraqueo, que es una variante del proceso de craqueo catalítico en el que incorpora además del catalizador, hidrógeno.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 13

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS PROBLEMA 2. SIMULACIÓN. Acetato de Sodio está siendo preparado mediante la siguiente reacción en un reactor Batch.

Hidróxido de Sodio y Acetato de Etilo son alimentados al reactor a una concentración de 0.1M como una carga inicial a 25 °C y 101325 Pa. La constante de velocidad es 0.104sec*ltr/mole. Simular el reactor Batch dinámico para 30 minutos y graficar el cambio en la concentración de NaOH como esta cambia con el tiempo. Abrimos un nuevo caso de estudio y seleccionamos las unidades que se muestran en la imagen.

Automáticamente CHEMCAD elegirá como paquete termodinámico la ecuación NRTL.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 14

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Ingresamos un Vessel reactor, agregamos dos entradas y dos salidas, nombradas como indica el diagrama de la izquierda.

Seleccionamos “ok” y CHEMCAD nos mandará una ventana como la que aparece en la imagen, la cual nos indica que aún no ingresamos los valores que se necesitan para poder llevar a cabo la simulación.

Seleccionamos “Initial Charge” e ingresamos 25°C en temperatura, 101325 Pa de presión, 0.1 mol de sodium hydroxide, 0.1 de ethyl acetate y 55.55 de wáter.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 15

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Seleccionamos “General Information” e ingresamos 1 reacción, liquid only, 1 isothermal con 25°C, include compression/expansión ellect y una presión de 101325 Pa.

Seleccionamos “General Information” y en la pestaña “Semi-Batch” agregamos 1 step size.

Seleccionamos “Rate Ecuation Unit” y seleccionamos “use mole basis for stoichiometry and rate eqn”, en “units” ingresamos 2 mol, “time unit” 2 seconds, “volumen unit” 2 liters y “activation E/H of Rxn unit” 3 Joules.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 16

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Seleccionamos “Kinetic Data” y en “frequency factor” ingresamos 0.104 y los coeficientes de la reacción que nos indica el problema.

Seleccionamos “Dynamic Run Time Schedule”, ingresamos el número de reacciones que tiene nuestro sistema, en este caso es 1, en la pestaña “step 1” ingresamos en “run time” 60 min y en “step size” 0.1 min.

Seleccionamos “Record Ops”, ingresamos ID 1.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 17

Unit

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

Ingresamos las tablas de composición y de propiedades.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 18

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

Generamos nuestro reporte en Word.

Como en esta ocasión nuestra simulación no corrió, generamos una gráfica en Excel para estudiar el comportamiento de nuestro reactor.

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 19

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS PROBLEMA 3. A partir de la siguiente tabla de datos, se tiene un lecho de silica gel, con la siguiente composición granulométrica. Dp (mm)

Xi

1.75 1.25 0.75 0.375

0.43 0.28 0.17 0.12

La densidad aparente del lecho es de 650 kg/m 3. Si se usa aire como agente fluidizante. a) Determine la velocidad mínima de fluidización b) Calcule la porosidad del lecho si se usa un número de fluidización de 2.0. Dp (mm) 1.75 1.25 0.75 0.375

Xi 0.43 0.28 0.17 0.12

Xi/Dpi 0.246 0.224 0.227 0.320

Xi/Dpi Total=

1.016

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 20

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

a) Velocidad mínima de fluidización ρ aparente= 650 kg/m3

ρ fluido= (ρ*PM aire)/(R*T)

ρ partículas= 1100 kg/m3

ρ fluido= (1atm*29 gr/mol)/(0.0821 atmLt*373.15 K)

μ aire 100°C = 0.02 cp=0.0002 kg/m*s

ρ fluido= 0.94 kg/m3

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 21

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Diámetro promedio Dp= 1/Σxi/Dpi=1/1.015 Dp=0.98 mm Dp= 0.00098 m

No. De Arquímides Ar=[Dp3(ρ partícula-ρ fluido)ρ fluido*g]/μ2 Ar=[0.00098m(11000.94)kg/m3(0.94kg/m3)(9.8m/s2)]/0.0002 kg2/m*s Ar=238.47

Cálculo de la porosidad del lecho ε0=1-(ρ aparente/ρ partículas) ε0= 650 kg/m3/1100 kg/m3 ε0= 0.41

Cálculo del No. De Reynolds NRe=Ar/[150(1- ε0)/ ε03]+[ √1.75/0.413*√238.47] NRe =0.15 NRe = Laminar

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 22

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS Cálculo de la velocidad mínima de fluidización NRe= (D*Vel*ρ)/μ  Vel=(NRe*μ)/D*ρ Vel = [(0.15)(0.0002 kg/m*s)]/[(0.00098 m)(0.94 kg/m3)] Vel = 0.032 m/s

b) Cálculo de la porosidad del lecho Kw=Vo/Vel Vo = Kw * Vel = (2)(0.032 m/s) Vo= 0.064 m/s

Cálculo del número de Reynolds NRe= [(0.00098 m)(0.064 m/s)(0.94 kg/m3)]/0.0002 kg*m/s NRe = 0.2947

Porosidad ε = [(1.8 Reo + 0.36 Re2)/Ar]*0.21 ε = 4.603 x10-3

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 23

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

RESULTADO DEL APRENDIZAJE Problema 4 La deshidrodesmetilación del tolueno se va a efectuar en un reactor de lecho empacado, el flujo molar de alimentación del tolueno del rector es de 50 mol/min, el reactor opera a 40 atm y a 640°C. La alimentación consta de 30% de tolueno, 45% de hidrógeno y 25% de inertes. Se emplea hidrógeno en exceso para evitar la coquificación. El parámetro de caída de presión ( ) es 9.8x10-5 kg-1. La constante de velocidad de reacción es 8.7 x10-4 min-1. a) Determine el peso del catalizador para un CSTR con densidad volumétrica de 400 kg/m 3. b) Determine el volumen del reactor continuo de lecho fluidizado si se desea una conversión del 65%.

C6H5CH3 + H2  C6H6 + CH4

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 24

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 25

ING.QUIMICA PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS

CONCLUSIÓN Por medio de la presente práctica, conocimos un poco sobre cómo se lleva a cabo una reacción dentro de un reactor Gibbs, y principalmente profundizamos un poco más sobre el uso del programa de simulación CHEMCAD. También simulamos una reacción con un Vessel reactor, y aprendimos como ingresar una reacción un poco más compleja dentro de nuestro simulador CHEMCAD.

BIBLIOGRAFIA 1. Tiscareño: Reactores químicos con multireacción. Editorial Reverte 2. Levenspiel: Ingeniería de las reacciones químicas. Editorial Reverte 3. Scott Floger: Chemical Reactor Engineering

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS

pág. 26