Chemcad Dimensionado

Diseño de un Reactor de Flujo de Pistón (PFR)

Definición del problema

El siguiente problema de diseño de reactor se ha tomado de Fogler [1], pág. 149, ejemplo 4-4:
Determine el volumen del reactor de flujo de pistón necesario para producir 300 10 6 kmol/año
de etileno obtenido mediante pirólisis de etano. Asuma una reacción irreversible que cumpla la
ley de velocidad de primer orden. Se deseaobtener un 80 % de conversión de etano, operando
el reactor isotérmicamente a 1100 K y a una presión de 6 atm.

Tabla 1: valores dados de deshidrogenación del etano

Parámetros

Valores

Constante de velocidad k con T = 1000 K

0,072 s-1

Constante de velocidad k con T = 1100 K

3,07 s-1

Temperatura de reacción T

1100 K

Presión de reacción P

6 atm

Conversión de etano XC2H6

0,80

Tasa de flujomolar de etileno FC2H4

300 106 lbmol/año

Planteamiento de solución
CHEMCAD permite evaluar un reactor de flujo de pistón (PFR por sus siglas en inglés en lo
sucesivo) o un reactor continuo de tanque agitado (CSTR) aplicando el modelo de reactor
cinético. Ambos reactores presentan dos modos de funcionamiento: rating y design. En el
primero, es posible calcular la conversión si el usuarioespecifica el volumen y, en el segundo, es
posible calcular el volumen requerido del reactor si se sabe la conversión deseada de un
componente clave.

focused on process simulation
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1

1

2

Figura 1: diagrama de flujo de un reactor cinético

La figura 1 muestra la configuración del diagrama de flujo en CHEMCAD.
El modelo PFR es un modelo riguroso capaz de simular reactores tubulares.Los supuestos
básicos de este modelo son que no se produce mezcla axial o transferencia de calor alguna
(flujo de pistón). La unidad de reactor cinético de CHEMCAD muestra cinco modos de
funcionamiento: "isothermal", "adiabatic", "specified heat duty", "specified temperature
profile" y "specified utility conditions". Las utilities pueden ser paralelas o contrarias a la
corriente (co-current frente acounter-current). La simulación de este tipo de reactor requiere
una definición general del reactor, de los datos de estequiometría y de los datos de media para
cada reacción. La simulación, además, permite definir hasta 20 reacciones simultáneas.
La reacción que tiene lugar en este reactor es la deshidrogenación de etano. Por consiguiente,
se obtienen etileno e hidrógeno, todos ellos en fasegaseosa (g):
C2H6 (g)

C2H4 (g) + H2 (g)

Basándonos en la información proporcionada por Fogler, esta es una reacción irreversible de
primer orden, lo que conduce a la ecuación cinética (1)
−𝑟𝐶2𝐻6 = 𝑘 ∙ 𝐶𝐶2𝐻6

(1),
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donde:
CC2H6: concentración de etano
-rC2H6: velocidad de reacción del etano
k: constante de velocidad
La constante de velocidad k dependede la temperatura. Su dependencia de la temperatura se
puede calcular con la ecuación de Arrhenius (consulte la ecuación 2).
𝐸𝑎

𝑘 = 𝐴 ∙ 𝑒 −𝑅∙𝑇

(2),

donde:
k: constante cinética
A: factor de frecuencia
Ea: energía de activación
R: constante de gases (1987 cal/Kmol = 8,314 J/Kmol)
T: temperatura absoluta
El factor de frecuencia y la energía de activación se pueden determinar gráficamente como semuestra en la figura 2.

Figura 2: determinación gráfica de los parámetros cinéticos

Los valores resultantes son A = 6,04 E16 1/s y Ea = 82 kcal/mol.
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Asumiendo un 80 % de conversión de etano, la corriente de alimentación requerida se puede
calcular con la siguiente ecuación:

FC2H6 =

300∙106 lb ethylene
year

∙

453,6 g ethylene
lb ethylene

∙

molethylene
28 g ethylene

∙

year

∙

day

∙

h

∙

mol ethane

365 day 24 h 3600 s 0,8 mol ethylene

= 192,64

mol ethane
s

Implementación del reactor cinético en CHEMCAD
La simulación se realiza con CHEMCAD Steady State. Antes de la simulación se deben
seleccionar los componentes y el modelo termodinámico. En "Thermophysical: Select
components", están seleccionados los componente etano (n.º...