TUTORIAL: REACTOR CSTR

TUTORIAL: REACTOR CSTR

Un reactor de tipo CSTR se describe como un tanque con agitación continua, en donde se asume que las propiedades de la mezcla son uniformes en todo el interior del mismo. Las reacciones que se asocian a este tipo de reactor son las que comúnmente ocurren en fase líquida, de hecho para el establecimiento de la simulación se requiere indicar el volumen y el porcentaje de líquido ocupado de ese volumen. En caso de asociar reacciones que ocurren en fase gaseosa, se debe tener en cuenta el porcentaje de volumen ocupado de líquido, ya que el resto del porcentaje será donde ocurrirá la reacción.

Como ejemplo, se tiene un reactor tipo CSTR de volumen de 2 m3 que opera a una temperatura de 65 ºC y una caída de presión de 1.5 psi. En el reactor ingresan dos corrientes que se encuentran a 25 °C y 17.4 psia, siendo éstas: 230 lbmol/h de óxido de etileno (C2H4O) y 330 lbmol/h agua.

La reacción cinética en fase líquida entre el óxido de etileno y el agua produce el etilenglicol:

                     C2H4O  +  H2O                          C2H6O2[pic 1]

La reacción es de primer orden con respecto a la concentración del óxido de etileno y los datos cinéticos en la constante específica de velocidad de reacción dada por la ecuación de Arrhenius, son:

A (Kgmol/m3 s) = 5*106                      E (Kj/Kgmol) = 5*104     

        En la base de simulación se incorporan los componentes (sea por su nombre o a través de la opción FORMULA, utilizada en este caso). El modelo termodinámico en este caso debe ser un modelo de actividad pertinente a los sistemas líquidos, en este caso se seleccionó NRTL.

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        Par los modelos de actividad se deben verificar los coeficientes de interacción binarios en BINARY COEFFS, seleccionando la opción UNIFAC VLE y presionando en UNKNOWS ONLY el simulador estima los coeficientes faltantes que no dispone en su data, en este caso los del etilenglicol. Si se dispone de los valores de los coeficientes se puede realizar los cambios pertinentes a los suministrados por el simulador.

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Para definir la reacción se selecciona la de tipo KINETIC, se seleccionan los componentes y se ingresan los coeficientes estequiométricos. Automáticamente el simulador asigna el orden de la reacción directa e inversa, basado en la estequiométria de la reacción, en este caso la reacción es de primer orden para el óxido de etileno. En este caso se colocará el valor de cero en REV ORDER para el etilenglicol indicando que es irreversible.

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Es de señalar que en ciertos casos dependiendo de la información que se tiene con respecto al tipo de reacción y la data cinética disponible, si la reacción es irreversible se recomienda color el valor de cero en REV ORDER, aunque al no indicar los datos cinéticos en PARAMETERS para la reacción inversa (REVERSE REACTION) el simulador no lo considera. También hay reacciones en donde uno de los componentes se encuentre en exceso y se puede asignar el valor de cero en la casilla correspondiente de la columna FWD ORDER.

        En BASIS se deja la opción que por defecto identifica el simulador, siendo la concentración molar (MOLAR CONCN) del óxido de etileno (C2Oxide). En RXN PHASE  se selecciona COMBINEDLIQUID. Se deben verificar y seleccionar las unidades apropiadas con respecto a la data disponible, en este caso aplica el sistema internacional SI. Luego en PARAMETERS se especifican los valores de A y E de la ecuación de Arrhenius, en el recuadro de la reacción directa (FORWARD REACTION). En este caso, se asume que no existe reacción inversa por consiguiente no se asigna ningún valor en el recuadro REVERSE REACTION.

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Una vez establecida la reacción el simulador indica READY con un recuadro verde en la parte inferior, quedando integrada a GLOBAL REACTION SET. Por último se asocia al paquete de fluidos accionando sobre ADD TO FP y luego en ADD SET TO FLUID PACKAGE.

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        En el entorno de simulación se selecciona el módulo CSTR, al hacer doble click sobre el reactor, en el primer cuadro de diálogo DESIGN – CONNECTIONS, se identifica el equipo y las corrientes (masa y energía) a la entrada y salida del reactor. En este caso el equipo se identifico como REACTOR CSTR en NAME, las corrientes de entrada como Óxido de etileno y Agua, las de salida como salida Vapor y etilenglicol (a la corriente líquida) y Energía, a la corriente de energía requerida en el reactor CSTR (puede ser opcional, de no indicar la corriente de energía la operación se considera adiabática.

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