Progettazione di un reattore con flusso a pistone (PFR)

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1 Progettazione di un reattore con flusso a pistone (PFR) Definizione del problema Il seguente problema di configurazione del reattore è stato preso da Fogler [1] pagina 149, esempio 4-4: Determinare il volume necessario del reattore con flusso a pistone per la produzione di lbmol/anno di etilene mediante pirolisi dell etano. Si presuppone una reazione irreversibile che segue un equazione elementare della velocità del primo ordine. Si desidera raggiungere una conversione dell 80% dell etano, con un funzionamento isotermico del reattore a 1100 K e a una pressione di 6 atm. Tabella 1: valori noti della deidrogenazione dell etano Parametri Valori Costante di velocità k a T=1000 K 0,072 s -1 Costante di velocità k a T =1100 K 3,07 s -1 Temperatura di reazione T 1100 K Pressione di reazione T 6 atm Conversione dell etano X C2H6 0,80 Velocità del flusso molare dell etilene F C2H lbmol/anno Principio di soluzione CHEMCAD vi consente, col modello di reattore cinetico, di valutare un reattore con flusso a pistone (PFR) o un reattore continuo a serbatoio agitato (CSTR). Entrambi i reattori hanno due modalità operative: modalità di velocità o di configurazione. Nella prima è possibile calcolare la conversione se l utente specifica il volume e la seconda vi consente di calcolare il volume necessario del reattore conoscendo la conversione desiderata di un componente chiave. Pagina 1 di 11

2 1 1 2 Figura 1: diagramma di flusso reattore cinetico La figura 1 mostra la configurazione del diagramma di flusso in CHEMCAD. Il modello PFR è un modello rigoroso che può simulare i reattori tubolari. Le presupposizioni di base di questo modello sono l'assenza di miscelazione assiale o di trasferimento termico (flusso a pistone). L unità del reattore cinetico CHEMCAD ha cinque modalità di funzionamento. Isotermica, adiabatica, specifica per alti carichi, profilo specifico di temperatura e condizioni specifiche di utility. Le sue utility possono essere in corrente o in controcorrente. La simulazione di questo tipo di reattore necessita una definizione generale del reattore, la stechiometria e i dati della velocità per ogni reazione. È possibile definire fino a 20 reazioni simultanee. La reazione che avviene in questo reattore è la deidrogenazione dell etano. Come conseguenza si ottiene l etilene e l idrogeno, entrambi in una fase gassosa (g): C2H6 (g) C2H4 (g) + H2 (g) In base alle informazioni fornite da Fogler, questa è una reazione di primo ordine irreversibile che porta all equazione della velocità (1) r C2H6 = k C C2H6 (1) Pagina 2 di 11

3 Laddove: CC2H6: concentrazione dell etano -rc2h6: velocità di reazione dell etano k: costante della velocità La costante della velocità k dipende dalla temperatura. La sua dipendenza dalla temperatura può essere calcolata con l approccio di Arrhenius, vedere l equazione (2). k = A e Ea R T (2) Laddove: k: costante cinetica A: fattore di frequenza Ea: Energia di attivazione R: costante del gas (1,987 cal/molk = 8,314 J/molK) T: Temperatura assoluta Il fattore di frequenza e l energia di attivazione possono essere determinati graficamente come mostrato nella figura 2. Figura 2: determinazione grafica del parametro cinetico I valori risultanti sono A = 6.04 E16 1/s ed Ea = 82 kcal/mol. Pagina 3 di 11

4 Presupponendo l 80% di conversione dell etano, il feed stream richiesto può essere calcolato con la seguente equazione: F C2H6 = lb ethylene year 453,6 g ethylene lb ethylene mol ethylene year day h mol ethane 28 g ethylene 365 day 24 h 3600 s 0,8 mol ethylene = 192,64 mol ethane s Implementazione del reattore cinetico in CHEMCAD La simulazione viene effettuata con lo stato stazionario CHEMCAD [CHEMCAD Steady State]. Prima della simulazione, bisogna selezionare i componenti e il modello termodinamico. In Thermophysical: Select components (Termofisica Selezionare i componenti), sono selezionati i componenti etano (CAS n.: ), etilene (CAS n.: ) e idrogeno (CAS n.: ). La Procedura guidata termodinamica successiva suggerisce un modello idoneo dopo aver specificato la pressione e la temperatura. Per l esempio dato, CHEMCAD suggerisce il modello del valore k e il modello di entalpia, SRK. Inoltre alla voce Format: Engineering Units (Formati - unità tecniche di misura) vengono selezionate le unità di misura metriche e le unità di pressione sono passate a atm, le unità di tempo in secondi, le unità di temperatura in Kelvin e le unità massa/mola in mol. Il UnitOp (funzionamento dell unità) per il reattore cinetico viene inserito nel diagramma del feed e viene assegnato un feed stream e un product stream (flusso del prodotto). Il feed stream viene impostato con i dati indicati alla tabella 2 (vedere figura 3). Tabella 2: dati rilevanti per la simulazione dell esempio Unità Componenti Termodinamica Feed stream Funzionamenti dell unità Metrica (modificata) Etano Etilene Idrogeno K: SRK, H: SRK T = 1100 K p = 6 atm F C2H6 = 192,64 mol/s 1 reattore cinetico (KREA) 1 feed 1 prodotto Pagina 4 di 11

5 Figura 3: definizione di feed Figura 4: parametri di configurazione del reattore cinetico Il reattore cinetico viene inizializzato nella fase successiva. Nella finestra delle impostazioni (figura 4) è possibile selezionare due opzioni diverse di configurazione in Modalità reattore. Per questo caso selezioneremo PFR (reattore con flusso a pistone). Per inizializzare il PFR è necessario immettere i seguenti dati: numero di reazioni, modalità termica, modalità di calcolo, pressione del reattore, calo di pressione e di temperatura, fase di reazione ed espressione della velocità cinetica. In questo esempio abbiamo solo una reazione e il reattore funziona a 1100 K; quindi viene selezionata la modalità isotermica. Poiché entrambi i flussi sono gas, viene selezionata l opzione vapor only (solo vapore). Adesso bisogna definire la modalità di calcolo e l espressione della velocità cinetica. Il parametro di configurazione è la conversione del componente chiave, in modo da selezionare rispettivamente le opzioni Specify conversion, Calculate volume (specifica conversione, calcola volume e Standard-all reactions (reazioni tutte standard) (vedere figura 4). Pagina 5 di 11

6 Nella seconda scheda della schermata KREA (More specifications) - ossia più specifiche, bisogna impostare le unità tecniche di misura della legge della velocità in conformità alle unità A ed Ea, come definito in precedenza, vedere figura 5. Figura 5: finestra delle impostazioni "More specifications" (più specifiche) Dopo aver cliccato il pulsante Ok apparirà una nuova finestra e sarà possibile inserire i parametri della legge della velocità, i coefficienti stechiometrici e il fattore esponenziale, come mostrato nella figura 6. Pagina 6 di 11

7 Figura 6: finestra delle impostazioni dei dati cinetici "Kinetic data" Adesso la simulazione è pronta per essere azionata. Valutazione dei risultati della simulazione Per ottenere una semplice panoramica del processo, le proprietà del reattore calcolate e le caratteristiche del flusso possono essere mostrate nel diagramma del flusso usando Format - Add stream box / Format-Add UnitOp box, (formato aggiungere box flusso / formato aggiungere box UnitOp ), vedere figura 7. Pagina 7 di 11

8 Figura 7: risultati dopo la simulazione del PFR. Possiamo vedere un raggiungimento della conversione dell etano e della velocità molare in uscita dell etilene richiesta. È necessario un volume PFR di 2,28 m 3 per la deidrogenazione di 192,64 mol/s di etano. Questo volume calcolato per il reattore è conforme ai risultati indicati da Fogler. Per un'ulteriore analisi è possibile presentare profili diversi del reattore. Essi possono essere selezionati alla voce Plot-UnitOp Plots / Plug flow reactor profile (grafici Plot-UnitOp / profilo reattore con flusso a pistone), vedere figura 8. Pagina 8 di 11

9 Figura 8: profilo del reattore con flusso a pistone Velocità di flusso del componente in Std. Vol. Approcci per l ottimizzazione dei reattori con flusso a pistone I parametri del reattore possono essere analizzati e ottimizzati facilmente con CHEMCAD. Ciò può essere effettuato con uno studio di sensibilità, che può essere configurato alla voce Run- Sensitivity study / New Analysis (Avvia studio di sensibilità / Nuova analisi). La figura 9 mostra l influenza della pressione di reazione sul volume del reattore desiderato alle condizioni date, mentre la figura 10 mostra l impatto della temperatura variabile del reattore. Pagina 9 di 11

10 Figure 9: volume del reattore necessario con variazione di pressione. Figure 10: volume del reattore necessario con variazione di temperatura. Pagina 10 di 11

11 La simulazione precedente è stata generata in CHEMCAD Siete interessati a ulteriori tutorial, seminari o altre soluzioni con CHEMCAD? Vi preghiamo di visitare il nostro sito web. oppure di contattarci. Mail: support@chemstations.eu Telefono: +49 (0) Autore: Andrea Bernárdez Fonti: [1] Fogler, H.S.: Elements of Chemical Recation Engineering. Third edition. Prentice Hall, Pagina 11 di 11