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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“SIMULACIÓN DE UN REACTOR CSTR EN CHEMCAD V. 6.1.3 Y OBTENCIÓN DE GRÁFICAS DE PERFIL COMPORTAMIENTO CINETICO Y ENERGETICO EN MATLAB V.2018 a”

PRESENTADO POR:

- Soncco Choquecondori, Mayra -Ampuero Velásquez, Karol

AREQUIPA – PERÚ 2018

pág. 1

ESCUELA PROFESIONAL DE ING. QUÍMICA

SIMULACIÓN DE UN REACTOR CSTR EN CHEMCAD V. 6.1.3 Y OBTENCIÓN DE GRÁFICAS DE PERFIL COMPORTAMIENTO CINETICO Y ENERGETICO EN MATLAB V.2018 a 1. RESPONSABLES DEL PROYECTO: - Soncco Choquecondori, Mayra -Ampuero Velásquez, Karol

NTRODUCCIÓN El amoníaco es un compuesto químico cuya fórmula es NH3. Se produce naturalmente en el suelo por bacterias, plantas y animales en descomposición y por desechos animales, es esencial para muchos procesos biológicos. La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. Su fabricación es un proceso muy limpio, no existe vertimiento de líquidos, consume mucha energía, por lo que es necesaria una máxima recuperación y el eficiente empleo del calor liberado. Las modificaciones más importantes entre tecnologías están relacionadas con la fuente del gas de síntesis, la diferencia en los procesos de preparación del gas de síntesis y las condiciones de obtención del amoníaco.

3. FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN 3.1 Definición del Problema: Se necesita predecir el comportamiento cinético y energético de la reacción de formación de amoniaco mediante el proceso de Haber – Bosch. 3.2 Objetivos 3.2.1 Objetivo General  Realizar la simulación de un reactor continuo del tipo CSTR mediante el software CHEMCAD V 6.1.3 y MATLAB 2018 a.

3.2.2 Objetivos Específicos  Obtener datos del comportamiento cinético y energético de la reacción en el reactor tipo CSTR.  Obtener datos del balance de materia de la reacción en cuestión.

3.3 Hipótesis  Mediante la utilización de softwares de simulación se puede predecir con gran exactitud el comportamiento de un reacción en el reactor continuo CSTR.

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3.4 Justificación: La simulación de procesos unitarios en software permite abaratar costos de investigación y desarrollo. Asi mismo la velocidad de calculo permite ajustar las variables de manera flexible y lograr mayor recolección de información del proceso.

4. MARCO TEORICO 4.1.- Síntesis de amoniaco mediante el proceso Haber-Bosh: (1) El proceso de Haber-Bosch obtiene el amoniaco de la combinación directa del nitrógeno del aire con el hidrógeno. Haber y sus colaboradores encontraron que, empleando con presión elevada, de unas 200 atmósferas, una temperatura comprendida entre 500 y 700º y haciendo pasar la mezcla de los gases sobre un catalizador, como osmio o uranio, se efectúa la combinación de nitrógeno con el hidrógeno, formando 3 a 12 por 100 de amoniaco de los gases reaccionantes. Estas condiciones y rendimientos varían según el texto que se consulte, sobre todo en lo referente a los catalizadores empleados en la reacción y en las temperaturas de trabajo. Hay que tener en cuenta que las condiciones antes mencionadas corresponden a un texto de 1924, cercano al descubrimiento del proceso (y coinciden, como veremos más abajo, con las que establecen los textos de historia de la ciencia consultados). En los textos de Química General e Inorgánica consultados se hace referencia a un proceso de Haber-Bosch que, evolucionando a lo largo del siglo XX, ha llegado a unas condiciones y catalizadores óptimos. Así, por ejemplo, en el libro de J. A. Babor y J. Ibarz podemos leer sobre el “proceso Haber”: El amoniaco se prepara por unión directa de los elementos, según el proceso Haber: N2 + 3 H2 ⇄ 2 NH3 + 2208 Kcal Esta reacción es reversible. De la ecuación termoquímica se deduce que el rendimiento en amoniaco disminuye al aumentar la temperatura (ley de van’t Hoff), pero a bajas temperaturas la reacción es demasiado lenta para poder utilizarse prácticamente. En presencia de un catalizador, por ejemplo, una mezcla especial preparada con hierro, molibdeno y algo de Al2O3, la combinación se acelera muchísimo. Pero incluso con ayuda de un catalizador no podría aprovecharse industrialmente la reacción si no interviniera otro factor: la presión. En la ecuación química anterior se observa que la formación de amoniaco va acompañada de una disminución de volumen, esto es, que cuatro volúmenes de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se convierten en dos volúmenes de amoniaco. Por consiguiente, la reacción directa se favorece aumentando la presión (principio de Le Chatelier). Con el empleo de catalizadores, y regulando la temperatura y presión, es posible obtener rendimientos satisfactorios para la producción a gran escala. Así, se consigue un rendimiento del 15 % empleando una presión de 200 atm a 450-500 ºC. El hidrógeno y el nitrógeno que se usan en el proceso Haber deben ser muy puros, para evitar el envenenamiento del catalizador. Después de pasar por éste, los gases se enfrían, y el amoníaco se separa licuándolo a presión o por absorción en agua. Los gases residuales vuelven a la cámara catalítica para su ulterior tratamiento.

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El más claro ejemplo en el país es INDUSTRIAS CACHIMAYOS S.A.C. que se encarga de producir NITRATO DE AMONIO. Es una sal formada por iones de nitrato y de amonio. Los productos fabricados aquí se usan en agricultura, explosivos, pinturas entre otros. 4.2.-

REACTOR

CSTR:

El reactor continuo agitado ideal (CSTR, ) o reactor de mezcla completa supone un flujo de alimentación y salida uniformes y una agitación perfecta, esto es, en todos los puntos del reactor la composición y propiedades físicas del fluido son iguales. Por esta misma razón la corriente de salida tiene la misma composición y propiedades que el fluido que se encuentra en el interior del reactor. La operación del CSTR se realiza en condiciones de estado estacionario, esto es, no hay acumulación dentro del reactor. En esas condiciones desaparece el término de dependencia con la variable tiempo. Lógicamente, en el arranque del reactor o cuando suceden perturbaciones que modifican las condiciones de trabajo, es necesario tener en cuenta ese término y entonces se habla de estado transitorio. Como todos los puntos del reactor tienen igual composición y propiedades el volumen de control para realizar el balance de masa es todo el reactor.

FIG. 1: Reactor CSTR con chaqueta de enfriamiento Ecuaciones de Balance de Materia: 𝑘

𝐴→𝐵 d𝐶𝐴 dt d𝐶𝐵 dt

𝐹

= (𝐶𝐴𝑜 − 𝐶𝐴 ) − 𝑘. 𝐶𝐴 (1) 𝑉

𝐹

= (𝐶𝐵𝑜 − 𝐶𝐵 ) + 𝑘. 𝐶𝐴 𝑉

Donde: A: Especie A B: Especie B F: Flujo de alimentación V: Volumen de reactor CA CB: Concentración de especie A y B

(2)

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K: constate cinetica Ecuaciones de Balance de Energía: 𝑑𝑇 𝑑𝑡 dX dt

𝐹

= 𝑉 (𝑇𝑒 − 𝑇) + = 𝑘. (1 − 𝑋) −

𝑈.𝐴𝑡 (𝑇𝑗0 −𝑇) 𝑐𝑝.𝜌.𝑉 𝐹𝑋 𝑉

+

𝑘.𝐶𝐴 .(−∆𝐻𝑅 ) 𝑐𝑝.𝜌

(3)

(4)

Donde: T: temperatura del fluido o gas Te: Temperatura de entrada U: coeficiente de transferencia de calor -∆HR: Entalpia de reacción Cp: capacidad calorífica X: conversión A: Area de transferencia Ρ: densidad del medio

4.3.- CHEMCAD V. 6.1.3: (2) CHEMCAD es una herramienta de simulación de procesos muy amigable y rigurosa que junto a sus diferentes módulos integrados logran resolver el 95% de los problemas en la ingeniería química en tiempo récord y con resultados confiables. Importantes corporaciones a escala global han hecho de CHEMCAD su estándar gracias a su Alta Sofisticación Tecnológica y Excelente servicio de Soporte Técnico. La preparación, ejecución y presentación de los resultados de la simulación de un proceso con Chemcad implica los diez pasos o etapas siguientes: 1. Inicio de un nuevo trabajo 2. Selección de las unidades a utilizar 3. Creación del diagrama de flujo 4. Selección de los componentes del sistema 5. Selección de las opciones termodinámicas 6. Introducción de los datos de las corrientes de alimentación y de las corrientes de corte 7. Introducción de las especificaciones para las unidades del diagrama de flujo 8. Ejecución de la simulación

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9. Revisión de los resultados 10. Preparación de informes 4.4.- MATLAB 2018 a: (3) MATLAB es un lenguaje de alto desempeño diseñado para realizar cálculos técnicos. MATLAB integra el cálculo, la visualización y la programación en un ambiente fácil de utilizar donde los problemas y las soluciones se expresan en una notación matemática. MATLAB es un sistema interactivo cuyo elemento básico de datos es el arreglo que no requiere de dimensionamiento previo. Esto permite resolver muchos problemas computacionales, específicamente aquellos que involucren vectores y matrices, en un tiempo mucho menor al requerido para escribir un programa en un lenguaje escalar no interactivo tal como C o Fortran. MATLAB se utiliza ampliamente en: • Cálculos numéricos • Desarrollo de algoritmos • Modelado, simulación y prueba de prototipos • Análisis de datos, exploración y visualización • Graficación de datos con fines científicos o de ingeniería • Desarrollo de aplicaciones que requieran de una interfaz gráfica de usuario (GUI, Graphical User Interface). En el ámbito académico y de investigación, es la herramienta estándar para los cursos introductorios y avanzados de matemáticas, ingeniería e investigación. En la industria MATLAB es la herramienta usada para el análisis, investigación y desarrollo de nuevos productos tecnológicos. La ventaja principal de MATLAB es el uso de familias de comandos de áreas específicas llamadas toolboxes. Lo más importante para los usuarios de MATLAB es que los toolboxes le permiten aprender y aplicar la teoría. Los toolboxes son grupos de comandos de MATLAB (archivos M) que extienden el ambiente de MATLAB para resolver problemas de áreas específicas de la ciencia e ingeniería. Por ejemplo, existen toolboxes para las áreas de Procesamiento Digital de Señales, Sistemas de Control, Redes Neuronales, Lógica Difusa, Wavelets, etc.

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5. METODOLOGÍA 5.1 Variables:    -

V. Independientes: Conversión Volumen -V. Dependientes: Temperatura Tiempo de reacción Concentración Parámetros: Entalpia de reacción Área de transferencia de calor Coeficiente de transferencia de calor Densidad Calor especifico

5.2 Procedimiento I) Simulación en CHEMCAD: Se realiza la simulación de un reactor continua CSTR con los siguientes valores que se utilizarán en la ecuación (1), (2) y (3):

Variable

Símbolo

Valor

Flujo de alimentación

F

2000 L/min

Volumen de reactor

V

30000 L

Entalpia de reacción

-Hrección

7.103 kcal/mol

Constare cinetica

K

0,8 min-1

Coeficiente de transferencia de calor

U

20 kcal /(C min m2)

Área de transferencia de calor

At

Temperatura de entrada de chaqueta

Tj0

Capacidad calorífica

cp

300 kcal / kgC

Densidad



1,2 kg / L

Concentración inicial de especie A

CA0

1,5 mol/L

Concentración inicial de especie B

CB0

0 mol/L

Temperatura de mezcla

T0

30°C

1,5 m2 10C

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FLUJOGRAMA DE SIMULACIÓN 1. Inicio de un nuevo trabajo

2. Selección de las unidades a utilizar

3. Creación del diagrama de flujo

4. Selección de los componentes del sistema

5. Selección de las opciones termodinámicas

6. Introducción de los datos de las corrientes de alimentación y de las corrientes de corte

7. Introducción de las especificaciones para las unidades del diagrama de flujo

8. Ejecución de la simulación

9. Revisión de los resultados

10. Preparación de informes

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PASO 1: Inicio de nuevo trabajo:

PASO 2: . Selección de las unidades a utilizar:

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PASO 3: Creación del diagrama de flujo:

PASO 4: Selección de los componentes del sistema:

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Paso 5: Selección de las opciones termodinámicas

Paso 6: Introducción de los datos de las corrientes de alimentación y de las corrientes de corte

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II) Creación de script en Matlab: Se realizó el código de programación empleando las ecuaciones (1), (2), (3) y (4), las mismas que fueron acondicionadas para elaborar las gráficas requeridas:

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6.- RESULTADOS: A) Reporte de simulación de CHEMCAD: Resultados de corrientes de alimentación y producto:

CHEMCAD 6.1.3

Page 1

Job Name: Untitled Date: 07/17/2018 Time: 04:31:50 FLOWSHEET SUMMARY Equipment Label 1 KREA

Stream Numbers 1 -2

Stream Connections Stream Equipment From To 1 1 2 1

Calculation mode : Sequential Flash algorithm : Normal Equipment Calculation Sequence

ESCUELA PROFESIONAL DE ING. QUÍMICA 1 No recycle loops in the flowsheet.

CHEMCAD 6.1.3

Page 2

Job Name: Untitled Date: 07/17/2018 Time: 04:31:50 Overall Mass Balance kmol/min kg/min Input Output Input Output Hydrogen 800.000 799.994 1612.640 1612.629 Nitrogen 200.000 199.998 5602.800 5602.750 Ammonia 0.000 0.004 0.000 0.061 Total

1000.000

999.996

7215.440

CHEMCAD 6.1.3

7215.440 Page 3

Job Name: Untitled Date: 07/17/2018 Time: 04:31:50 COMPONENTS ID # Name 1 1 Hydrogen 2 46 Nitrogen 3 63 Ammonia

Formula H2 N2 H3N

THERMODYNAMICS K-value model : SRK Enthalpy model : SRK Liquid density : Library Std vapor rate reference temperature is 0 C. Atmospheric pressure is 1.0000 atm. SRK Parameters: Bip = A + B * T + C * T * T T = Temperature in degree K I J A B 1 2 0.02100 1 3 0.11853 CHEMCAD 6.1.3

C 0.00000 0.00000

0.00000 0.00000 Page 4

Job Name: Untitled Date: 07/17/2018 Time: 04:31:50 EQUIPMENT SUMMARIES Kinetic Reactor Summary Equip. No. Name Reactor type Reaction phase

1 1 3

ESCUELA PROFESIONAL DE ING. QUÍMICA Thermal mode 2 Pressure In atm 100.0000 Pressure Drop atm 1.0000 Tout K 500.0454 Reactor volume m3 30.0000 No. of Reactions 1 Overall IG Ht of Rxn -0.1645 (MJ/min)

Reaction Stoichiometrics and Parameters for unit no. 1 Reaction 1 RateConst = 5.0000e+000 Act.E = 1.0000e-020 Hrxn = 0.0000e+000 Comp Stoich. Exp.factor AdsorbFac. AdsorbE AdsorbExp. 1 -3.00e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 2 -1.00e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 3 2.00e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 0.0000e+000 CHEMCAD 6.1.3 Page 5 Job Name: Untitled Date: 07/17/2018 Time: 04:31:50 STREAM PROPERTIES Stream No. 1 2 Name Alimentación - - Overall - Molar flow kmol/min 1000.0000 999.9962 Mass flow kg/min 7215.4403 7215.4398 Temp K 500.0000 500.0454 Pres atm 100.0000 99.0000 Vapor mole fraction 1.000 1.000 Enth MJ/min 5998.1 5998.1 Tc K 56.8888 56.8900 Pc atm 25.1218 25.1222 Std. sp gr. wtr = 1 0.241 0.241 Std. sp gr. air = 1 0.249 0.249 Degree API 456.2533 456.2509 Average mol wt 7.2154 7.2155 Actual dens kg/m3 16.8737 16.7105 Actual vol m3/h 25656.8417 25907.4351 Std liq m3/h 1798.2636 1798.2560 Std vap 0 C m3/h 1344818.8078 1344813.7108 - - Vapor only - Molar flow kmol/min 1000.0000 999.9962 Mass flow kg/min 7215.4403 7215.4398 Average mol wt 7.2154 7.2155 Actual dens kg/m3 16.8737 16.7105 Actual vol m3/h 25656.8417 25907.4351 Std liq m3/h 1798.2636 1798.2560 Std vap 0 C m3/h 1344818.8078 1344813.7108 Cp J/kmol-K 29694.8768 29691.0457 Z factor 1.0424 1.0419 Visc Pa-sec 2.126e-005 2.126e-005 Th cond W/m-K 0.1856 0.1856

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CHEMCAD 6.1.3

Page 6

Job Name: Untitled Date: 07/17/2018 Time: 04:31:50 FLOW SUMMARIES Stream No. 1 2 Stream Name Alimentación Temp K 500.0000 500.0454 Pres atm 100.0000 99.0000 Enth MJ/min 5998.1 5998.1 Vapor mole fraction 1.0000 1.0000 Total kmol/min 1000.0000 999.9962 Flowrates in kmol/min Hydrogen 800.0000 799.9944 Nitrogen 200.0000 199.9982 Ammonia 0.0000 0.0036

B) Obtención de perfiles de comportamiento cinético y energéticos en Matlab:

Gráfica 1: Concentración de Compuestos A y B en el tiempo hasta su agotamiento

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Gráfica 2: Perfil de la conversión y temperatura del reactor a lo largo del tiempo de reacción Se realizó el siguiente script: REACTOR.M function [dxdt] = reactor(t,x) % Parametros de Entrada Te = 25; %Temperatura del reactor °C; Ca0 = 1.5;%mol/L; Cb0 = 0; %mol/L; F = 2000;%L/min; V = 30000;%L; DHr = 7000; %kcal/mol (calor de reacción); k = 0.8; %min^-1; U = 20; %kcal/(ºC*min*m^2)(coeficiente global de intercambio térmico); At = 1.5;%m^2(área de cambio térmico en la chaqueta); Tj0 = 10; %ºC (Temperatura inicial del agua en la chaqueta); cp = 300; %kcal/kg*ºC; ro = 1.2; %kg/L; % ecuaciones diferenciales dxdt(1,:) = (F/V) * (Ca0 - x(1)) - k*x(1); dxdt(2,:) = (F/V) * (Cb0 - x(2)) + k*x(1); dxdt(3,:) = (F/V) * (Te-x(3)) + (U*At*(Tj0-x(3)))/(ro*cp*V) + (k*x(1)*DHr)/(ro*cp); dxdt(4,:) = (1-x(4))-F*x(4)/V; REACTOR_SOLVER.M

ESCUELA PROFESIONAL DE ING. QUÍMICA clear clc % Condiciones iniciales para ecuaciones diferenciales diferenciales ci=[1.5; 0; 30; 0]; tspan = [0 10]; % tiempo de reacción [t,x] = ode45('reactor',tspan,ci); % Graficos figure(1) plot(t,x(:,1),t,x(:,2)); xlabel('Tiempo de reacción (min)'); ylabel('Concentración de reactivos (moles/L)'); legend('Ca','Cb'); title('Concentración de Compuesto A y B'); % Create a plot with 2 y axes using the plotyy function fig = figure; [ax, h1, h2] = plotyy(t,x(:,3),t,x(:,4).*100, 'plot'); % Add title and x axis label xlabel('Tiempo de reacción(min)'); title('Temperatura del reactor y conversión de la reacción'); % Use the axis handles to set the labels of the y axes set(get(ax(1), 'Ylabel'), 'String', 'Temperatura del Reactor (ºC)'); set(get(ax(2), 'Ylabel'), 'String', 'Conversión (%)');

6. CONCLUSIONES: - Se realizó la simulación del proceso de obtención de amoniaco por el proceso Haber – Bosh usando CHEMCAD V.6.1.3 para obtener los datos de corrientes de alimentación y producto. - Mediante la gráfica de concentración de las especies a partir del minuto 5 la velocidad de reacción será constante y tendrá una conversión baja. Así mismo la gráfica 2 muestra que la energía en el sistema aumenta en el tiempo hasta volverse constante en el transcurso de la reacción. - El simulador CHEMCAD obtuvo datos del balance de materia en termino de fracción molar para una alimentación de 1000 Kmol /min. Siendo para el producto amoniaco de 3.58*10ˆ6.

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8. BIBLIOGRAFÍA (1) Perez , A. , (2012), ANÁLISIS TECNOLÓGICO DE LA SECCIÓN DE SÍNTESIS EN LA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE UREA A INSTALARSE EN LA PROVINCIA DE CIENFUEGOS. Tesis de grado. Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Departamento de Ingeniería Química. (CUBA) (2) Gonzales, A., (2011), Simulación y análisis de una planta de producción de amoníaco. Tesis de grado. Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas. Departamento de Ingeniería Química. (CUBA) (3) Garcia, G., (2016), SIMULADOR CSTR COMO APOYO A LA DOCENCIA. Tesis de grado. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. (ESPAÑA).