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13. REACTOR CSTR 
 
 
1. OBJETIVOS 
 
1.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético 
1.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor CSTR de tipo 
cinético 
1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor CSTR, con una reacción de tipo cinético 
 
2. INTRODUCCION 
 
Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de 
tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus 
propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La ecuación de diseño de un 
reactor de mezcla completa es: 
 
 
 
A
A
AoAo r
X
CF
V
−
==
τ
 (13.1) 
 
 
Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo 
espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la 
conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A 
 
La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. 
Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la 
siguiente manera 
 
 
 (13.2) 
n
AA kCr =−
 
 
Siendo k, la constante específica de velocidad de reación, n, el orden cinético de la reacción 
y CA, la concentración de reaccionante 
 
El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de 
reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de 
Arrhenius, de la forma 
 
 
 ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ −=
RT
EAk exp (13.3) 
Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala 
absoluta y R, la constante universal de los gases 
 
Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende 
solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se 
requieren para una especificación completa es de seis. Las variables que usualmente, se 
especifican son el flujo calórico en la corriente de energía, la caída de presión en el tanque 
y el volumen del reactor, además de la energía de activación, el factor pre-exponencial y el 
orden de la reacción 
 
3. PROCESO ESTUDIADO 
 
La reacción que estudiaremos es la de la obtención de propilenglicol a partir de óxido de 
propileno y agua, cuya estequiometría es 
 
 
283263 OHCOHOHC →+ 
 
 
Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de 
propileno al 20 % mol y se considera un nitrógeno puro que actúa como un inerte y con el 
propósito de mantener la presión de la reacción. 
 
La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de óxido de propileno, 
COxido, con una cinética de la forma 
 
 
 OxidoKCr = (13.4) 
 
 
y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius 
de la siguiente forma 
 
 
 ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛−=
RT
xK 32444exp107.1 13 (13.5) 
 
Siendo T, la temperatura en Kelvin 
 
4. PAQUETE FLUIDO 
 
Ecuación: Uniquac - Ideal 
Componentes: Oxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno 
Reacción 
 Tipo: Cinético 
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 Estequiometría: Oxido de propileno + Agua Propilenglicol 
Base: 
 
La Base para la ecuación cinética es la Concentración; el Componente Base es el 
óxido de propileno; la fase de la reacción es Liquido combinado y las unidades 
bases son kgmol/m3 para la concentración, kgmol/h-m3 para la velocidad de 
reacción, y ºK para la temperatura. 
 
Parámetros Cinéticos 
 
La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (13.4) es decir de orden uno 
con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (13.5) se tiene que el factor pre-
exponencial es 1.7x1013 h-1 y la energía de activación es 32444 kJ/kgmol 
 
5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 
 
1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes 
óxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno 
 
Reacción de tipo cinético 
 
2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid 
Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la 
derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho 
3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título 
“Reactions” seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para 
desplegar la ventana de título “Kinetic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por 
HYSYS a la reacción que se va a introducir. 
 
 
 
 
Figura 1. Estequiometría de la reacción química 
 
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4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los 
componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción 
química. 
5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada 
uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los 
reaccionantes y positivo al producto. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor 
0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista 
estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 °C 
6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna “Fwd Order” 
escriba uno para óxido de propileno que es el orden de la reacción a la derecha y en 
la columna “Rev Order” escriba cero para todos los componentes porque la reacción 
es irreversible. La ventana de la pestaña “Stoichiometry” se debe observar como lo 
muestra la Figura 1 
7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 2. 
 
 
 
 
Figura 2. Bases para la cinética de la reacción 
 
 
 
 
Figura 3. Ecuación de Arrhenius 
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8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña “Parameters” e 
introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en 
la Figura 3. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”. 
9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la 
simulación presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior 
izquierdo. 
10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al 
paquete fluido 
11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de 
simulación 
 
Corrientes de materia y energía 
 
12. Instale las corrientes “Alimento” e “Inerte” con las siguientes especificaciones 
 
Alimento Inerte 
 
Temperatura, °C 25 60 
Presión, kPa 130 130 
Flujo molar, kgmol/h 350 0 
Composición (Fracción mol) 
 Oxido de propileno 0.2 0.0 
 Agua 0.8 0.0 
 Propilenglicol 0.0 0.0 
 Nitrógeno 0.0 1.0 
 
13. Instale una corriente de energía con el nombre de “Enfriante” 
 
Reactor de mezcla completa 
 
14. Instale un reactor de mezcla completa seleccionando el icono de nombre “CSTR” 
que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100” 
15. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades 
de la siguiente manera 
 
Nombre R-100 
Inlets Inerte, Alimento 
Vapor Outlet Vapor 
Liquid Outlet Liquido 
Energy Enfriante 
 
16. Despliegue la página “Parameters” y deje el valor de cero, por defecto, para la caída 
de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía. Observe que 
se han introducido dos especificaciones 
17. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y 
seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe en el 
cuadro “Reaction” que se muestra a la reacción Rxn-1 del proceso. Si es necesario 
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revisarla se puede presionar el botón “View Reaction”. Observe que se han 
introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de 
activación y el orden de la reacción. Sin embargo, la banda roja solicita la 
especificación del volumen con el cual se debe completar el número requerido para 
una convergencia en la simulación 
18. Haga clic en la pestaña “Rating” y dentro de la página “Sizing” introduzcaun 
volumen de 8 metros cúbicos. Observe que la convergencia se ha alcanzado porque 
se han completado las seis especificaciones requeridas. HYSYS sugiere unas 
medidas para la altura y el diámetro de un tanque cilíndrico 
19. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el 
porcentaje de conversión de óxido de propileno alcanzado en la reacción. 
20. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes 
en la reacción 
21. En la página “Comnposition” de la pestaña “Worksheet” se observan las 
concentraciones de propilenglicol en las corrientes de producto 
 
El diagrama de flujo final del reactor de mezcla completa simulado se observa en la Figura 
4. 
 
 
 
 
Figura 4. Reactor de mezcla completa 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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