UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMNFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGA CARRERA DE INGENIERA QUMICA Anlisis y diseo de procesos qumicos

Materia:Anlisis y diseo de procesos qumicosUniversitario:Medina Choque Ruddy FernandoTern Parra MarcoDocente:Lic. Juan Ros del PradoFecha:24 Marzo 2012

Cochabamba BoliviaDiseo del reactor:Proceso de fabricacin de estireno por deshidrogenacin de Etilbenceno.Supongamos que se trata de investigar a partir de las leyes bsicas la deshidrogenacin de Etilbenceno, que es un proceso bien conocido para la obtencin de estireno:

Se dispone de un catalizador que permite obtener una velocidad de reaccin adecuada a 560 C. A esta temperatura, la constante de equilibrio para la reaccin anterior es:

Las unidades de Kp estn en mbar, siendo PEt, PEs y PH las presiones parciales de etilbenceno, estireno e hidrgeno respectivamente.Parte (1). La alimentacin formada por etilbenceno puro: Determinar la conversin de equilibrio si la alimentacin est formada por etilbenceno puro a la presin de 1 bar.Solucin.Este clculo requiere no slo el uso de la constante de equilibrio, sino tambin de un balance de materia al reactor. Para evitar confusin es conveniente plantear el balance de materia con toda claridad, incluso en este caso relativamente sencillo.En primer lugar es necesario elegir una base de clculo, que se puede considerar como 1 mol de etilbenceno que entra al reactor: en el equilibrio se convertir una fraccin del mismo. De acuerdo con la ecuacin estequiometria anterior se formaran moles de estireno y moles de hidrgeno, permaneciendo sin convertir (1 ) moles de etilbenceno. Sea la presin total a la salida del reactor P, que supondremos q es igual a 1 bar.ENTRAREACCIONASALE

CompuestoMolesa Molesbc

MolesFraccin molarPresin parcial

C6H5C2H51-1-

C6H5CH=CH2-

H2-

Total =1 +

Por cada mol de etilbenceno q entra al reactor, el nmero total de moles aumenta a (1 + ) y las fracciones molares de las distintas especies en la mezcla, a la salida del reactor, se indican en la columna b. para una presion total P, las presiones parciales se indican en la columna c (suponiendo un comportamiento de gas ideal). Si la mezcla de reaccin est en equilibrio qumico, las presiones parciales indicadas han de satisfacer la ecuacin:

Es decir:

As pues, cuando P = 1 bar, = 0.3, es decir la conversin mxima posible empleando etilbenceno puro a 1 bar es solamente de un 30%, lo cual no es muy satisfactorio (aunque es posible en algunos procesos operar a presiones bajas, separando y reciclando los reaccionantes). Se indicarn a continuacin algunos mtodos para mejorar este valor.Ha de notarse que en la ecuacin se observa q aumenta cuando P disminuye, lo cual no es ms que la expresin cuantitativa del principio de Le Chatelier, ya que al aumentar el nmero de moles en la reaccin, se favorece la descomposicin del etilbenceno disminuyendo la presin. Sin embargo, existen desventajas al operar en un proceso de este tipo de presiones subatmosfricas. Una de ellas es que cualquier entrada de aire a travs de algn poro podra provocar la ignicin. Una solucin mejor, en este caso, es disminuir la presin total ligeramente en exceso sobre la atmosfrica. El gas inerte ms adecuado para este proceso es el vapor de agua, entre otras razones porque puede condensarse fcilmente, en comparacin con un gas como el nitrgeno que originara mayores problemas de separacin.

Parte (2). Alimentacin formada por etilbenceno y vapor de agua: Si la alimentacin al proceso est formada por etilbenceno diluido con vapor de agua, en la relacin 15 moles/ 1nol de etilbenceno, determnese la nueva conversin en el equilibrio .Solucin. Se plantea de nuevo el balance global de materia sobre la base de 1 mol de etilbenceno que entra al reactor.ENTRAREACCIONASALE

CompuestoMolesa bc

MolesFraccin molarPresin parcial

C6H5C2H51-1-

C6H5CH=CH2-

H2-

H2O15-15

Total =16 +

Por lo tanto, cuando P=1 bar, = 0.70; es decir, la conversin mxima posible ha aumentado al 70%. De la ecuacin anterior se deduce que la conversin de equilibrio aumenta al hacerlo la relacin vapor de agua a etilbenceno. Sin embargo, a medida que se utiliza ms vapor de agua su coste aumenta y no compensa el aumento en la conversin de etilbenceno. La relacin ptima vapor de agua a etilbenceno ha de determinarse por un balance econmico.A bajas temperaturas la reaccin de deshidrogenacin no tiene lugar y a muy altas temperaturas compite con otras reacciones, la ms importante es la de formacin del coque:

El carbono se deposita en la superficie del catalizador lo cual hace disminuye la eficiencia del proceso.Lo que se consigue al adicionar vapor de agua es tambin la siguiente reaccin:

Con lo que se consigue remover las impurezas q podran acumularse en la superficie del catalizador, examinando las constantes de equilibrio de las reaccin es que intervienen el carbono puede demostrarse que la formacin de coque no es posible para relaciones elevadas de vapor de agua/etilbenceno.El proceso de obtencin de estireno opera con una conversin de etilbenceno de 0.4 por paso, en comparacin con la conversin de equilibrio de 0.70. La conversin real de 0.4 est determinada por la velocidad de reaccin sobre el catalizador, a la temperatura que predomina en el reactor. La operacin adiabtica se caracteriza porque la temperatura disminuye al aumentar la conversin y la reaccin tiende a pararse a la salida. El etilbenceno que no reacciona se separa y recicla al reactor. El rendimiento global del proceso, es decir moles de etilbenceno que se transforman en estireno por mol de etilbenceno que se suministra, es igual a 0.90, consumindose el 0.10 restante en reacciones laterales, no deseadas.Ha de notarse que la conversin por paso podra incrementarse aumentando la temperatura a la entrada del lecho cataltico a ms de 630 C, pero aumentaran las reacciones laterales y disminuira el rendimiento global del proceso. El valor de 630 C para la temperatura de entrada se determina, por lo tanto, mediante un balance econmico entre el coste de separacin del etilbenceno que no ha reaccionado (que es elevado si la temperatura y conversin por paso son bajas) y el coste del etilbenceno consumido en reacciones laterales innecesarias (que es elevado si la temperatura de entrada es elevada).

Eleccin definitiva de las condiciones del reactorLas ventajas que proporciona el vapor de agua pueden resumirse en la forma siguiente:a) Disminuye la presin parcial del etilbenceno sin necesidad de operar a presiones por debajo de la atmosfrica.b) Suministra una fuente interna de calor que hace posible la operacin adiabtica, al ser el calor de reaccin endotrmico.c) Evita la formacin de coque sobre el catalizador y los problemas de carbonizacin en los calentadores de etilbenceno.Como se observa en el proceso de fabricacin de estireno, no es posible, generalmente, que el reactor opere con una conversin por paso igual a la conversin de equilibrio. La velocidad de una reaccin qumica disminuye a medida que se aproxima al equilibrio, de forma que la conversin de equilibrio slo puede alcanzarse si el reactor es muy grande o la reaccin es extremadamente rpida. El tamao de reactor necesario para obtener una conversin determinada, que obviamente no puede exceder de la conversin mxima, predicha por la constante de equilibrio, se calcula a partir de la cintica de la reaccin.Anlisis de la constante de equilibrioUsando otra expresin de la constante de equilibrio a 600 C se puede representar la variacin de la conversin de equilibrio con la presin atmosfrica.

Usando la base de datos de Aspen Hysys, se obtuvo la variacin de la constante de equilibrio en funcin de la temperatura, como se resume en la siguiente tabla:T[C]Keq[atm]

93,331,936E-11

148,903,404E-09

204,401,854E-07

260,004,498E-06

315,606,081E-05

371,105,309E-04

426,703,304E-03

482,201,570E-02

537,806,067E-02

593,300,200

648,900,562

704,401,426

760,003,273

815,606,823

871,1013,370

926,7024,490

982,2042,660

1038,0070,800

1093,00112,200

1149,00171,400

1204,00254,700

De la termodinmica se sabe que:

Sacando logaritmos, para linealizar la funcin se obtiene:

Realizando la regresin lineal de la forma:

Se obtiene:

A 600 C la temperatura de entrada de alimentacin al reactor se obtiene el valor de Keq.

Clculo de la conversin de equilibrioComo se describi anteriormente la conversin de equilibrio es el valor mximo que se puede alcanzar en el rector con un reactor de volumen infinito, para mejorar el valor de la conversin de equilibrio se adiciona una cantidad de gas inerte para reducir la presin parcial de equilibrio del etilbenceno y de esa manera aumentar la cantidad de estireno producido.De las condiciones del problema se sabe que al reactor entran 22640 mol/h con una composicin molar de 12.1% de etilbenceno y 87.9% de vapor de agua como inertes.

Suponiendo un mol de alimentacin como base de clculo:

Realizando un balance de C:El balance de H da:Despejando da:

La presin de operacin es de 1atm y el valor de Kp=0.236184381 a 600 C.Resolviendo:Entonces la conversin de equilibrio es:

Deduccin de la cintica de la reaccin:

Suponiendo una cintica de reacciones elementales:

Sabiendo que:

Adems se sabe de la estequiometria que:

Colocando las ecuaciones en funcin de la conversin del etilbenceno se obtiene la siguiente ecuacin:

Como al comienzo de la reaccin no se encuentra nada de estireno ni de hidrgeno:

Con lo que se obtiene:

Se sabe que en el equilibrio entonces:

Factorizando y reemplazando en la anterior ecuacin:

Corregido:La reaccin ha sido estudiada usando un catalizador Shell 105 (93% en peso de Fe2O3, 5% Cr2O3, 2% de KOH) en un reactor diferencial.[Ind. Ing.Chem. Proceso Des. Dev. 4, 281 (1965)]-rA x 103 [mol/min-g cat]1,4150,2140,1650,7470,167

PE [atm]10,010,50,91

PSt [atm]000,50,11

PH2 [atm]0000,10

Teniendo en cuenta: la deshidrogenacinde etilbencenoaestireno:Los datos cuantitativosindicanla velocidad de reaccines de la forma:

DondeA1, A2, A3son constantesEl hecho de que(-rE)es independiente deH2, sugiere queH2no se absorbeenla superficie del catalizador. Adems,la expresin anterior para(-rE)sugiere que tantoEyStson absorbidosenla superficie: tratarelsiguiente esquema de reaccin.Para asegurar quePH2no aparece enlaexpresin de la velocidadasumir que enla superficie decontrolde reaccin:Entonces:Y O:donde Con KS>>>1. La reaccion puede ser considerada irreversible.Si fuera:Donde Evaluando para k, KA y KDReordenando la expresin de velocidad: Con PSt 0, la grfica de vs debe ser lineal con pendiente y la interseccin . Dado que solo dos puntos se dan con . Es fcil resolver analticamente:

Punto [atm] gmol/min-gmcat/

111,415E-03706,7

20,012,140E-0446,73

yDesde arriba:

Y

Ahora, toma de datos, puntos 1 y 3,en el que es constante, el valor de y por lo tanto se puede determinar:Para el punto 1:Para el punto 2: Restando y resolviendo para , sealando que

La expresines:

a) (PM)E = 106.1 g/mol(PM)S = 18 g/mol(PM)St = 104.1 g/molEntonces

Expresin de velocidadpara cualquierX es:

La ecuacin de diseo para CSTR (lecho fluidizado) es:

El precio de venta de estireno es de 48.24 $/lbLa venta de todo lo producido al da dara una ganancia de:

El costo del catalizador representa un 0.93% o mejor dicho el 1%b) La ecuacin de diseo para el reactor PFR de lecho fijo:

Diagrama de flujo con HYSYS

Detalle de las corrientes:

Detalle de las corrientes de energa:

Detalle de las composiciones de las corrientes

De el diseo del reactor

De la columna de destilacin

BibliografaIngeniera qumica, diseo de reactores qumicos, John MetcalfeCoulson, pg 14 a 17Manual del ingeniero qumico, Robert H. Perry Don W. Green, Sptima Edicin, Editorial McGraw Hill, Volumen 1Elementos de ingeniera de la reaccin qumica, Fogler

Estas son las imgenes del reactor usando Solid Works para los diseosReactor con lecho relleno

Intercambiador de coraza y tubos