ASIGNATURA. DISEO DE REACTORES QUMICOS

TRABAJO: DISEO DE UN REACTOR DE PIRLISIS UTILIZADO EN EL PROCESO DE FABRICACIN DE ETILENO.

1. INTRODUCCIN

El etileno es uno de los productos qumicos de mayor volumen de produccin en la industria qumica moderna, con 22 millones de toneladas al ao. Es el sexto en el rankin detrs del cido sulfrico, siendo su principal aplicacin la fabricacin de polietileno, pero tambin de cloruro de vinilo (precursor del PVC), del estireno, del xido de etileno y de muchos otros productos importantes en la industria qumica.

El etileno se obtiene fundamentalmente por pirlisis de las fracciones ligeras del petrleo (etano, propano o butano), pero tambin puede obtenerse de fracciones ms pesadas como nafta o gasoil. La reaccin general puede representarse por:

Parafinas -( Olefinas + H2

En un proyecto de una planta para la elaboracin de etileno es muy importante el diseo del horno de pirlisis, esto es, hay que dominar el diseo de reactores qumicos.

ESTUDIO DEL CASO 102

CRAQUEO DEL ETANO PARA PRODUCIR ETILENO

Este estudio, dividido en tres partes, muestra los tres niveles de modelos de diseo descrito en la pgina 456. Tambin se muestra las tcnicas de diseo para reactores tubulares de fuego directo.

Con el rpido incremento en el costo de materias primas y la escasez de hidrocarburos ligeros, alimentos tales como nafta, gasleo, e incluso el petrleo crudo estn siendo utilizados para la fabricacin de olefinas

El etano es un alimento ideal si el etileno es el nico producto deseado. Otras olefinas, aromticas y varios productos adicionales se producen cuando los hidrocarburos ms pesados son craqueados. Las tcnicas de diseo demostradas aqu son aplicables a otros sistemas de hidrocarburos ligeros, tales como la nafta y el gasleo.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Disear un sistema de reactor para producir 2.7 libras millon / da de polmero de categora etileno con etano comercial como materia prima. El etano llega a los lmites de la batera en estado lquido a 700 psig y 80 F.

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QUMICA.

La pirolisis del Etano se produce principalmente por una homognea reaccin en cadena de radicales libres, aunque existen importantes efectos heterogneos en las paredes. Ahora es posible predecir los mecanismos homogneos para las altas parafinas desde los datos obtenidos de las parafinas C2 C3 y extender con xito los datos derivados del lote de bajas temperaturas a las altas temperaturas de inters industrial (1). Para mantener la coherencia de dichos datos, debe procurarse la ausencia de depsitos de oxgeno y carbono en las paredes (2,3). Ambos compuestos pueden acelerar la reaccin al igual que la capa de xido de metal que se produce en los tubos de acero. Estos efectos superficiales, desde luego, pueden ser ms pronunciados en los equipos de laboratorio, y deben ser eliminados para obtener una ecuacin cintica real homognea.

El mecanismo generalmente aceptado para la pirlisis del etano por encima de 650 C es mostrado en la fig. CS 2-1 (1). Por debajo de 640 C la formacin de propileno secundario se produce por otro mecanismo (4). El esquema del mecanismo mostrado en la Fig. CS 2.1 ha sido confirmado con los datos obtenidos del laboratorio con una conversin de menos de 20 % para evitar la deposicin de coke en la superficie del reactor.

La extensin de este esquema de reaccin a un sistema real, que presenta mayores conversiones y los efectos de pared, se convierte en un ejercicio menos fiable, e inevitablemente necesita datos empricos. Ya que slo en los ltimos diez aos la pirlisis homognea ha sido claramente definida, es comprensible que se recurra a datos totalmente empricos, y a menudo sigue siendo el mtodo preferido especialmente para alimentos complejos como el nafta.

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El paso inicial de la cadena, reaccin 1, y los pasos de formacin de productos primarios, reaccin 3, estn cerradas en primer orden y tienen altas energas de activacin. Los otros pasos importantes se muestran en segundo orden y tienen una menor energa de activacin. Las reacciones de obtencin de hidrocarburos superiores y coque implican combinaciones y polimerizaciones, todo lo cual seran las reacciones de orden superior. La experiencia y los datos de planta indican que estas reacciones tienen energas ms bajas de activacin.

Conclusiones aplicables al cracking de los hidrocarburos ligeros:

1.-Un perfil de temperatura de rpido crecimiento favorecer la descomposicin primaria de etileno en otros pasos que conducen a hidrocarburos ms altos y coque.

2.- Baja presin parcial de reactivo favorece las reacciones primarias que llevan al etileno por encima de reacciones secundarias no deseadas.

3.- Tiempo de contacto de reaccin corto y el flujo tapn minimizan las reacciones secundarias no deseadas.

TERMODINMICA

Clculos simultneos de equilibrio para varias reacciones en cadena no son productivos, pero pueden resultar tiles para considerar el equilibrio aparente entre el etano, etileno y el hidrgeno. De hecho, los equilibrios aparentes se establecen en tiempo de contacto adecuado para muchos tipos de alimentacin de hidrocarburos puros y compuestos (5). Las energas libres estndar de formacin, segn lo trazado en la figura 1.9 para el etano y el etileno, indican que una temperatura en el rango de 1.100 K, ser esencial para un rango razonable de conversin. En este rango el calor aparente de la reaccin es muy endotrmica (34,56 Kcal / g mol). La alta endotrmica y la alta energa de activacin se reflejan en el alto factor adiabtico negativo (-979) y la generacin de un potencial calor negativo (-29,4), como se muestra en la Tabla 6.4.

Conclusiones:

1.- La reaccin demandar grandes cantidades de calor a altos niveles de temperatura indicando los siguientes tipos de reactores:

a- Horno a fuego directob- Guijarro calentadorc- Lecho fluidificadod- Contacto directo con plomo fundidoe- Craking auto trmicof- Superficie regenerativa

La tubera de llegada a los hornos de fuego directo que pueden soportar temperaturas muy altas necesarias para el craking del vapor, elimina esencialmente los tipos del (b) al (f). Estos fueron desarrollados para evitar la transferencia de calor a travs de paredes metlicas. Como los aceites ms pesados estn crakeados, los lechos fluidos pueden resultar atractivos.

2.- Como la reaccin produce un aumento de moles, las bajas presiones y la presencia de inertes favorecer mayores conversiones de equilibrio. El vapor es particularmente atractivo como "inerte", ya que tambin tiende a limpiar los depsitos de coque o suprimir la formacin de coque por la reaccin del agua-gas. (C + H2O -( CO + H2)

ECUACIN CINTICA

El mecanismo de una reaccin qumica se refleja en una ecuacin cintica, que recoge de forma matemtica la relacin funcional de la velocidad de reaccin con las variables de que depende. La ecuacin cintica es una parte imprescindible para el clculo del tamao de un reactor qumico

El estudio de este caso es til ms all de los lmites del tipo de reaccin particular, ya que ayuda a ilustrar la aplicacin de tres tipos de datos a un sistema de reaccin complejo, como se caracteriza en un mecanismo de radicales libres. Estos tres enfoques son designados como caso 102 A, 102 B y 102 C

CASE 102 A

Como se discuti en p, 456, la velocidad de desaparicin del reactivo principal en la pirlisis de hidrocarburos ligeros puede ser expresado como una ecuacin de primer orden. La distribucin de los productos en funcin de la conversin de reactivo clave se obtiene de plantas piloto con todos los datos de planta a escala (6), y se representan como se muestra en la figura, 10.15 p.448. Estos datos han sido ajustados mediante polinomios, como se muestra en la Tabla 2.1 CS.

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Dado que la operacin comercial se produce en un relativamente estrecho rango de presin y temperatura, el producto de distribucin se supone independiente de la presin y la temperatura en rangos estrechos.

Este supuesto es el elemento ms dbil de la tcnica y las condiciones de diseo deben estar en el mismo rango de presin, temperatura y conversin que el reactor experimental. As, el mtodo no permite mucha libertad en la investigacin de variables de diseo. Sin embargo, permite predecir la temperatura, la presin y los perfiles de conversin para diferentes tamaos de reactores, de tal modo que proporciona un procedimiento racional de ampliacin (12).

Las constante de velocidad de primer orden para el etano se obtiene de la tabla 10.4, p. 446.[pic]

CASO 102 B

El concepto de reaccin total aparente como sustituto emprico de un mecanismo de radicales libres se introdujo en la dcada de 1940 (7). Las expresiones estequiomtricas de las reacciones son seleccionadas para producir los productos primarios observados experimentalmente, y las ecuaciones de velocidad se obtienen por ensayo y error, para que cuando se utilicen en una integracin paso a paso, los resultados experimentales originales sean reproducidos. Antecedentes sobre los procedimientos para la interpretacin de datos experimentales para reacciones complejas se dan en el captulo 5

Antes de la llegada de los ordenadores, los clculos a mano eran muy laboriosos, tanto la obtencin de los datos como su aplicacin al diseo, recibiendo el proceso designado poca atencin. Con la llegada de los ordenadores, sin embargo, esta tcnica se ha convertido en el procedimiento ms utilizado para el diseo de este tipo de reactores. Si hay suficientes datos obtenidos experimentalmente, es posible calcular el efecto de las diferentes condiciones de diseo en la distribucin del producto y el tamao del reactor.Esa libertad para el clculo le permite a uno buscar un diseo base ptimo.

Para la pirlisis del etano varios esquemas de las reacciones aparentes y sus expresiones de velocidad se dan en (8,9). El esquema que se muestra en la Tabla CS-2.2 fue seleccionado para el estudio de este caso (8): datos similares han sido reportados para la pirlisis de propano (10), pero las constantes de velocidad no se han definido completamente.

Aunque la reaccin 6 produce carbn, esta no tiene en cuenta todo el coque que se forma. Esto no quiere decir que no sea satisfactorio el clculo de la acumulacin de coque que se ha reportado, aunque la patente de las ecuaciones empricas es utilizada por empresas que tienen una gran cantidad de datos operativos en determinado tipo de horno. En lugar de estos datos, se han sugerido las condiciones para evitar la conocida produccin rpida de coque (8). Los criterios de enfoque de equilibrio, discutido en la pgina 441, se pueden utilizar para este fin al proporcionar un margen de seguridad conservadores. Si una ecuacin de velocidad para la formacin de coque se sabe, el diseador puede calcular velocidades locales de acumulacin de coque, as como es capaz de calcular velocidades de otros productos por medio de ecuaciones empricas de velocidad similares a las anteriormente presentadas. Esta posibilidad le libera de considerar condiciones ms severas en algunas partes del serpentn que no estara permitido por los criterios de enfoque de equilibrio. Parece, sin embargo, que los ms precisos ratios de formacin de coque requeriran un mecanismo completo de los radicales libres que incluyeran todas las etapas de mayor produccin de coque.

CASO 102 C

El esquema de los radicales libres que se muestra en la figura. CS-2.1 se utiliza para esta alternativa. Debido a que est cerrado a los fenmenos reales, en teora se podra estudiar las variables de operacin sobre una gama ms amplia. Existen importantes incertidumbres, sin embargo, debido a la falta de comprensin de los efectos de pared particularmente relacionados con la formacin de coque.

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Este tipo de alimento requerido depende de la eficiencia del sistema de recuperacin y, finalmente, habra que relacionar el programa de diseo para el reactor con el del sistema de recuperacin. Para nuestros propsitos, vamos a suponer el 92% de recuperacin de etileno en el producto del reactor y una recuperacin del 92% de etano a partir de esta misma corriente que se recicla. El reciclaje que estar en el fondo de un fraccionador de etileno - etano se estima que contiene 1,5% de etileno y 0,1% de C3s.

El uso de un solo paso de conversin del 60 % del siguiente balance de materia se aplica con la descarga del horno designado como D, reciclaje de la seccin de recuperacin como la R y alimento fresco como F. El etileno que se requiere es 3979.668 moles lb/hr.

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DISEO DE VARIABLES

Tal como se indica a partir de la p. 435, vamos a establecer las siguientes condiciones:

Presin de salida.Uso mnimo admisible para el flujo de succin del compresor, 10-13 psig.

Presin de entrada.Basada en una estimada P, 20 psi en la seccin de conveccin y 30 psi en la seccin radiante, las presiones de entrada de 62 psig para la entrada del horno y 42 psig para la entrada de la seccin radiante.

Presin parcial de salida de los hidrocarburos y la tasa de vapor (vase el cuadro 10.6 p 450).Base de los clculos en 24 psia correspondiente a 0,25 lb de vapor lb de hidrocarburos o (0,25) (30/18) = 0,417 moles de vapor / mol de hidrocarburo.

Temperaturas de entrada, Entrada al horno.La alimentacin de alta presin se reducir a la presin de entrada deseada utilizando por primera vez un refrigerante en la seccin de destilacin, lo que permite preservar la energa de alta presin. La temperatura final de esta alimentacin despus de varias refrigeraciones y enfriamientos debera ser de 60 F.

Entrada a la seccin radiante (Reactor).Aqu se trata principalmente de la seccin radiante, donde se produce la reaccin. Se iniciar en la regin de ratios incipientes razonable a 1250 F, como se sugiere en la pgina 454.

Dimetro del tubo.Sern considerados tubos en el rango de 4 a 6 . El espesor de tubo de fundicin para todos los tamaos ser fijado en 3/8 ".Longitud del tubo.Vara de acuerdo con la disponibilidad y el tipo de horno. El conjunto de longitudes siguientes fueron seleccionadas con fines ilustrativos.

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Objetivo de conversin del Etano. 60 - 65% (vase p. 449)

Velocidad de la Masa.22 a 25 lb / (ft) (s) es un valor tpico que ofrece tasas de transferencia de calor razonable sin un exceso de P. Otros valores pueden ser exploradas con el fin de comparar en varios casos la constante de P. Estudios de la constante Gs, XA, y P son esencialmente una constante us.

Mximos valores al final.1/16 de espesor de coke y 1800 F de temperatura mxima en la pared del tubo.

Flujo de calor.Se utilizarn varios valores y patrones. Un valor promedio tpico del craking del etano con rigurosidad alta es de 20.000 BTU / (hr) (m2).

Se hace evidente en esta lista que las principales variables para el estudio son el dimetro del tubo, el flujo de calor, y la velocidad de comunicacin. Los efectos sobre el rendimiento y el enfoque de equilibrio, la temperatura de la pared del tubo, la longitud del serpentn, y P sern observados en relacin con los mximos costes permisibles.

MODELOS

CASO 102 A

Las ecuaciones diferenciales que fueron usadas Eq. 1.50, p. 30, donde el equilibrio trmico con qo Do Z fue sustituido por qz Z, donde qo es el flujo de calor de la superficie exterior. La ecuacin diferencial para la conversin es:

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Donde A para la pirlisis del etano es de 0,92 de la tabla 10.7 y Kp se determina de la Eq. CS-2.2, corregido el tiempo en segundos. El algoritmo para el clculo con computadora que implica incrementos reiterados. El P se calcula a partir de la ecuacin. 10.4 y luego XA de la ecuacin CS-2.3 en las condiciones de entrada. La composicin de la mezcla dejando el incremento que se determin a partir de ecuaciones de la Tabla CS-2.1. El balance de calor se utiliz para calcular la temperatura de salida. Un nuevo valor de XA basado en el promedio de To y Te fue a continuacin determinado. La capacidad de calor y los calores de formacin se obtuvieron del libro API Technical Data Book - Petroleum Refining. Los valores medios de las constantes en los polinomios de capacidad del calor para los pseudocomponentes, C3s, C4s y C5s se han dado en la Tabla CS-2.3.

Los valores de los componentes puros son exactamente como los que aparecen en los datos del libro. El enfoque de equilibrio se calcul entonces: [pic], y la temperatura de la pared utilizando las ecuaciones. 10.7 y 10.9, p. 437. Si era ms de un 65 % y 1800 F, respectivamente, el programa se detena. Si no, el siguiente incremento fue calculado.

Las ecuaciones de las propiedades fsicas necesarias en los clculos se presentan en la Tabla CS-2.4.

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CASE 102 B

Las ecuaciones de balance de materias en forma diferencial para este modelo se resumen en la Tabla CS-2.5. El diferencial de la ecuacin del balance de calor Eq. 1.51, p. 30, fue utilizado con qoDo sustituido por qz. Las temperaturas de la pared del tubo y la aproximacin al equilibrio se calcularon como en el Caso 102 al final de cada tubo. Los valores de las constantes para los polinomios de capacidad calorfica se obtuvieron de los datos de los componentes puros que se presentan en el libro API Data Book. Este modelo se resolvi mediante un mtodo de cuarto orden de Runge-Kutta (11)

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CASO 102 C

Este modelo fue similar al Caso 102 B al igual que su solucin. Los balances de materia se resumen en la Tabla CS-2.6, y los pasos elementales con las constantes tipo correspondiente en la Fig. CS-2.1.

Diseo de Procedimientos

El procedimiento de diseo se analizar usando el Caso 102 B. Se realizar una comparacin del diseo final seleccionado con los modelos de los tres casos.

Clculos Preliminares

Basado en las ecuaciones 10.4, 10.7, 10.12 y 10.19 del captulo 10, es posible converger rpidamente a las condiciones de operacin requeridas para maximizar la produccin del serpentn dado en la conversin deseada mientras se consume el P y se llega a la temperatura de la pared del tubo de diseo. Las siguientes relaciones se aplican a valores constantes de Gs, XA y la presin

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La ecuacin C-2.8 es una aproximacin que indica que al pasar de tubos de 4 a 6, Tw-T aumentar slo el 7% o aproximadamente 10-15 F, mientras que al mismo tiempo la temperatura de salida cambiar en el mismo orden de magnitud. Por lo tanto, como una primera aproximacin, se puede suponer que TW seguir siendo ms o menos la misma cuando las ecuaciones CS-2.5 y CS-2.7 se apliquen.

La relacin entre la longitud de la bobina y Kp, y por tanto la temperatura, se puede basar en la temperatura de salida como se muestra en Eq.10.19. Es por tanto posible determinar la longitud, el flujo de calor promedio y el patrn de flujo de calor intenso, y la temperatura de salida que produzca el diseo de P, la conversin y la temperatura de la pared del tubo. Como se muestra en la p.458, slo se aplica una temperatura de salida en particular para un tamao de tubo dado y esta combinacin de variables. No es necesario, sin embargo, encontrar esta temperatura con una precisin mayor que los datos garantizados originales. Un valor dentro de los +/- 5 es ms que adecuado. Un conjunto de condiciones de funcionamiento es seleccionado por la solucin de las ecuaciones de diseo para un tamao del tubo, como se muestra en fig.CS-2.2. Una tasa de flujo de masa de Gs = 23 es elegido como los resultados de produccin ms cercanos a los objetivos de diseo de 1800 F de temperatura pared del tubo, 60 a 65% de conversin, y una presin de salida de 30 psia. Los correspondientes valores de las variables para todos los tamaos de tubos puede ser rpidamente determinada por coeficientes basados en las Eqs.CS-2.5 y CS-2.7, suponiendo una constante Gs y manteniendo el mismo patrn en relacin con el calor del flujo a lo largo de la longitud de tubo. Este patrn se selecciona de modo que aproximadamente el inicio de un tercio del serpentn funciona a 1.25 qo y la porcin restante es 0.877 qo. Una nueva L se obtiene de la ecuacin. CS-2.5 y luego se toma qo de la Eq. CS-2.6. La prediccin de salida se determina entonces a partir de la Eq.CS-2.7.

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Estas estimaciones se pueden comprobar mediante la repeticin de los clculos de diseo en los valores pronosticados de qo. Tales valores calculados se muestran en la Figura. CS-2.3. Las lneas continuas representan los valores estimados basado en el caso de 5. Es evidente que los valores previstos se encuentran dentro de la exactitud de los datos cinticos. Los datos actuales calculados para los tres tamaos se dan en la Tabla CS-2.7. Las variaciones de las condiciones de diseo no son significativas ya que la ms cercana a toda la longitud del tubo debe ser utilizada en cualquier caso. Cuando ms precisos sean los datos disponibles, la variacin en la selectividad debe ser incluida en el anlisis econmico. En el presente caso, la exactitud de los datos no permite tal anlisis con las pequeas aparentes variaciones en la selectividad.

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En su lugar, la decisin del diseo es totalmente hecha sobre la base de los costes de los tubos y el nmero de hornos, asumiendo hornos con cuatro serpentines paralelos. Sobre la base de un mnimo de 7 a 12 hornos (ver p.451) y los diferentes costes aparentes se muestran en la Tabla CS-2.7, se selecciona un serpentn de 5 con ocho hornos. Los costes mayores que se muestran para los serpentines radiantes presentaran diferencias an mayores en varios acuerdos de horno sobre todo cuando las tuberas y el mantenimiento se consideradas para el mayor nmero de serpentines y hornos requeridos para el caso de 4 .

Los clculos de diseo y las decisiones hasta ahora representan lo que podra denominarse el proceso de diseo del serpentn radiante. El diseo del horno necesario para proporcionar el flujo deseado de calor radiante, junto con la seccin de conveccin para la recuperacin de calor de los gases a alta temperatura dejando la seccin de la radiacin no ser considerado (ver p.427).

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Como se describe en la p. 431, la seccin de conveccin proporciona no slo la fuente de precalentamiento de la alimentacin, sino tambin se recupera el exceso de energa que se utiliza para precalentar el agua de alimentacin de las calderas, para aplacar lar refrigerador y recalentar el vapor.

Comparaciones de diseo de las tres alternativas

Con el tubo de 5 seleccionado, los clculos de diseo basado en los tres modelos, casos 102A, 102B y 102C se resumen en la figura. CS-2.4 y la Tabla 2.8. Lo acordado para los modelos A y B en conversiones, temperaturas y P es muy bueno y para las composiciones es buena. El Modelo C no da buen resultado. Llega a la conversin de salida deseada en el caso a la salida del tubo octavo en lugar del duodcimo. Los datos para este caso de radicales libres son de excelente calidad, pero se basaron en estudios que no excedan el 20% de conversin y con ausencia de vapor, con un tubo de cuarzo como un reactor. A mayores conversiones cabra esperar reacciones adicionales que implican la desaparicin de etileno que tendra que incluirse en el modelo para hacerlo de acuerdo con los casos A y B. Los casos A y B se basan en datos experimentales y plantas pilotos y se reproducen tales datos con una buena precisin. El Caso C demuestra el modo de entrega de los mecanismos de radicales libres, pero tambin subraya los peligros de la utilizacin de datos no confirmados en plantas pilotos o funcionamiento de plantas. Cuando los datos se obtienen en el rango de conversin deseada, el mecanismo de radicales libres puede ser aplicado con xito como se destac en p.457.

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