BALANCE DE ENERGÍA EN UN REACTOR DE PRODUCCIÓN DE ETILBENCENO.pdf

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BALANCE DE ENERGÍA EN UN REACTOR DEPRODUCCIÓN DE ETILBENCENO

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Julián Useche Cadena

National University of Colombia

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BALANCE DE ENERGÍA EN UN REACTOR DE PRODUCCIÓN DEETILBENCENO

Presentado por:

Stephanie Hernández Ostos - Cód.: 245325Julián Useche Cadena - Cód.: 245311

Dirigido a:Luis Francisco Boada Eslava

Universidad Nacional de Colombia – Sede BogotáFacultad de Ingeniería – Balance de Energía y Equilibrio Químico

Junio de 2013Bogotá D.C


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AbstractBasados en determinadas condiciones de alimentación y flujo de productos en unreactor de alquilación de benceno con etileno en presencia de un catalizador para

obtener como producto deseado etilbenceno, se realiza un balance de energía decomportamiento real. Se tienen en cuenta la fase en que funciona el reactor y elgrado de conversión y selectividad de los compuestos involucrados a ciertascondiciones de temperatura y presión.

Key words: Alquilación, etilbenceno, balance, energía.

1. IntroducciónEl etilbenceno es un producto “intermedio” que se utiliza en la industria químicacon el propósito de la producción del monómero estireno, éste es polimerizado apoliestireno, un polímero con gran importancia en la industria. Además, unapequeña parte del etilbenceno es utilizado como solvente en insecticidas,combustibles y pinturas.

La obtención de etilbenceno se basa principalmente en la alquilación de bencenocon etileno, esta reacción es muy flexible y se puede llevar a cabo en reactores defase líquida o fase vapor. La diferencia primordial entre estas dos maneras deprocesar el benceno y el etileno, además de la fase en la que se encuentran loscompuestos, son los catalizadores que se utilizan. Los diferentes tipos decatalizadores llevan a diferentes productos secundarios, principalmente, gracias a

la realquilación del benceno, dietilbencene y otros polietilbencenos.

En la alquilación en fase líquida, la alimentación entra a temperaturas y presionesconsiderablemente bajas, el catalizador utilizado es cloruro de aluminio, unasustancia corrosiva, lo que perjudicaba su uso. En la alquilación en fase vapor,conocido como el proceso Mobil-Badger, se utilizaba un catalizador de silicato dealuminio cristalino en forma de tamiz molecular modificado (1). Aunque lapreferencia por el proceso en fase líquida era clara ya que no se necesitabadisponer de los residuos del catalizador, Lummus Crest/Unocal/UOP desarrollaronun proceso de alquilación de benceno en fase líquida utilizando como catalizadoruna zeolita (2). Así, la producción de etilbenceno en fase líquida basada en zeolita

fue comercializada por sus beneficios: el uso del catalizador resulta en lareducción de la producción de xileno (una impureza) a niveles tan bajos como 500ppm en el producto, además las bajas temperaturas requeridas disminuían elcosto de energía y la utilización de materiales resistentes a las altas temperaturasmanejadas en la alquilación en fase vapor, y, por supuesto, se evitaban losproblemas de disposición de residuos asociados a la utilización del cloruro dealuminio como catalizador.


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2. El ReactorEn la actualidad, aunque se utilizan igualmente reactores en fase líquida como enfase vapor para la producción de etilbenceno, William Luyben (3) propone lautilización de un reactor CSTR en fase líquida para la primera etapa del procesodonde el etileno fresco es alimentado junto con el benceno. Un reactor CSTR es

“un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de talmanera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asumeque sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor”. Nuestro reactora analizar tiene dos corrientes de alimentación: la corriente (B) de Benceno líquidoque entra al 320 K proveniente del benceno fresco alimentado y del reciclado ensecciones más adelante del proceso, la corriente (E) de Etileno fresco líquido queentra igualmente a 320 K. La corriente (P) de Productos que contiene etileno (Et),benceno (Bn), xileno (X), etilbenceno (EB) y una serie de polietilbencenos (PEB),productos secundarios, que se discutirán más adelante. Nuestro proceso en elreactor, que opera a 434 K y 12 atm, tendrá el siguiente aspecto:

2.1. Las reacciones

En un reactor de alquilación en fase líquida la reacción deseada es donde

obtenemos el etilbenceno:

Pero éste puede reaccionar con el etileno para producir dietilbenceno:

12 atm

Etileno (l),

320 K

Benceno (l),

320 K

Productos (l),

434 K

Et, Bn, X, EB, PEB

Ilustración 1 Reactor en fase líquida para producir etilbenceno.


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Estos subproductos pueden seguir alquilándose para producir los polietilbencenos

de los que se hablaba:

Además, el etileno podría reaccionar con el benceno para producir xileno:

Pero como ya fue mencionado, esta reacción puede ser despreciada.

Ahora, propiamente en nuestro reactor, a las condiciones que se especificaron, el

principal polietilbenceno que se produce en las reacciones secundarias es el

dietilbenceno y se considera que no hay trazas de xileno (3) así que el sistema

multireactivo abierto será:

Así, la reacción R1 en fase líquida tendrá un grado de avancė y la reacción R2 en fase líquida tendrá un grado de avancė (unidad molar/tiempo)

2.2. Balance de Materia

Si queremos realizar un balance de materia en el reactor teniendo en cuenta el grado de

avance de las reacciones, y la nomenclatura de flujo molar utilizada en la Ilustración 1. (E

para el flujo de etileno entrante, B para el de benceno y P para el flujo saliente de

productos), una tabla de flujo de moles que entran al proceso y salen de éste por

componente involucrado sería:

Componente ̇ ̇ Benceno ̇ ̇ ̇ Etileno ̇ ̇ ̇ ̇

Etilbenceno - ̇ ̇ Dietilbenceno - ̇

̇ ̇


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Tabla 1 Balance de materia por flujo de cantidad molar para nuestro reactor.

Si se conoce que el grado de conversión del etileno es de 98,95% y que además

reacciona el 65% del benceno entrante (se debe asegurar el exceso de éste) la Tabla 1

sería ahora:

Componente ̇ ̇ Benceno ̇ ̇ ̇ ̇ Etileno ̇ ̇ ̇ ̇ ̇

Etilbenceno - ̇ ̇ Dietilbenceno - ̇

Tabla 2 Balance de materia por flujo de cantidad molar conociendo el porcentaje de conversión del etileno yde reacción de benceno.

Si establecemos, según la disponibilidad bibliográfica un flujo de entrada de 1600 kmol/h

de benceno conociendo que el radio molar etileno/benceno es aproximadamente 0,4, y

resolviendo el balance para hallar los valores de grado de avance, nuestro nuevo proceso

sería:

Con:

̇ ̇

Etileno (l),

630,6 kmol/h

320 K

Benceno (l),

1600 kmol/h

320 K

Productos (l),

B=1040 kmol/h

E=6,6213 kmol/h

EB=496,0213 kmol/h

DEB=63,9787 kmol/h

434 K

Ilustración 2 Reactor donde se realizará el balance de energía.


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2.3 Balance de Energía

Planteando un balance de energía para el reactor, para este sistema abierto:

̇ ̇ ̇ ̇ ̇ Despreciando los cambios de energía cinética, energía potencial (unidad horizontal) y de

trabajo de eje producidos por la flecha que cumple la función de agitar para apreciar el

valor del intercambio de calor:

̇ ̇ Referencias: C6H6(g) a 25ºC y 1 atm, C2H4 (g) a 25ºC y 1 atm, C6H5(CH2CH3) (v) a 25ºC y

1 atm y C6H4(CH2CH3)2 a 25°C y 1 atm.

El desarrollo del balance de energía quedaría:

̇ ̇ ̇ ̇ Utilizando la propiedad real con ayuda de las propiedades residuales:

̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇ Utilizando el artificio de sumar y restar por los compuestos en sus estados de referencia

(escogidos para obtener un valor de entalpía de reacción a 25°C):

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇

Desarrollando con ayuda de la Tabla 1:

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇

( ̇ ̇)

( ̇ ̇ ̇) ̇ ̇ ̇ ̇

̇ ̇

̇

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇

̇

̇

̇̂ ̇̂


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Este balance es análogo a decir que nuestros reactivos son llevados a condición de gasideal, con las dos últimas integrales se evalúa el cambio de entalpia hasta 25°C, se hacenreaccionar a dicha temperatura. Los productos, como gases ideales se llevan a latemperatura de salida del reactor (con la primera integral) y con ayuda de la entalpiaresidual se regresan a sus estados reales.

Para resolver el balance necesitaríamos:

Calores estándar de reacción a 25°C y 1 atm para las reacciones R1 y R2

Para las reacciones 1 y 2:

Se cumple que:

̂ ∑ ̂ ̂

̂ ̂ ̂ ̂ ̂ ̂ ̂ ̂

Para calcular las cantidades ̂ se necesita disponibilidad bibliográfica, ya quemayoritariamente se tienen valores de formación del gas ideal a condiciones estándar, se

necesita aplicar la siguiente relación para obtener el

̂

:

̂ ̂ ̂ En la siguiente tabla se suministra la información necesaria para realiza el cálculo dê

Componente ̂ ̂

̂

̂

̂

Etileno 52287 -5743 58030

-116311 -530459Benceno 80190 34480 45710

Etilbenceno 29229 41800 -12571

Dietilbenceno -18500 466500 -485000Tabla 3 Calores de formación estándar del gas y calor de vaporización a 25°C/ Calores estándar de formaciónestándar del líquido y Calores estándar de las dos reacciones.

Cambios de entalpía como gas ideal por medio de las integrales Cp:

Con ayuda de información bibliográfica (4) obtenemos la siguiente tabla de datos:


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Compuesto ni in(mol/h) n P (out) (mol/h)Cp=A+BT+CT^2+DT^3

A B C D

Etileno 630600 6621,3 70,92 0,804 -0,0021 0,00005

Benceno 1600000 1040000 -31,66 1,3 0,0036 0,00004

Etilbenceno 0 496021,3 183,37 0,169 0,0005 0

Dietilbenceno 0 63978,7 140,766 0,722 -0,0019 0,00003Tabla 4 Moles de entrada y de salida de cada compuesto. Constantes para el polinomio de evaluación del Cp.Valores de las integrales especificadas.

2175,004109 J/mol 477,5977658 J/mol

25244,45406 J/mol

23775,28297 J/mol

27735,24745 J/mol

30629,24098 J/molContinuación Tabla 4

Evaluación de entalpias residuales en cada corriente:

Con ayuda de la evaluación de entalpias residuales con asistencia del simulador Aspen

Properties se obtiene un valor de:

̇ ̇ ̇ Así el balance total de energía, sumando y restando los valores ya obtenidos

hasta el momento, y armando la ecuación BE1, sería:

̇ ̇ ̇ ̇ ̇

Es decir, tendrían que retirarse esta cantidad de potencia para obtener comoresultado el proceso estudiado.

2.4 Funcionamiento Isotérmico del Reactor

Es posible modelar el proceso de producción de etilbenceno planteando una condición de

temperatura invariable o constante a lo largo del volumen de control. En ese sentido y

basandonos en el balance de materia ya realizado anteriormente, el diagrama de flujo

para el proceso isotérmico es:


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Dónde se presenta la reacción de alquilacion del benceno y la de formación de

dietilbenceno ya mencionadas:

Debido a que R1 es exotérmica (que según la búsqueda bibliográfica contiene un valorcorrespondiente de -16,0619 kcal /mol para la energía libre de Gibbs), es necesarioretirar calor al sistema para mantener la temperaura constante a la entrada y a la salida

del reactor. De este modo, es posible calcular esta transferencia de calor del sistema a

los alrededores planteando un balance de energía.

Referencias (C 6 H 6 (g) a 25ºC y 1 atm, CH 2 CH 2 (g) a 25ºC y 1 atm, C 6 H 5C 2 H 5 (v) a 25ºC y1 atm y y C 6 H 4(CH 2 CH 3 )2 a 25°C y 1 atm)

Trayectoria

∫ ∫

Precalentados

previamente

B

EEtileno ,

630,6 kmol/h

320 K

Benceno ),1600 kmol/h

320 K

Productos ,B=1040 kmol/h

E=6,6213 kmol/h

EB=496,0213 kmol/h

DEB=63,9787 kmol/h

320 K

3 4

Real

Reactivos [320 K, 20 atm, (l)]

Reactivos (298,15 K, 20 atm, (g*)] Productos [(298,15 K, 20 atm, (g*)]

Productos [320 K, 20 atm, (l)]1

2 Reactivos [320 K, 20 atm, (g*)] 5Productos [(320 K, 20 atm, (g*)]

6


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Así pues, el balance de energía queda planteado de la siguiente forma:

̇ ̇ ̇ ̇

̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇

( ̇ ̇)

( ̇ ̇ ̇) ̇ ̇ ̇ ̇

̇ ̇

̇

̇ ̇ ̇ ̇ ∑ ̇ ̇ ̇

̇̂ ̇̂

Para realizar el cálculo de la transferencia de calor, es necesario conocer los calores

específicos de los reactivos y productos tanto para la R1 como para la R2, el valor para

las corrientes de salida y entrada en Kmol/h, el grado de avance para R1 y R2, y los

calores de reacción de ambas reacciones. Los calores de reacción como ya se había

mencionado son calculados como la sumatoria de los calores de formación de sus

reactivos y productos en su respectivo estado de agregación.

A continuación se encuentran los calores específicos a 25ºC y 1 atm de presión:

Cp= A +BT +CT 2 + DT 3


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Adicional a esto y teniendo en cuenta los calores de formación para los reactivos y

productos mostrados inicialmente, y los grados de avance para cada reacción, el calor es

que debe ser retirado del sistema es:

̇ ̇ ̇ ̇ 972038,848 kJ/mol

Bonus:

¿Cómo sería el funcionamiento de nuestro reactor si éste funcionara de maneraadiabática?

Idealmente la transferencia de calor sería igual a 0. No se tendría que retirar oaportar calor al sistema. Así, para resolver a qué temperatura, intuitivamente unamucha mayor a 434 K, estaría la corriente de productos se necesitaría realizarpruebas de ensayo y error para lograr que los términos al lado derecho de laecuación BE3 den 0, siento Tad la temperatura de funcionamiento adiabático.

̇ ̇ ̇ ∑ ̇

̇

̇

̇̂ ̇̂


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Bibliografía1. K. Weissermel, H.J. Arpe. Química Orgánica Industrial. s.l. : Reverté S.A., 1981. págs.318-321.

2. Production of ethylbenzene from benzene and ethylene by liquid-phase alkylation usingzeolita catalyst. Lim, Noni. 1999.

3. Desing and control of the ethyl benzene process. Luyben, William L. 3, Marzo de2011, AIChE Journal, Vol. 57, págs. 655-670.

4. Modelling and Simulation of Benzene Alkylation Process reactor for production ofethylbenzene. Ganji, Hamid, Ahari, Jafar S. y Farshi, Amir. 2004.

5. Wight, C.G. Manufacture of Ethylbenzene. US 4,169,11 25 de Septiembre de 1979.

6. Use of dynamic simulation for reactor safety analysis. Luyben, William L. Marzo de2012, Computers & Chemical Engineering, Vol. 40, págs. 97-109.

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