UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE OPERACIONES UNITARIAS

DISEÑO DE PLANTAS I

PRODUCCIÓN DE ETILBENCENO

Balances de Materia y Energía

Autores:

Briceño Karelys C.I.: 19.528.928

Moreno Andrea C.I.:19.593.179

Ortega Rhonald C.I.: 20.533.907

Profesor: Carlos Gutiérrez

Mérida, 27 de Noviembre de 2014

DESCRIPCIÓN DEL REACTOR

Al realizar una revisión bibliográfica de artículos, libros y patentes para la

producción de Etilbenceno en fase vapor se ha usado un reactor en lecho fijo. De esta

manera, de acuerdo a los datos extraídos patente seleccionada se realizarán los balances de

masa y energía en el reactor mencionado previamente.

Un reactor de lecho fijo consiste en un tubo cilíndrico de gran longitud operando en

estado estacionario. El flujo que maneja es altamente turbulento y no hay una variación

radial de concentración, es por ello que se dice que el flujo de reactor es de taponado. Los

reactivos se consumen continuamente a medida que fluyen a lo largo del reactor. Las

funciones principales del reactor flujo pistón son asegurar el contacto entre los reactantes

en el interior del tubo y proporcionar un tiempo de contacto suficiente entre los reactantes

para alcanzar la conversión deseada bajo un rango de presión y temperatura establecidas

(figura 1).

Figura 1. Esquema de un reactor de lecho fijo.

La reacción se realiza mediante una catálisis heterogénea donde el catalizador se

emplea en forma de partículas que suelen disponerse en un lecho a través del cual el fluido

circula. El catalizador usado para este sistema de reacción es zeolita ZSM-5 (figura 2).

Figura 2. Catalizador de zeolita ZSM-5.

El arreglo del reactor que debemos usar está relacionado con la naturaleza de la

reacción, en este caso, para la producción de Etilbenceno es necesario utilizar un reactor de

lecho fijo multietapas en condiciones de operación adiabáticas el cual se fundamenta en el

intercambio de calor por inyección de fluido frío exclusivo para reacciones exotérmicas.

El método consiste en dividir el caudal original de fluido frío, de forma que una

fracción entra en la primera etapa, y parte se añade a la corriente saliente de cada etapa

(entrando en la etapa siguiente), excepto la última. Así, la temperatura de la corriente que

abandona cada etapa (excepto la última) puede reducirse al mezclarse con alimento frío sin

emplear intercambiadores de calor. La cantidad en que se reduce la temperatura depende de

la distribución de flujo entre etapas (figura 3). Independientemente de cómo se alcance, el

propósito de ajustar la temperatura es doble: (1) evitar las limitaciones del equilibrio

químico, aumentando la conversión fraccional o el rendimiento (figura 4) y (2) mantener la

velocidad de reacción relativamente elevada, para reducir la cantidad de catalizador y el

tamaño del reactor necesario.

Figura 3. Sistema de reacción con sistema de inyección de fluido frío.

Figura 4. Diagrama de conversión vs temperatura para una reacción exotérmica reversible.

Según las referencias bibliográficas utilizadas la alimentación al reactor consiste en

una mezcla de benceno y etileno en fase vapor en un lecho fijo de catalizador sólido de

zeolita ZSM-5. Donde el benceno y el etileno se alimentan a una primera etapa del reactor

en una relación molar de 5.5:1 la cuál entra precalentada a una temperatura de 750°F.

Después que la reacción tiene lugar en el primer lecho al consumirse el 80% del agente

alquilante (etileno) el efluente de la primera etapa se enfría para eliminar el calor de

reacción y más etileno es añadido para mantener la relación molar del compuesto aromático

a agente de alquilación dentro del rango establecido para la primera etapa el sistema

estudiado consta de 6 etapas de reacción y una presión de operación de 260 psig. La

conversión alcanzada en este proceso es de 98% y la selectividad alcanzada hacia el

producto principal Etilbenceno es de 98%.

El balance de masa y energía será realizado en el reactor de alquilación. Las reacciones que

ocurren son las siguientes:

Reacción N°1: Principal

C6H6 + C2H4 C6H5C2H5 (R1)

Benceno + Etileno Etilbenceno

Además de la reacción principal (R1) se presentan otras reacciones secundarias dentro del

sistema:

Reacción N°2: Secundaria

C6H5C2H5 + C2H4 C6H4(C2H5)2 (R2)

Etilbenceno + Etileno Dietilbenceno

Y este puede seguir alquilándose para producir otros polietilbencenos.

Reacción N° 3 : Secundaria

C6H4(C2H5)2 + C2H4 C6H3(C2H5)3 (R3)

Dietilbenceno + Etileno Trietilbenceno

El etileno será el reactivo limitante en todas las reacciones presentes, de los cuales,

tiene una conversión de 98% y una selectividad para la producción de Etilbenceno (R1) del

98%. Se consideró distribuir el porcentaje restante de la selectividad a un porcentaje de

1,5% para la producir dietilbenceno (R2) y Trietilbenceno (R3) de 0,5% para cada uno

respectivamente. La patente consultada sugiere para alcanzar la conversión y selectividad

establecida una relación molar de benceno / etileno = 5.5:1

El sistema de reacción se puede mostrar el siguiente diagrama de flujo (figura 5):

Figura 5. Diagrama de flujo para el reactor de alquilación

Las condiciones de operación del reactor son:

Temperaturas de las corrientes (1) y (2): 750°F

Presión las corrientes (1) y (2): 260 psig

Presión de operación del reactor: 260 psig

Reacción en fase vapor con catalizador de zeolita ZSM-5

Descripción de las corrientes en el sistema de reacción de alquilación:

En la corriente (1) se alimenta el benceno con una composición de 99,85% y con

0.15% de impurezas de compuestos no aromáticos, ambos en porcentajes en peso. La

composición en la cual se adquiere este producto se ve en la (figura 6).

Figura 6. Ficha comercial para la compra del benceno de PEQUIVEN.

En la corriente (2) se alimenta etileno con una composición de 99.95% molar y la

diferencia de gases son en su mayoría Etano y pequeñas trazas de propano. La composición

en la cual se adquiere este producto se observa en la (figura 7).

Figura 7. Ficha comercial para la compra de etileno PEQUIVEN

En la corriente (3) Se encuentran los productos de la reacción, la cuál contiene

benceno que no reaccionó, Etileno que no reaccionó, el Etilbenceno, Dietilbenceno y

Trietilbenceno producidos además de las impurezas que acompañaban a la materia prima

desde el inicio del proceso de reacción.

Una vez, conocida la descripción de las corrientes, procedemos a realizar el balance

de masa en el sistema:

Base de cálculo: 100 Kmol/h de etileno

Corriente (1)

En base a la relación molar de benceno/etileno= 5.5:1 el benceno que entra al

reactor será:

Benceno al reactor= 5,5 * 100 Kmol/h = 550 Kmol/h

Masa de benceno que entra al reactor= 550 Kmol/h * 78 Kg/Kmol= 42900Kg/h

Impurezas Asociadas al benceno= 42900 Kg /h

0,9985∗0,0015=¿64,45 Kg/h

Tabla N°1. Composiciones y masas de entrada de la corriente (1)

Compuesto Fracción Másica Masa (Kg/h)

Benceno 0,9985 42900

Impurezas de Benceno 0,0015 64,45

Corriente (2)

Etileno al reactor= 100 kmol/h

Impurezas asociadas al etileno= 100Kmol /h

0,9995∗0,0005=0,05

Kmolh

de impurezas

Al observar la figura 7, se puede notar que existen una gran cantidad de impurezas,

sin embargo la impureza predominante es el etano y existen un conjunto de sustancias más

involucradas en el sistema. De esta manera, se asumirá que el peso molecular promedio de

ese conjunto de gases es cercano al etano pero ligeramente mayor (32 Kg/Kmol) para

expresar los porcentajes en masa de las corrientes de entrada al reactor en la tabla N° 2.

Tabla N°2. Composiciones y masas de entrada de la corriente (2).

Compuesto Fracción Molar Masa (Kg/h)

Etileno 0,9995 2800

Impurezas de Etileno 0,0005 1,6

BALANCE EN COMPONENTES (ESTADO ESTACIONARIO)

Entra-Sale+Genera-Consume=0

Etileno:

100kmol

h−100

kmolh

∗0,98=Saleetileno=2kmol

h

Impuresasde etilenoque entran=Impurezasde etilenoque salen=1,6kmol

h

Benceno:

550kmol

h−100

kmolh

∗0,98∗0,98=Salebenceno=453,96kmol

h

Impuresasde bencenoque entran=Impurezasdebenceno que salen=64,5kmol

h

Etilbenceno:

100kmol

h∗0,98∗0,98=Etilbencenogenerado=96,04

kmolh

PM Etilbenceno=106kg

kmol

Dietilbenceno:

100kmol

h∗0,98∗0,015=Dietilbencenogenerado=1,47

kmolh

PM Etilbenceno=134kg

kmol

Trietilbenceno:

100kmol

h∗0,98∗0,005=Trietilbencenogenerado=0,49

kmolh

PM Etilbenceno=162kg

kmol

Etilbencenosale=Etilbencenoformado−Etilbencenoreacciona

Etilbencenosale=96,04kmol

h−1,47

kmolh

=94,07kmol

h

Dietilbencenosale=Dietilbenceno formado−Dietilbencenoreacciona

Dietilbencenosale=1,47kmol

h−0,49

kmolh

=0,98kmol

h

Tabla N° 3. Composiciones y masas de la corriente de salida (3)

CompuestoMoles

(kmol/h)Masa (kg/h) Fracción Másica

Etileno 2 56 0,001224

Benceno 453,96 35408,88 0,773693

Etilbenceno 94,07 10024,42 0,219036

Dietilbenceno 0,98 131,32 0,002869

Trietilbenceno 0,49 79,38 0,001734

Impurezas benceno 64,45 0,001408

Impurezas etileno 1,6 0,000035

Por la ley de conservación de la masa y en estado estacionario se tiene que cumplir que:

Masa de entrada=Masa de salida

45766,05 kg/h = 45766,05 kg/h

Realizando el cambio de base se obtiene los flujos reales para las corrientes de

alimentación, así como también de salida. Es importante destacar que el flujo esperado para

obtener una producción anual de 80000 ton/año se le agregará un 2% de exceso puesto que

así se considerarán las pérdidas de Etilbenceno que se presentan en los equipos posteriores

al reactor.

De esta manera:

80.000ton/ año100 %

∗2 %=1600 Ton/año es el factor que debemos sumarle a nuestra

producción de Etilbenceno, siendo entonces:

81.600

tonaño

∗1año

330días∗1día

24 h∗1000kg

1Ton=10303

kgh

de Etilbenceno

Etilbenceno

10303kgh

Etilbenceno∗2800kgh

etileno

10024,42kgh

Etilbenceno=2877,81kg/h Etileno

Así sucesivamente para cada una de las corrientes de entrada y de salida del reactor.

Tabla N°4. Flujos de entrada y salida para la producción de 10303 Kg/h de Etilbenceno.

CompuestoFlujos másicos de entrada

(kg/h)

Flujos másicos a la salida

(kg/h)

Etileno 2877,81 57,56

Benceno 44092,20 36392,82

Etilbenceno 0 10303

Dietilbenceno 0 134,97

Trietilbenceno 0 81,59

Impurezas benceno 66,29 66,24

Impurezas etileno 1,69 1,64

TOTAL 47.037,99 47.037,82

BALANCE DE ENERGÍA (ESTADO ESTACIONARIO)

Efectuando un balance de energía en la entrada y salida del reactor, en el cual se

desprecia tanto la energía potencial, así como la energía cinética además de tomar en cuenta

que no hay acumulación en el sistema, se llega a la siguiente expresión:

Q=H entrada−H salida+∆ H reaccion (1)

Debido a que la reacción para la producción de Etilbenceno es exotérmica, se

determinará el calor generado en el reactor de lechos empacados mediante la ecuación (1),

tomando en consideración que el reactor opera a 750°F, temperatura a la cual entran los

reactivos, además la temperatura de la corriente de salida es 850°F, temperatura a la cual es

óptima la salida de los productos del reactor, aunado a ello el reactor cuenta con corrientes

internas de reciclo en cada etapa del lecho, que permiten mantener la temperatura de

reacción en el mismo.

∆ H reaccion=∆H fo(Tref )+ ∫Tref

Treacc

Cp∗dT (2)

Para determinar algunas propiedades de los compuestos involucrados en cada una

de las corrientes tanto de entrada como de salida del reactor que opera a 750°F y 260psig,

se empleó el simulador ASPEN, considerando el modelo termodinámico Peng-Robinson

para calcular las capacidades caloríficas, del mismo modo se hizo referencia el compendio

de propiedades químicas y físicas de la escuela de Ingeniería Química para determinar los

calores de formación de los compuestos.

Es necesario aclarar que no se encontró el calor de formación del Trietilbenceno,

por lo tanto se empleó el calor de formación de una molécula similar a dicho compuesto

para poder determinar el calor de reacción generado en la reacción (R3)

Tabla 5. Propiedades de los compuestos

Compuesto Capacidades Caloríficas 77-1000°F

(Cp=BTU/lb°R)

∆Hf 77°F (Btu/lbmol)

Etileno −9∗10−8T 2+0,0005T +0,3594 -21970357,1

Benceno 2∗10−7 T2−1∗10−5 T+0,458 -35707460,3

Etilbenceno 6∗10−7 T 2−0,0008T+0,08385 -12827301,6

Dietilbenceno 1∗10−6 T2−0,0023T +1,5851 -31591,8152

Trietilbenceno 4∗10−6 T2−0,0076T+4,1114 -4015738,1

Debido a que las impurezas en la corriente de salida del reactor son menores al 1%,

estas se desprecian para el balance de energía en el reactor.

Cálculos de la entalpia de salida (H salida)

Para facilitar los cálculos se determinará un Cpprom para los componentes en la salida del

reactor, sabiendo que la corriente de salida del reactor tiene una temperatura igual a 850°F

(1310°R), este cálculo se realiza de la siguiente manera:

Cpprom=∑ Xi∗Cpi (3)

Tabla 6. Resumen cálculo del Cpprom para la corriente de salida.

CompuestoComposición

másica (Xi)

Capacidades Caloríficas

77-1000°F (Cp=BTU/lb°R)Xi*Cpi(BTU/Lb°R)

Etileno 0,00122369 −9∗10−8T 2+0,0005T +0,3594 −1,11∗10−10 T2+6,18∗10−7 T+4,44∗10−4

Benceno 0,77368995 2∗10−7 T2−1∗10−5 T+0,458 1,55∗10−7 T2−7,74∗10−6 T+0,354

Etilbenceno 0,21903572 6∗10−7 T 2−0,0008T+0,08385 1,31∗10−7 T2−1,756∗10−4 T+0,018

Dietilbenceno 0,00286938 1∗10−6 T2−0,0023T +1,5851 2,87∗10−9T 2−6,6∗10−6 T+4,55∗10−3

Trietilbenceno 0,00173456 4∗10−6 T2−0,0076T+4,1114 6,92∗10−9 T2+1,31∗10−5 T+7,11∗10−3

∑ 2,96∗10−7T 2−1,7 6∗10−4 T+0,379

Tomando los valores de la tabla 6 para resolver la ecuación (1) se obtiene:

Cpprom salida=2,96∗10−7 T 2−1,7 6∗10−4 T+0,379

De esta manera es posible calcular:

∆ H salida=msalida∗∫537

1310

Cpprom∗dT

∆ H salida=46969,12

kgh

∗1 lb

0,454kg∗∫

537

1310

(2,96∗10−7T 2−1,76∗10−4T +0,379 ) dT

∆ H salida=17.559.845,81 BTU /h

Cálculos de la entalpia de entrada (H entrada)

Análogamente se determinará un Cpprom para la corriente de entrada al reactor. Sabiendo que

la temperatura de la corriente de entrada al reactor es 750°F (1210°R)

Tabla 7. Resumen cálculo del Cpprom para la corriente de entrada

CompuestoComposición

másica (Xi)

Capacidades Caloríficas 77-

1000°F (Cp=BTU/lb°R)Xi*Cpi(BTU/Lb°R)

Etileno 0,061180548 −9∗10−8T 2+0,0005T +0,3594 −5,5∗10−9 T 2+3,06∗10−5T +0,022

Benceno 0,937374237 2∗10−7 T2−1∗10−5 T+0,458 1,87∗10−7 T 2−9,37∗10−6 T+0,429

Etilbenceno 0 6∗10−7 T 2−0,0008T+0,08385 -

Dietilbenceno 0 1∗10−6 T2−0,0023T +1,5851 -

Trietilbenceno 0 4∗10−6 T2−0,0076T+4,1114 -

∑ 1,81∗10−7 T 2+2,123∗10−5T +0,451

Cpprom entrada=1,81∗10−7 T2+2,123∗10−5 T+0,451

∆ H entrada=46969,12

kgh

∗1 lb

0,454kg∗∫

537

1210

(1,81∗10−7 T 2+2,123∗10−5T+0,451 ) dT

∆ H entrada=19423830,41BTU /h

Cálculos del calor de reacción (∆ H reaccion)

∆ H reaccion Total(Treaccion)=∑ ¿¿

Dónde:

∆ H reaccion i=mi∗[∆ Hfoi ( Tref )+ ∫Tref

Treaccion

Cpi∗dT ] (6)

Como se presentan 3 reacciones, se calculará el calor de reacción para cada una de ellas:

Reacción 1: C6H6 + C2H4 C6H5C2H5 (R1)

∆ H fo1 (537 °R )=∑ H °f Productos−∑ H ° f Reactivos (11)

∆ H fo1 (537 °R )=[−21970357,1−35707460,3−(−12827301,6 )]BTU /lbmol

∆ H fo1 (537 °R )=−44850515,8BTU / lbmol

∫Tref

Treaccion

Cp1=∫537

1210

¿¿

∫Tref

Treaccion

Cp1=−122,65 BTU / lb

∆ H reaccion 1=96,04kmol∗1 lbmol

0,454 kmol∗−44850515,8

BTUlbmol

±

2689,12kgh

∗1 lb

0,454 kg∗122,65BTU / lb

∆ H reaccion 1=−9.488 .487 .567,27 BTU /h

Reacción 2: C6H5C2H5 + C2H4 C6H4(C2H5)2 (R2)

∆ H fo2 (537 ° R)=[−31591,8152−(−21970357,1−12827301,6 )]BTU / lbmol

∆ H fo2 (537 ° R)=34.766 .066,88 BTU / lbmol

∫Tref

Treaccion

Cp2=∫537

1210

[(1∗10−6 T 2−0,0023 T+1,5851 )−(−9∗10−8T 2+0,0005 T+0,3594+(6∗10−7T 2−0,0008 T +0,08385 )) ]dT

∫Tref

Treaccion

Cp2=−143,24 BTU / Lbmol

∆ H reaccion 2=1,47kmol∗1lbmol

0,454kmol∗34766066,88

BTUlbmol

+

41,16kgh

∗1lb

0,454 kg(−143,24 ) BTU

lb

∆ H reaccion 2=112.555.556,29BTU /h

Reacción 3: C6H4(C2H5)2 + C2H4 C6H3(C2H5)3 (R3)

∆ H fo3 (537 ° R)=−4015738,1− (−31591,8152−21970357,1 ) BTU / lbmol

∆ H fo3 (537 ° R)=17986210,8152 BTU /lbmol

∫Tref

Treaccion

Cp3=∫537

1210

[ ( 4∗10−6 T 2−0,0076T+4,1114 )−(1∗10−6 T2−0,0023T +1,5851+−9∗10−8T 2+0,0005T+0,3594 ) ] dT

∫Tref

Treaccion

Cp3=−286,088BTU /Lbmol

∆ H reaccion 3=0,49

kmol∗1 lbmol0,454kmol

∗17986210,8152BTU

lbmol+

13,72kgh

∗1 lb

0,454 kg(−286,088 ) BTU

lb

∆ H reaccion 3=19403784,5201BTU /h

∆ H reaccion Total(Treaccion)=−9.488 .487 .567,27BTU

h+112.555.556,29

BTUh

+19403784,5201BTU /h

∆ H reaccion Total(Treaccion)=−9.356 .528 .226,46 BTU /h

Sustituyendo en el balance de energía se tiene:

100806,278∗∫537

T

(2,96∗10−7 T2−1,7 6∗10−4 T+0,379 ) dTBTU

h=−9.356 .528 .226,46

BTUh

Resolviendo la ecuación (1) se tiene:

Q=19.423 .830,41BTU

h−17.559 .845,81

BTUh

+(−9.356 .528 .226,46BTU

h )Q=−9.354 .664 .241,86

BTUh

Finalmente, el calor que debe ser removido del reactor es 9.354 .664 .241,86BTU

h,

este valor tan elevado se debe a que la reacción para la producción de Etilbenceno es

sumamente exotérmica, razón por la cual se utilizan corrientes de reciclo para con sistema

de refrigeración interno tal como se señala en la figura 3, para mantener la temperatura en

el reactor, además que la reacción se da en fase vapor y el reactor opera a una alta presión

(260psig), aunado a ello la reacción es sumamente exotérmica.

REFERENCIAS

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