Reactores ParteIII Individual, etilenglicol

Universidad Autónoma de Nuevo León

Facultad de Ciencias Químicas

Ingeniería Química

Proyecto de Diseño de Reactores

Curso impartido por el Dr. Javier Rivera de la Rosa

Alumno: Julio Daniel Mancilla Rendón Matrícula: 1189573

Grupo 01 7º semestre

Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León a lunes 14 de mayo de 2012

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I.- Reacción química seleccionada La reacción seleccionada para el proyecto es la síntesis del 1,2-etanodiol (etilenglicol) mediante la hidratación del óxido de etileno (oxirano) de la siguiente manera:

26224242 OHCOHOHC SOH

El oxirano y el 1,2-etilenglicol son solubles en agua por completo, por lo que no hay necesidad de adquirir ningún otro solvente, la reacción es exotérmica y para evitar pérdidas de los componentes volátiles (principalmente el oxirano) la reacción se lleva a cabo a bajas temperaturas mediante un serpentín intercambiador de calor se regula la transferencia de calor. Una ventaja es que el producto (etilenglicol) es ampliamente usado como anticongelante, de este modo podemos usar nuestro mismo producto para mantener las bajas temperaturas del agua sin problemas de solidificación. La reacción es catalizada a un pH ácido por lo que al volumen de agua introducido al reactor se le agrega un 0.5% p/p de H2SO4. Al llevar a cabo la reacción a baja temperatura aumenta la selectividad de nuestra reacción al evitar productos indeseables de reacciones secundarias como dietilenglicol, trietilenglicol, acetaldehído o productos de la polimerización del oxirano. Debido a que la reacción es llevada a cabo en fase líquida y requiere un control de la temperatura adecuado se opta por diseñar un reactor CSTR. La cinética de esta reacción ha sido estudiada en la investigación de Georges A. Melhem, Arturo Gianetto, Marc E. Levin, Harold G. Fisher et Al1. La expresión cinética propuesta se resume como:

30 BAA CCkr

Debido a que CB es la concentración de agua y este se utiliza en exceso a gran medida ya que aparte de ser reactivo es el solvente se observa un comportamiento cinético de pseudo primer orden:

AA kCr

Donde:

30

3

33

0

18880

·338

B

RTE

Ckk

gmolcalE

sKmol

mA

Aek


II.- Tamaño de Planta Para estipular los objetivos de la producción se tomaron en cuenta los datos proporcionados por el INEGI2 los cuales nos muestran la importación al país del 1.2-etilenglicol, esto refleja la necesidad del país de este químico y por ende la necesidad de producirlo. En la Tabla I se resume la información de importación y el tamaño de planta para este reactor, el cual tiene como meta cubrir mínimo el 0.5% de la demanda del producto con un solo reactor. Tabla I. Importación y tamaño de planta para el etilenglicol.

Especie Importaciones Tamaño de planta

Etilenglicol kg/año mol/año dólares kg/año mol/año

208,881,873 3.36526*109 121,449,832.00 1,044,410 1.68453*107 La planta tomará el último mes del año (diciembre) para mantenimiento y reorganización del equipo, por lo que se laborarán 330 días al año, cubriendo las 24 horas del día con 3 turnos de 8 horas cada uno, dando un total de 7, 920 horas de producción anuales con una meta de 132 Kg/h de etilenglicol.

III.-Protocolo de resolución. 1.- Esquema de la unidad de proceso CSTR

*Se adjuntan esquemas realizados a escala.


2.- Reacción

262242 OHCOHOHC H

CBA H

3.- Reactivo limitante Como se mencionó anteriormente el agua se utiliza tanto como reactivo como solvente y se encuentra en exceso por lo que el oxirano es el reactivo limitante (A).

4.- Tabla estequiométrica Tabla II. Tabla estequiométrica para la producción de 1,2-etanodiol.

Especie Entrada Cambio Salida Concentración

Oxirano FA0 - FA0X FA= FA0 (1 - X)

T

T

X

XCC A

A00

)1(

)1(

Agua FB0 - FA0X FB = FA0 (θB - X)

T

T

X

XCC BA

B00

)1(

)(

1,2-etanodiol FC0 FA0X FC = FA0 (θC +X)

T

T

X

XCC CA

C00

)1(

)(

Las ecuaciones fueron tomadas considerando:

iAy

ZZPPXZ

Z

T

T

P

Pvv

0

00

00

00 1


5.- Tabla auxiliar

6.- Tabla de propiedades termodinámicas Especie CPi (J·mol-1·K-1) ΔH°i (J/mol) @ 25°C A 86.0737 -51818.5 B 76.3596 -285840 C 149.5 -455000

ΣθiCPi = 12,393.3 J·mol-1·K-1 ΔH°Rx = -117,341.5 J/mol ΔCP = -12.933 J·mol-1·K-1

7.- Ecuaciones de Diseño Al combinar las ecuaciones y reordenar el balance de materia queda:

0

0

00

00

00

00000

1

1

1

1

1

1

T

T

Xk

XXv

T

T

XkC

XXCvV

T

T

X

XCk

XCv

kC

XCv

kC

XFV

BM

BMBM

BMA

BMBMA

BM

BMA

BMA

salidaA

BMA

salidaA

BMA

Especie νi θi A -1 1 B -1 160 C 1 0.6

ε = -0.00621

hvV

Ckk

Aek

kCr

r

XFV

B

RTE

AA

salidaA

A

06719.0/ 0

30

0

0


0

11

1

1

002

200

0

00

kTXkTTXTX

TXTXXkTkT

TXXTXk

T

T

Xk

XX

v

V

BMBMBM

BMBMBM

BMBMBM

BM

BMBM

000 kTXkTTTX BMBM

K

h

mh

mol

ehmol

mh

XK

h

mh

mol

ehmol

mhTTX

TKmol

Jmol

J

BM

TKmol

Jmol

J

BM

16.273

8839.14

800000

·0012168.006719.0

16.273

8839.14

800000

·0012168.006719.000621.0

3

3

)(·

314.8

8.79046

3

33

3

3

)(·

314.8

8.79046

3

332

Las temperaturas en la ecuación son manejadas en kelvins. Debido a que es una ecuación cuadrática respecto a la conversión se tiene que resolver mediante un método numérico, un programa computacional matemático o mediante la ecuación general cuadrática. El balance de energía del sistema queda:

00

)(

0

TTCTTCHXF

TTUAPiiRPTRRX

A

a

Al reordenar y sustituir los valores conocidos obtenemos:

KTKTTmAKmh

JU Ra 15.29816.2733

··390985 0

2

2


RPTRRX

Pii

A

a

BETTCH

TTCF

TTUA

X

0)(

0

0

KTKmol

J

mol

J

KTKmol

J

h

mol

TKmKmh

J

X

15.298·

933.125.117341

16.273·

3.12393

5000

16.2733··

390985 2

2

Los cálculos de balance de materia se llevaron a cabo utilizando las medidas de un reactor comercial de 1 metro cúbico de capacidad con tapa cuyas medidas óptimas son D=H=1.084 metros.

Tabla III. Flujos de entrada al reactor. Especie Flujo molar

(mol/h) Flujo volumétrico

(m3/h) A 5000.000 0.2497 B 800000.0 14.448 C 3000.000 0.1862

8.- Solución Al graficar la conversión en función de la temperatura del reactor observamos que las condiciones donde ambas ecuaciones se satisfacen son a una conversión X = 0.662 a una temperatura de 279.3 K (6.14 °C).


Con la conversión obtenida podemos calcular los flujos de salida del reactor.

Tabla IV. Flujos de salida del reactor. Especie Flujo molar

(mol/h) Flujo volumétrico

(m3/h) A 1690 0.097888 B 796690 14.38822 C 6310 0.391662


9.- Análisis de múltiples estados estacionarios. Se realizó un análisis de múltiples estados estacionarios para el reactor CSTR propuesto, para el análisis se utilizaron las ecuaciones correspondientes de calor generado por reacción y la del calor eliminado por intercambio las cuales son deducidas a partir del reacomodo de la ecuación de balance de energía para un CSTR considerando que no hay expansión ni contracción (ε→0) de la mezcla reaccionante y ΔCP = 0.

))(1(00

cPRx TTCHX

Calor generado:

00 /)( AARx FVrHTG

Calor eliminado:

cP TTCTR 1)( 0

Donde

10

00

0

TTT

FC

UA

CC

ac

AP

PiP i

Con los datos proporcionados se procedió a reescribir la ecuación de calor generado por la reacción combinándola con la ecuación de balance de materia para el CSTR tomando en cuenta una reacción de primer orden global.

30

30

0

0

0

00

1)(

1)(

1

)(

/)(

BRTE

BRTE

Rx

RTE

Rx

Rx

AARx

CAe

CAeHTG

Aek

k

kHTG

k

kX

XHTG

FVrHTG


3

3

)(·

314.8

8.79046

3

33

3

3

)(·

314.8

8.79046

3

33

8839.14

800000

·0012168.006719.01

8839.14

800000

·0012168.006719.05.117341

)(

h

mh

mol

ehmol

mh

h

mh

mol

ehmol

mh

mol

J

TG

TKmol

Jmol

J

TKmol

Jmol

J

Al graficar el calor generado en función de la temperatura obtenemos la siguiente gráfica:

Esta gráfica tiene la forma sinuosa característica de la función G(T).


Con los valores con los que se cuentan se calculó el parámetro κ = 0.018929 y posteriormente se calculó el parámetro Tc para diferentes temperaturas de inicio del proceso.

T01 T02 T03 T04 T05 T06

260 265 270 275 280 285

Tc1 Tc2 Tc3 Tc4 Tc5 Tc6

260.244 265.152 270.059 274.966 279.873 284.78

Temperaturas en K Al graficar el calor eliminado R(T) en función de la temperatura del reactor para cada temperatura inicial sobre la misma gráfica de G(T) se obtiene:

Observamos en este gráfico que gracias a la pendiente adoptada por las curvas de R(T) y G(T) solo existe un punto de intersección de la curvas de calor generado y calor eliminado para cada temperatura inicial del sistema, es decir, que para este reactor analizado no existen múltiples estados estacionarios y cada temperatura inicial tiene solo una temperatura de proceso.


Conclusiones: La temperatura es adecuada ya que no supera los 10.4°C que es el punto de ebullición normal del oxirano. Con la conversión lograda se obtienen 6,310 mol/h de etilenglicol, recordando que se utiliza un flujo de producto en la corriente de entrada (3000 mol/h de etilenglicol) logramos producir realmente 3,310 mol/h de producto, esto traducido a producción anual son 26,215,200 mol/año es decir 1,627,177.464 Kg/año equivalentes al 0.78% de la demanda anual del producto cumpliendo con las expectativas planeadas para este reactor. No se tiene MEE en este sistema, por lo cual no tenemos temperatura de ignición ni extinción de la reacción, sin embargo se maneja el control de la temperatura debido a la volatilidad del reactivo limitante (óxido de etileno). La planta podrá trabajar varios reactores de este tipo trabajando en paralelo aumentando la capacidad de producción, como cada reactor trabajaría de la misma forma la producción se multiplicaría también por el número de reactores operando, es decir 3,310 mol·h-1·n-1 donde n es el número de reactores operando en paralelo.

Referencias:

1. Georges A. Melhem, Arturo Gianetto, Marc E. Levin, Harold G. Fisher, Simon Chippett, Surendra K. Singh y Peter I. Chipman. Kinetics of the Reactions of Ethylene Oxide with Water and Ethylene Glycols, Process Safety Progress, Vol. 20, No. 4, Diciembre 2001, Estados Unidos.

2. Instituto Nacional de Estadística y Geografía (México). Anuario estadístico del comercio exterior de los Estados Unidos Mexicanos 2009 : importación en dólares / Instituto Nacional de Estadística y Geografía.-- México : INEGI, c2010.ISSN 0188-8803

3. Octave Levenspiel, Ingeniería de las reacciones químicas, Tercera Edición, editorial Limusa, S.A. de C.V.

4. Fogler, H. Scott, Elementos de ingeniería de las reacciones químicas, 4ª Edición en español,

Pearson Educación, México, 2008

5. http://www.americanchemistry.com/ProductsTechnology/Ethylene-Oxide/EO-Product-Stewardship-Manual-3rd-edition/EO-Product-Stewardship-Manual-Figures-Tables.PDF

6. http://www.esiqie.mx/servicios/ts/ETILENGLICOL.pdf


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