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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