UNIVERSIDAD DE GUADALAJARACENTRO UNIVERSITARIO DE LA CIÉNEGA DISEÑO DE REACTOR PARA LA PRODUCCIÓN DE ESTIRENO. Análisis y diseño de reactores Romero Aguilar Christi Juliana. Ingeniería Química 8vo semestre 212378742 24/05/2016 Contenido Análisis y diseño de reactores. 2016-B. Página 2 . Diseño de reactor para la producción de estireno. La producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica en fase gas y el H2 formado puede quemarse para aportar calor al reactor. costos. El estireno se utiliza principalmente para la producción de muchos materiales poliméricos diferentes siendo el más importante el poliestireno. Otra aplicación importante es en la producción de látex de estireno- butadieno. El proceso del estireno fue desarrollado en la década de 1930 de manera independiente y simultanea por BASF en Alemania y por Dow Chemical en los EE. el cual es una fuente de calor y esta favorece a la conversión de estireno. los modelos matemáticos que rigen el proceso. estireno-acrilonitrilo- estireno (ABS). perfiles de conversión. el estireno es producido por la deshidrogenación del etilbenceno. El estireno se produce en la industria principalmente por dos procesos: Análisis y diseño de reactores. 2016-B. gasto energético y las condiciones para operar de manera segura el equipo. La producción de estireno se favorece por temperaturas altas y bajas presiones de H2. Introducción El estireno es utilizado en la fabricación de una gran gama de productos poliméricos como el poliestireno y elastómeros copolímeros (caucho de butadieno-estireno) entre otros. La deshidrogenación es liberada a calor en presencia de vapor de agua. así como las dimensiones y material del equipo. Página 3 . El catalizador más utilizado puede estar constituido por una mezcla de Fe2O3 y Cr2O3. Diseño de reactor para la producción de estireno. La producción mundial en la actualidad es de aproximadamente 20 millones de toneladas por año. tomando en cuenta la química de la reacción. temperatura y presión.UU. En el presente trabajo tiene por objetivo realizar el diseño de un reactor para la producción de estireno a escala industrial. Antecedentes El estireno es uno de los monómeros más importantes en la industria petroquímica moderna. Diseño de reactor para la producción de estireno. 2016-B. Página 4 . La ruta de deshidrogenación catalítica. en la que el potasio promovido como catalizador de oxido de hierro es típicamente utilizado desde 1957. presenta más del 90% de la capacidad mundial. El proceso se puede ejecutar industrialmente ya sea adiabática o isotérmicamente en un reactor de lecho fijo. 1. Deshidrogenación de etilbenceno en presencia de vapor de agua sobre la base de oxido de hierro como catalizadores 2. Reacción principal: C6H5-CH2-CH3 C6H5-CH=CH2+H2 Reacciones paralelas: C6H5-CH2-CH3 C6H6+C2H4 C6H5-CH2-CH3+H2 C6H5-CH3+CH4 C6H5-CH=CH2+2H2 C6H5-CH3+CH4 Expresiones de velocidad de reacción: 𝑃 𝑃𝐻2 𝑘1 𝐾𝐸𝐵 [𝑃𝐸𝐵 − 𝑆𝑇 𝐾𝑒𝑞 ] 𝑟𝐶1 = (1 + 𝐾𝐸𝐵 𝑃𝐸𝐵 + 𝐾𝐻2 𝑃𝐻2 + 𝐾𝑆𝑇 𝑃𝑆𝑇 )2 𝑘2 𝐾𝐸𝐵 𝑃𝐸𝐵 𝑟𝐶2= (1 + 𝐾𝐸𝐵 𝑃𝐸𝐵 + 𝐾𝐻2 𝑃𝐻2 + 𝐾𝑆𝑇 𝑃𝑆𝑇 )2 𝑘3 𝐾𝐸𝐵 𝑃𝐸𝐵 𝐾𝐻2 𝑃𝐻2 𝑟𝐶3= (1 + 𝐾𝐸𝐵 𝑃𝐸𝐵 + 𝐾𝐻2 𝑃𝐻2 + 𝐾𝑆𝑇 𝑃𝑆𝑇 )2 Análisis y diseño de reactores. produce la mayor parte del estireno. El primer proceso. Como un subproducto en la epoxidación de propeno con hidroperóxido de etilbenceno y Mo complejo a base de catalizadores. Ecuaciones y modelos matemáticos. 2016-B. Para el cálculo de Keq: ∆𝐺 𝑜∆ 𝐾 = 𝑒𝑥𝑝 (− ). 3. 4 y j= EB. ST. Datos fisicoquímicos: ∆𝐺 𝑜 = ∆𝐻 𝑜 − 𝑇∆𝑆 𝑜 Con Análisis y diseño de reactores. 𝑦 𝐾𝑒𝑞 = 𝐾(𝑃𝑜 ) 𝑅𝑇 Dónde Po es el estado estándar de presión (1 bar). Página 5 . Los parámetros de velocidad están dados por la tabla ffdde. 2. Diseño de reactor para la producción de estireno. H2. 𝑘4 𝐾𝑆𝑇 𝑃𝑆𝑇 𝐾𝐻2 𝑃𝐻2 𝑟𝐶4= (1 + 𝐾𝐸𝐵 𝑃𝐸𝐵 + 𝐾𝐻2 𝑃𝐻2 + 𝐾𝑆𝑇 𝑃𝑆𝑇 )2 𝑃𝑆𝑇 𝑃𝐻2 𝑟𝑡1 = 𝑘𝑡1 (𝑃𝐸𝐵 − ) 𝐾𝑒𝑞 𝑟𝑡2 = 𝑘𝑡2 𝑃𝐸𝐵 𝑟𝑡3 = 𝑘𝑡3 𝑃𝐸𝐵 Dónde: 𝐸𝑖 𝑘𝑖 = 𝐴𝑖 𝑒𝑥𝑝 (− ) 𝑅𝑇 𝐸𝑡𝑖 𝑘𝑡𝑖 = 𝐴𝑡𝑖 𝑒𝑥𝑝 (− ) 𝑅𝑇 ∆𝐻𝑗 𝐾𝑗 = 𝐴𝑗 𝑒𝑥𝑝 (− ) 𝑅𝑇 Para i=1. Del apéndice A. y los parámetros termodinámicos en la tabla firfje. 00143 𝑇 1.15 Cálculo de capacidades caloríficas en forma de función cúbica de T: 𝐶𝑝𝑗 = 𝑎𝑗 + 𝑏𝑗 𝑇 + 𝑐𝑗 𝑇 2 + 𝑑𝑗 𝑇 3 El coeficiente es dado por la tabla grfdfs del apéndice A. Página 6 .005 𝑊 𝑧= = 0.484 m2 W=43834 kg catalizador Φ= 0.15 +∫ ∆𝐶𝑃𝑜 𝑑𝑇 298.37 bar n (C8H10)= 106 gr mol T0= 893 K Análisis y diseño de reactores.75 𝐷𝐴𝐵 = 1/2 1/3 1/3 𝑃𝑀𝐴𝐵 [(Σ𝑣)𝐴 + (Σ𝑣)𝐵 ] Cálculos Ac= 38.15 +∫ ∆𝐶𝑃𝑜 𝑑𝑇 298. 𝑇 𝑜 ∆𝐻 𝑜 = ∆𝐻298. 2016-B.8009 𝑚 𝜌𝑐 (1 − 𝜙)𝐴𝑐 PEBo=0. Diseño de reactor para la producción de estireno.0832 PTo= 2.15 𝑇 𝑜 𝑜 ∆𝑆 = ∆𝑆298.197184 bar YEB= 0. Cálculo del coeficiente de difusión de diferentes especies en una mezcla de gases: 0. 02788 x 10-3 yH2O= 0.1789 𝑃𝐴 = 𝑦𝐴 𝑃0 Resultados: PEB=0. Datos yEB=0.0832 B= 3.14483 x 10-4 yT= 5.0100495 yB= 3.832 yST=8.8472 x 10-4 ΘT= 7. 𝑛𝑅𝑇 𝑣= = 94.9153 ΘH20= 11.17294 x 10 -5 bar E= 0.0012 PAo= 0.95 x10 -5 Análisis y diseño de reactores.385786 x 10 -3 bar PST= 1.4485 x 10-5 ΘB= 4.5893 𝑚3 𝑃 𝑃𝐸𝐵𝑜 𝐶𝐸𝐵𝑜 = = 2. Página 7 .98160 x 10 -3 bar PH2O= 2.655891 𝑥 10−3 𝑚𝑜𝑙/𝐿 𝑅𝑇0 FAo=707 Kmol/h 𝐹𝐴𝑜 𝑣0 = = 266.197184 bar PT=1.3612 x 10-4 ΘST=0. 2016-B.16926 bar PB= 8.2007 𝑚3 /ℎ 𝐶𝐸𝐵𝑜 Tabla 1. Diseño de reactor para la producción de estireno. 4867 𝑥1011 Análisis y diseño de reactores.3449 𝛽0 = 2.01728 𝑚2 𝑊 𝑍= = 1783.25 𝑉𝑇 = 0.4846 m2 𝑊 = 43. Diseño de reactor para la producción de estireno.05672 𝑚3 𝑑𝑃 −𝛼 𝑇[𝑊] 1 𝐹𝑇 𝐺(1 − 𝜙) = ( )= [1.1286 G= 5620. h/ Kg mol Ac= 38. 2016-B.834 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑡.28 Ρ0=0.756] 𝑑𝑊 2 𝑇0 𝑃[𝑤]/𝑃0 𝐹𝑇0 𝑔𝑐 𝜌0 𝐷𝑝 𝜙 3 μ= 0.0055 𝑚(𝜋) = 0. 𝑊 = [(1 − 𝜙)𝐴𝑐 𝑍]𝜌𝑐 𝐴𝑐 = 0. W/FoEB= 62 kg cat.8888 𝑚 𝜌𝑐 (1 − 𝜙)𝐴𝑐 𝑑𝑇 (−𝑟𝐴 )(−Δ𝐻𝑅 (𝑇)) = 𝑑𝑊 𝐹𝐴0 (ΣΘ𝑖 𝐶𝑝𝑖 + 𝑥Δ𝐶𝑝 ΣΘ𝑖 𝐶𝑝𝑖 = 𝐶𝑝𝐸𝐵 . Página 8 . Δ𝐶𝑝 = 𝐶𝑝𝑆𝑇 + 𝐶𝑝𝐻2 + 𝐶𝑝𝐸𝐵 𝑑𝑇 (−𝑟𝐴 )(−87690) = 𝑑𝑊 (707000)(𝐶𝑝𝐸𝐵 + 𝑋[𝑊](𝐶𝑝𝑆𝑇 + 𝐶𝑝𝐻2 + 𝐶𝑝𝐸𝐵 ) 𝑑𝑥 −𝑟𝐴 = 𝑑𝑊 𝐹𝐴0 2𝛽0 𝐺(1 − 𝜙) 𝛼= 𝛽0 = [1.756] 𝐴𝑐(1 − 𝜙)𝜌𝑐 𝑃𝑐 𝑔𝑐 𝜌0 𝐷𝑝 𝜙 3 𝑊𝑉 = (1 − 𝜙)𝜌𝑐 = 2486. 𝟏𝟔𝟖 ⁄𝑲𝒎𝒐𝒍) 𝑨𝒄 = = 𝑲𝒈 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟐𝟗𝟖𝟐𝒎𝟐 Para cada tubo 𝑮 𝟎. 𝑑𝑃 −𝛼 𝑇 𝑃02 = (1 + 𝜀𝑥) 𝑑𝑊 2 𝑇0 𝑃 𝛼 = 3.6169 = −1. 𝟎𝟎𝟐𝟗𝟖𝟐𝒎𝟐 ) 𝑫=√ =√ = 𝟎.223 watts Potencia = 0. Página 9 .200223 Kw Análisis y diseño de reactores. 𝟎𝟏 + 𝟏.89 m. Diseño de reactor para la producción de estireno.𝟎𝟎𝟎𝟓𝟑𝐦)𝟐 = = 𝟏. = = = 313 tubos 𝑾𝒂𝒅𝒎𝒊𝒕𝒊𝒅𝒐 𝟐𝟎 (𝟎. 𝑭 𝒎á𝒔𝒊𝒄𝒐 𝑸 𝝆 𝑽= = = 𝟎.5708*10^-5) =200. 𝟎𝟔𝟏𝟔𝟏 𝒖𝒏 𝒑𝒂𝒓𝒂 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒕𝒖𝒃𝒐 𝝅 𝜋 Potencia para el compresor mediante la ecuación de Bernoulli: 𝐏𝟏 𝑽𝟏 𝟐 𝑷𝟐 𝑽𝟐 𝟐 + + 𝒁𝟏 + 𝒉𝑨 + 𝒉𝑹 + 𝒉𝑳 = + + 𝐙𝟐 𝛄 𝟐𝒈 𝜸 𝟐𝒈 𝑽𝟏 𝟐 𝑷𝟏−𝑷𝟐 𝑽𝟐 𝟐 Como 𝒁𝟏 = 𝒉𝑹 = 𝒉𝑳 = =𝟎 𝒉𝑨 = + + 𝐙𝟐 𝟐𝒈 𝜸 𝟐𝒈 Z=1.009 m.83459 𝑥 106 𝑑𝑃 𝑇[𝑊] 5.91729 𝑥106 ( ) (1 + 𝑋[𝑊]) 𝑑𝑊 893 𝑃[𝑊] Cálculos para el compresor: 𝑾𝒄𝒂𝒕𝒂𝒍𝒊𝒛𝒂𝒅𝒐𝒓 𝟔𝟐𝟓𝟎. 𝟐𝒈 𝟐(𝟗.𝟔𝟗𝟓𝟑 𝑵𝒐.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟏𝟎𝟔𝟕𝟒𝟗𝑲𝒎𝒐𝒍⁄ 𝑲𝒈 𝑭𝒆𝒐𝑷𝑴 𝒔𝒆𝒈)(𝟏𝟎𝟔. 𝟒𝟏𝒙𝟏𝟎−𝟖 = 18. 2016-B. 𝟗𝟗𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 ∗ 𝟏𝟎−𝟖 𝐦𝒉𝑨 = 𝟏𝟔.𝟖𝟏𝐬) Potencia =𝒉𝑨 𝛄𝑸=1(18.009m)(707791Kg/m^2s^2)(1. 𝟎𝟎𝟎𝟓𝟑 𝒎⁄𝒔 𝑨 𝑨 𝑽𝟐 𝟐 (𝟎.𝟑𝟖 ⁄ 𝟐 𝒎 ∗𝒔𝒆𝒈 𝟒𝑨𝒄 𝟒(𝟎. ∆𝑻 𝒒= 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 + 𝑹𝟑 + 𝑹𝟒 R1= R convectivo interior R2= R conductiva R3= R conductiva del aislante R4= R convectiva exterior 𝒘 𝒘 𝒉𝒊𝒏𝒕 = 𝟏.566*10^-1) + (1/3)(4.(1/3)(3.07820) = 0.243) .022*10^-4) .07*10^-1= -0.(1/3)(28.129*10^-8) + (1/3)(4.66 ε= (0.131*10^-8) -1.743*10^-1) + (1/3)(5.117 Δα= . 𝟖𝟔𝒎𝟐 Valor del aislante usado: fibra de vidrio Análisis y diseño de reactores. Diseño de reactor para la producción de estireno.765*10^-4) +(1/3)(8.5.33*10^-4 Δβ= .(1/3)(4.755*10^-8) + (1/3)(1. 2016-B.(1/3)(33.12*10^-2) . Página 10 .(1/3)(9.81*10^-4= 1.247) + 43.158*10^-1) + (1/3)(5.07820 δ= 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 – 1 = 0.0516 Δγ= .301*10^-8= .933*10^-8) + (1/3)(7.345*10^-5) + (1/3)(1.016*10^-4) – (1/3)(2.66)(0. 𝟗𝟖𝟔𝒎𝟐 𝑨𝒆 = 𝟑.805)+ (1/3)(19.124*10^1) + (1/3)(1.197*10^-5) + 4. 𝟎𝟕𝟕 𝟐 𝒉𝒆𝒙𝒕 = 𝟓𝟎 𝟐 𝒎 𝑲 𝒎 𝑲 𝑨𝟎 = 𝟐.350)+(1/3)(3.911) – (1/3)(24.931 Δβ= . ε=δ Yeo Yeo=Peo/P= 0.7.(1/3)(6.91*10^-8) + (1/3)(1.84*10^-8 Cálculos del aislante: Ecuación para la transferencia de calor de una pared esférica compuesta.091= 21. 𝟏𝟎𝟗/𝟏.4 0. 𝟏𝑿𝟏𝟎−𝟑 = 𝟒𝒌𝑾 Análisis de Resultados Gráfica1. 𝒘 𝑲 = 𝟎. Kg DE CATALIZADOR 5 10 15 20 Análisis y diseño de reactores. 𝟏𝟎𝟗𝑿𝟏𝟎−𝟒 𝒉𝒊𝒏𝒕 𝑨𝟎 𝑰𝒏(𝒓𝟐 /𝒓𝟏 ) 𝑹𝟐 = = 𝟑. 𝟒𝑿𝟏𝟎−𝟑 + 𝟎. X 0. 𝟒𝑿𝟏𝟎−𝟑 𝟐𝛑𝑲𝑳 𝑰𝒏(𝟏. 𝟎𝟎𝟗𝟐) 𝑹𝟑 = = 𝟎.2 0. 𝟔𝟏) 𝟏 𝑹𝟒 = = 𝟓. 𝟐𝟓𝟖𝟗 𝟐𝛑(𝟎.3 0. Página 11 . 𝟏𝑿𝟏𝟎−𝟑 𝒉𝒆 𝑨𝒆 (𝟏𝟒𝟎𝟎 − 𝟐𝟗𝟖) (𝟏𝟒𝟎𝟎 − 𝟐𝟗𝟖) 𝒒= 𝒒= 𝑹𝟏 + 𝑹𝟐 + 𝑹 𝟑 + 𝑹𝟒 𝟑. 2016-B. 𝟏𝟎𝟗𝑿𝟏𝟎−𝟒 + 𝟑.1 W. 𝟎𝟑𝟔 𝒎𝟐 𝑲 𝟏 𝑹𝟏 = = 𝟑. 𝟎𝟑𝟔)(𝟏. 𝟐𝟓𝟖𝟗 + 𝟓. Diseño de reactor para la producción de estireno. Conversión contra peso de catalizador. Kg DE CATALIZADOR 5 10 15 20 Gráfica 3. Kg DE CATALIZADOR 5 10 15 20 0. Página 12 . Gráfica 2.75 0. Diseño de reactor para la producción de estireno. 2016-B. Temperatura/ Peso de Catalizador TT (K) ºK 920 910 900 890 880 870 W.5 Análisis y diseño de reactores.25 2 1.75 1. Presión / Peso del catalizador P atm P (atm) 2.25 W.5 1. Diseño de reactor para la producción de estireno. P/ Peso catalizador. Página 13 . X 2 1. Kg DE CATALIZADOR 5 10 15 20 Planos. X. 2016-B. Gráfica 4.5 1 0. Análisis y diseño de reactores.5 W. P. material y dimensiones Discusión Conclusión Bibliografía Apéndices Manual de seguridad. 2016-B. Diseño de reactor para la producción de estireno. Análisis y diseño de reactores. Página 14 .