UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Acadm!co de In"en!er#a Q$#m!ca
%DISE&O DE UN REACTOR 'ARA 'ARA LA 'RODUCCI(N DE )CIDO ACRÍLICO A 'ARTIR 'ARTIR DEL 'RO'ILENO*
INTEGRANTES+
Mamani Rojas, Fanny Marca Salcedo, Junior Mateo Chepe, Eduardo Pérez Bazán, alter Ruiz !lallire, Rolando
DOCENTES+
"n#$ Marcos Surco %l&arez !"M' ( PER) *+-
* Índ!ce "enera,
.ndice #eneral$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$* .ndice .ndice de ta/las$$$$$$ ta/las$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 0 .ndice .ndice de 1i#uras$$$ 1i#uras$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 2 "ntroducci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 Re&isi3n de la literatura$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$5u6mica del producto$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7 5u6mica de los reactantes$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ 8ecnolo#6a de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$* 8ermodinámica de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$0 Cinética de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 Mecanismo de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 9elocidad de reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 :atos cinéticos e;perimentales$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 :ise
:ise Balance de ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$> :ise
* Índ!ce "enera,
.ndice #eneral$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$* .ndice .ndice de ta/las$$$$$$ ta/las$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 0 .ndice .ndice de 1i#uras$$$ 1i#uras$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 2 "ntroducci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 Re&isi3n de la literatura$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$5u6mica del producto$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7 5u6mica de los reactantes$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ 8ecnolo#6a de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$* 8ermodinámica de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$0 Cinética de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 Mecanismo de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 9elocidad de reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 :atos cinéticos e;perimentales$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4 :ise :ise Balance de ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$> :ise
0 Índ!ce de ta-,a. 8a/la 8a/la $ Propiedades 16sicas del ácido acr6lico ?:@, ?:@, *+*A$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$ $$> > 8a/la *$ Capacidad calor61ica del ácido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$> 8a/la 8a/la 0$ Propiedades u6micas del ácido acr6lico ?aDs, ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$> $$> 8a/la 8a/la 2$ Puntos de e/ullici3n del a#ua para di1erentes presiones ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$ > 8a/la 8a/la 4$ Propiedades Propiedades 16sicas del a#ua ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$ >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$ > 8a/la -$ Capacidad calor61ica del a#ua$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ 8a/la =$ Propiedades u6micas del a#ua ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ 8a/la 7$ Propiedades 16sicas del @;i#eno ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ 8a/la >$ Capacidad calor61ica del @;6#eno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ 8a/la +$ Propiedades 16sicas del Propileno ?immel/lau, >=2A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 8a/la 8a/la $ $ Capacidad calor61ica calor61ica del Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$ 8a/la 8a/la *$ Propiedades Propiedades u6micas del Propileno Propileno ?immel/lau, ?immel/lau, >=2A$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$ $$$$$ $$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$ $$$$ 8a/la 8a/la 0$ Propiedades Propiedades 16sicas de la acrole6na ?:ean, ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$ $$$$$$* $* 8a/la 2$ Capacidad calor61ica de la acrole6na$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$* 8a/la 8a/la 4$ Propiedades u6micas u6micas de la acrole6na ?aDs, ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$ $$$$$* * 8a/la -$ :atos e;perimentales de la producci3n de ácido acr6lico ?Jap3n Patente n ==4,*7-, ==4,*7-, >=>A$$$$$$$ >=>A$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ -
2
Índ!ce de /!"$ra.
Fi#ura $8ecnolo#6as para la producci3n de ácido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7 Fi#ura *$ Molécula de ácido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7 Fi#ura 0$ Molécula del '#ua$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$> Fi#ura 2$ Molécula de @;6#eno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+ Fi#ura 4$ Molécula del Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ Fi#ura -$ Molécula de la 'crole6na$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$* Fi#ura =$ :ia#rama de Flujo para la producci3n de %cido 'cr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$2 Fi#ura 7$ E1ecto de la adici3n de 's*@0 al catalizador compuesto de 4$0>-G H/a@i, 0-$7G Mo+0, and Si+* ?Camp/ell, >=+A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$= Fi#ura >$ :ia#rama para el Balance de Ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$**
4
Introd$cc!0n En la actualidad, el ácido acr6lico presenta #ran interés industrial de/ido a ser la materia prima para la producci3n de pol6meros como el poliácido acr6lico, el poliacrilato de metilo y el polimetacrilato de metilo, pol6meros acr6licos de importantes aplicaciones$ El presente tra/ajo tiene como o/jeti&o el dise
Re1!.!0n de ,a ,!terat$ra !a ruta de o;idaci3n de propileno para 1ormar ácido acr6lico, constituye casi el >4G de la producci3n de ácido acr6lico$ Esta ruta es atracti&a a causa de la disponi/ilidad de catalizadores selecti&os altamente acti&os y el relati&o /ajo costo del propileno $El proceso con propileno 1ue lle&ado a ca/o en operaci3n por Shell Chemical Company corp$ por primera &ez en >-+$ Irandes cantidades de patentes 1ueron in&entadas so/re el proceso, tanto para el proceso con una sola etapa y el proceso por medio de dos etapas$ El proceso con propileno tiene muchas &ariantes$ n primer proceso es la con&ersi3n de propileno a acrole6na, lue#o separar la acrole6na y el propileno no reaccionado, y entonces la con&ersi3n de acrole6na a acido acr6lico en un se#unda etapa o;idati&a con catalizador$ na se#unda alternati&a di1iere de la primera en ue la separaci3n propilenoK acrole6na es omitida y la mezcla de acrole6na y propileno es catal6ticamente o;idada a acido acr6lico$ 'un otra alternati&a es la directa o;idaci3n de propileno a acido acr6lico en un solo reactor$ Cada uno de estas &ariedades tiene catalizadores selecti&os para ala acrole6na, acido acr6lico en i#ual cantidades$ !os catalizadores más recientes para la s6ntesis de la acrole6na son /asados en 3;idos de co/re y otros 3;idos de metales pesados depositados en s6lica inerte o soportes de alLmina$ 'demás, catalizadores más selecti&os para la o;idaci3n de acrole6na y acrole6na a acido acr6lico son preparados de /ismuto, co/alto, hierro, n6uel y moli/deno$ !os catalizadores pre1eridos para la se#unda etapa #eneralmente son 3;idos complejos de moli/deno y &anadio$ Sin em/ar#o, la alta selecti&idad es posi/le por la optimizaci3n de la composici3n del catalizador y las condiciones de reacci3n de cada paso el proceso de o;idaci3n de dos etapas$ !os catalizadores altamente acti&ados y selecti&os ma;imizan los rendimientos de propileno a acrole6na en la primera etapa y entonces la con&ersi3n de acrole6na a acido acr6lico resulta en una utilizaci3n más e1iciente de la materia prima$ Esa es la raz3n por la cual el proceso de o;idaci3n con dos etapas se encuentra más e;tendida ue el proceso con una simple etapa en las instalaciones comerciales$ E;isten, tam/ién, otros procesos para la producci3n de ácido acr6lico ue no in&olucran al propileno como materia prima$ 'l#unos de ellos se e;plicarán a continuaci3n$ •
Ruta /asada en acetileno alter Reppe, el padre de la u6mica del acetileno moderna, descu/ri3 la reacci3n del complejo de n6uel car/onilo con acetileno y a#ua o alcoholes para 1ormar acido acr6lico o esteres$ !a reacci3n #lo/al es CH
≡ CH + CO + H 2 O→ Ni CH = 2
CHCOOH
Este proceso da como resultado la producci3n de ácido acr6lico directamente en una sola etapa pero de/ido a los atracti&os econ3micos y mejora de la calidad del producto de la ruta de propileno, las plantas a /ase de acetileno en su mayor6a se han cerrado, o están en proceso de ser eliminado
= •
Ruta acrilonitrilo Este proceso /asado en la hidrolisis de acrilonitrilo es esencialmente una ruta de propileno ya ue acrilonitrilo es producido por la catálisis de propileno en 1ase &apor$ CH 2
= CHCH 3 + NH 3 + 1 2 O2 → CH 2 = CHCN + 3H 2O
Pero el rendimiento es /ajo comparado con el rendimiento de ácido acr6lico /asado en la directa o;idaci3n de propileno a acido acr6lico$ 'demás esta ruta reuieres de proceso adicionales y el rendimiento 1inal es mucho menor$ •
•
Proceso con cetona El proceso con cetona es lle&ado a ca/o por la pirolisis de acetona o ácido acético, reacciona con 1ormaldehido en presencia de 'lCl 0 dando *Kpropiolacetona ue se con&ierte a acido acr6lico con alcohol$ Ho es ampliamente usado comercialmente porue el intermedio *Kpropiolacertona tiene sospecha de ser carcino#énico$ Proceso con cianohidrina de etileno !a cianohidrina de etileno es hidrolizada y con&ertida a acido acr6lico $Este proceso, el primero para producir acido acr6lico 1ue reemplazado por el proceso con acetileno por ser más econ3mico$ ?Sood, >>4A
Figura 1.Tecnologías para la producción de ácido acrílico.
7 Q$#m!ca de, prod$cto )c!do acr#,!co+ El ácido acr6lico ?C 02@*A es un l6uido incoloro con un olor acre caracter6stico$ Es misci/le con a#ua y alcoholes$ El ácido acr6lico se someterá a las reacciones t6picas de un ácido car/o;6lico, as6 como reacciones de do/le enlace similares a los de los ésteres de acrilato$ Puede polimerizarse /ajo la e;posici3n prolon#ada al 1ue#o o al calor$ Si se produce la polimerizaci3n en un recipiente se puede producir la rotura &iolenta$ Es corrosi&o para los metales y tejidos$ ?:@, *+*A
Figura 2. Molécula de ácido acrílico
Propiedades F6sicas Tabla 1. Propiedades físicas del ácido acrílico (DOW 2!12"
Propiedad Peso molecular (g/mol) Densidad a 20°C (kg/m 3) Punto de e"ullici#n a atm ($) &olu"ilidad a 2'3.! $ Tabla 2. calorífica del
(
Magnitud 72.06 0! %%%.! otalmente misci"le
#apacidad ácido acrílico
)
2 $ % #p ' )*+ ×T*#&T *D &T *, &T - T(." /ol.
02!- 1!! (3a4s 1555"
A =$=44
2 *$>07-EK+
C K*$+7=7EK+2
D =$4>EK+7
E K>$+>-+EK*
Propiedades 5u6micas Tabla $. Propiedades 6uí/icas del ácido acrílico (3a4s 1555"
Propiedad Entalp6a de 1ormaci3n 400 N?NJOmolA
Ma#nitud K0*>$+
A"$a Sustancia l6uida sin olor, color ni sa/or ue se encuentra en la naturaleza en estado más o menos puro 1ormando r6os, la#os y mares, ocupa las tres cuartas partes
> del planeta 8ierra y 1orma parte de los seres &i&os está constituida por hidr3#eno y o;6#eno ?*@A$ ?:@, *+*A
Figura $. Molécula del )gua
Propiedades F6sicas Tabla %. Pun7os de ebullición del agua para diferen7es presiones (Dean 1558"
Punto de E/ullici3n ?NA 042$+4 0=0$4 0>*$=4 2+-$+4 2-$+4 2*2$*4 20$*4
Presi3n ?QPaA 4+$-+$00 *+*$-4 0+0$>7 2+4$0+ 4+-$-0 -+=$>4
Tabla . Propiedades físicas del agua (Dean 1558"
Propiedad Punto de 1usi3n ?NA Punto de e/ullici3n ?NA :ensidad ?Q#Om 0A Masa molar ?#OmolA
Ma#nitud *=0$4 0=0$4 +++ 7
Tabla 9. #apacidad calorífica del agua
(
)
2 $ #p :' )*+&T*#&T *D&T - T(;#" [ 0 − 1500 ] /ol.
(
A 00$2-EK+*
2 +$-77+EK+4
C +$=-+2EK+7
D K0$4>0EK*
Propiedades 5u6micas Tabla =. Propiedades 6uí/icas del agua (3a4s 1555"
Propiedad Entalp6a de 1ormaci3n 4>7 N?NJOmolA Entalp6a de 1ormaci3n 400 N?NJOmolA
Ma#nitud K*0$04 K*00$4+
+
Q$#m!ca de ,o. reactante. O3#"eno En condiciones normales de presi3n y temperatura, dos átomos del elemento se enlazan para 1ormar el dio;6#eno, un #as diat3nico incoloro, inodoro e ins6pido con 1ormula @*$ Esta sustancia comprende una importante parte de la atm3s1era y resulta necesaria para sostener la &ida terrestre$ ?:@, *+*A
Figura %. Molécula de O>ígeno
Propiedades F6sicas Tabla 8. Propiedades físicas del O>igeno (Dean 1558"
Propiedad Masa molar ?#OmolA :ensidad ?Q#Om 0A a *>7$4 N Punto de 1usi3n ?NA Punto de e/ullici3n ?NA Solu/ilidad ?m!O++m!A a *>0$4 N
Ma#nitud 0* 00 42$=4 >+$> 0$0
Tabla 5. #apacidad calorífica del O>ígeno
(
)
2 $ 4 #p ' )*+&T*#&T *D&T * E ×T - T(." [ 0 − 1000 ] /ol.
(
A *$-4*E+
2 $=0EK+*
C K2$207EK+-
D 7$200EK+
E K4$>>EK2
'rop!,eno Es un hidrocar/uro perteneciente a los aluenos, incoloro e inodoro$ Es un hom3lo#o del etileno$ Como todos los aluenos presenta un do/le enlace como #rupo 1uncional$ Es el se#undo compuesto más utilizado en la industria u6mica en todo el mundo$ ?:@, *+*A
Figura . Molécula del Propileno
Propiedades F6sicas Tabla 1!. Propiedades físicas del Propileno (
Propiedades Masa molar ?#OmolA :ensidad espec61ica Punto de 1usi3n ?NA Punto de e/ullici3n ?NA
Ma#nitud 2*$+7 $2>7 7=$> **4$2-
Tabla 11. #apacidad calorífica del Propileno
(
)
2 $ #p :' )*+ &T*#&T *D &T - T(;#" [ 0 − 1200] /ol.
(
A 4>$47EK+0
2 =$=EK+4
C K+$=EK+7
D *2$-+EK*
Propiedades 5u6micas Tabla 12. Propiedades 6uí/icas del Propileno (
Propiedad Entalpia de 1ormaci3n a 4>7N ?QJOmolA
Ma#nitud 7$2
Acro,e#na Es un l6uido incoloro, o amarillo, de olor desa#rada/le$ Se disuel&e 1ácilmente en a#ua y se e&apora 1ácilmente en a#ua y se e&apora rápidamente cuando se calienta$ 8am/ién se in1lama 1ácilmente$ Se pueden 1ormar peue
Figura 9. Molécula de la )croleína
Propiedades F6sicas
* Tabla 1$. Propiedades físicas de la acroleína (Dean 1558"
Propiedades Masa molar ?#OmolA :ensidad espec61ica Punto de 1usi3n ?NA Punto de e/ullici3n ?NA
Ma#nitud 4-$++$72*= 70*-
Tabla 1%. #apacidad calorífica de la acroleína
(
)
2 $ #p :' )*+&T*#&T *D&T - T(;#" [ 0 − 1500 ] /ol.
(3a4s 1555"
A +>$*2
2 K+$4+>4*
C $=+4>EK+0
D K$7+=EK+-
E -$4>70EK+
Propiedades 5u6micas Tabla 1. Propiedades 6uí/icas de la acroleína (3a4s 1555"
Propiedad Entalpia de 1ormaci3n a 4>7N ?QJOmolA
Ma#nitud K>+$2
Tecno,o"#a de ,a reacc!0n :escripci3n del Proceso El proceso de o;idaci3n del propileno para o/tener el ácido acr6lico es atracti&o de/ido a la disponi/ilidad de catalizadores altamente acti&os y selecti&os, además del costo relati&amente /ajo del propileno$ !as compa<6as Japan Catalytic Chemical Co$ y Mitsu/ishi Petrochemical Co$ o1recen licencias para la tecnolo#6a de producci3n del ácido acr6lico ?incluyendo alta calidad de catalizadoresA$ El proceso inicia con la alimentaci3n de propileno &aporizado el cual se mezcla con &apor de a#ua y aire comprimido, esta mezcla in#resa al Reactor $ !a composici3n en la alimentaci3n es t6picamente 4K= G propileno, +K0+G de &apor y el remanente de aire$ !os #ases precalentados reaccionan e;otérmicamente so/re el catalizador del primer reactor a una temperatura má;ima en el inter&alo de 00+K20+C, dependiendo de las condiciones y la selecti&idad del catalizador$ 8ranscurrida la reacci3n se descar#a todo el producto del primer reactor, la cual es acrole6na rica en mezcla #aseosa ue contiene un poco de ácido acr6lico, para ser en&iado al Reactor *, ue es similar al Reactor pero su lecho tiene un catalizador dise
0 #eneralmente decrece solo con altos incrementos de temperatura$ !a &ida del catalizador decrece con el incremento de la temperatura$ !os productos del Reactor * son en&iados al 1ondo del a/sor/edor y en1riados desde *4+C a menos de 7+C por contacto con ácido acr6lico acuoso del re1lujo$ El #as pasa a tra&és del a/sor/edor para completar la recuperaci3n del producto$ '#ua es alimentada por la parte superior del a/sor/edor a 0+K-+C para minimizar la perdida de ácido acr6lico y los #ases ue salen por la parte superior del a/sor/edor son en&iados al incinerador para ser uemados y con&ertidos a #as residual$ n poco de #as podr6a ser reciclado al Reactor para permitir el lo#ro de una 3ptima relaci3n de o;6#eno a propileno en ni&eles reducidos de &apor$ Si el ni&el de o;i#eno resultante es muy /ajo se podr6a introducir aire adicional para una mejor operaci3n del Reactor * de o;idaci3n$ El producto del 1ondo del a/sor/edor es 0+K-+G ácido acr6lico dependiendo si se eli#e el #as de reciclo con /aja alimentaci3n de &apor o alimentaci3n de aire con alto ni&el de &apor$ Para la puri1icaci3n del ácido acr6lico, el ácido acr6lico acuoso es en&iado a una columna de destilaci3n$ !a columna de destilaci3n opera a condiciones de &ac6o, por la parte superior de la columna se o/tiene a#ua de residuo, la cual es di&ida en * corrientes de 1lujo, el primero es para re1lujo en la columna de destilaci3n con la ayuda de un en1riador y la se#unda corriente es el a#ua de residuo el cual contiene menos de +$+0G en peso de ácido acr6lico y por la parte in1erior de la columna se o/tiene el producto principal el cual de i#ual manera es di&idido en * corrientes de 1lujo, el primero es para ser recirculado con la ayuda de un recalentador y la se#unda corriente es el ácido acr6lico, el cual contiene >>$>G en peso de pureza$ El proceso mediante el cual se utiliza propileno para producir ácido acr6lico acuoso se muestra en la 1i#ura =$ ?@thmer, >>7A
2
Figura =. Diagra/a de Flu?o para la producción de @cido )crílico.
Termod!n4m!ca de ,a reacc!0n Para la primera reacci3n ue se lle&a a ca/o en el primer reactor es C3 H 6 + O2
→ C3H 4O + H 2O
Se calcula los calores de 1ormaci3n para una temperatura de 4>7 N se#Ln dato de patente Para el Propileno K H f598 ,C3 H 6
= 36.342 − 0.06491×598 +3.05 ×10−5 598 × 2 K H f598 , C3 H 6
= 8.4
kJ mol
Para el '#ua K H f598 ,H 2 O
= −238.410 − 0.012256 ×598 +2.77 ×10−6 598 × 2 H f ,H 2 O = −231.35 598 K
Para la 'crole6na
kJ mol
4
= −70.760 − 0.055936 ×598 +3.87 ×10−5 598 × 2
K H f 598 ,C3H 4 O
K H f 598 ,C3 H4O = −90.4
kJ mol
Por lo tanto la entalp6a de reacci3n a la temperatura de 4>7 N es Hr598 K
Hr 598 K
598 K 598 K = Hf prod . − Hf react .
= ( −90.4 − 231.35) − ( 8.4 ) = −330.15 kJ mol
Para la se#unda reacci3n ue se lle&a a ca/o en el se#undo reactor es C3 H 4 O +
1 2
O2
→ C3 H4 O2
Se calcula los calores de 1ormaci3n para una temperatura de 400 N se#Ln dato de patente Para el %cido 'cr6lico K H f 533 ,C3H 4 O2
= −313.180 − 0.040894 ×533 +2.1 ×10−5 533 × 2 K H f 533 ,C3 H4 O2
= −329
kJ mol
Se toma el dato de la 'crole6na y se determina la entalp6a de la reacci3n a la temperatura correspondiente$ Hr533 K
Hr 533 K
533 K 533 K = Hf prod . − Hf react .
= ( −329 ) − ( −90.4 ) = −239.4 kJ mol
Se determina ue para am/as reacciones se li/erara calor por ser e;otérmicas$
C!nt!ca de ,a reacc!0n Mecan!.mo de ,a reacc!0n
!a reacci3n #lo/al de 1ormaci3n del ácido acr6lico a partir del Propileno es C3 H 6 +
3 2
O2
→ C3 H 4 O2 + H 2 O
El mecanismo para la producci3n del ácido acr6lico utiliza dos etapas en las cuales el Propileno es primeramente o;idado en acrole6na ?C 02@A y lue#o es o;idado a ácido acr6lico$ era etapa Formaci3n de la acrole6na C3 H 6 + O2
→ C3 H 4O + H 2O...(α )
*da etapa Formaci3n del ácido acr6lico C3 H 4 O +
1 2
O2
→ C3 H 4 O2 ...( β )
Ve,oc!dad de reacc!0n (α )
!as reacciones ue se dan son irre&ersi/les$ !a cinética de las reacciones
y
(β )
, respecti&amente, son las si#uientes
r1
= 16.7 ×10−6
−47.4×106
kmol m
3
× s × Pa
0.4092
×e
R×T
−108
r2
= 3 × 1010
L mol × s
×e
J kmol
× P propileno0.44 × Poxigeno 0.93...( θ )
kJ mol
RT
× Cacrolina × Coxigeno ...( φ )
Dato. c!nt!co. e3per!menta,e. !a producci3n del ácido acr6lico partiendo del propileno es uno de los métodos de o/tenci3n más utilizados en la actualidad, del cual es posi/le encontrar datos e;perimentales a di1erentes condiciones de operaci3n, como la si#uiente$
= Tabla 19. Da7os e>peri/en7ales de la producción de ácido acrílico ('apón Pa7en7e nA ==289 15=5" Composición de la mezcla aseosa % po! #ol$men) inicial !eac"an"e (
O%ieno& '!opileno
iempo de !eacción Concen"!ación de la sol$ción ac$osa !es$l"an"e de cido ac!+lico (/". %)
Con#e!sión del p!opileno
empe!a"$!a de la !eacción ()
'!opileno
emplo 1
4--
5.5
10.0
12.5
0.03
2.28
46
49.5
95.2
emplo 2
4--
6.0
15.0
13.7
0.13
2.28
520
31
94.2
emplo 3
4--
3.0
10.0
8.1
0.03
2.70
264
50.0
94.1
emplo 4
4--
6.0
12.0
13.7
0.04
2.28
328
40.0
95.3
emplo 5
4-7
7.0
5.0
14.0
0.02
2.00
430
55.0
95.5
emplo 6
4--
4.0
20.0
10.0
0.04
2.50
241
33.0
95.7
emplo 7
4--
5.5
10.0
12.5
0.02
2.28
500
50.4
96.5
emplo 8
4-
5.5
10.0
12.5
0.03
2.28
208
50.0
95.9
emplo 9
4-0
5.5
10.0
12.5
0.02
2.28
120
48.0
92.1
emplo 10
44
5.5
10.0
12.5
0.03
2.28
145
49.0
93.2
*apo! de a$a
,cido (!elación O%+eno ,c!+lico de moles)
iempo (-!)
( %)
@tras in&esti#aciones estudian el e1ecto de la modi1icaci3n del catalizador so/re la &elocidad de reacci3n y la con&ersi3n a ácido acético$
Figura 8. ,fec7o de la adición de )s2O$ al ca7aliBador co/pues7o de .$59C baOi $9.8C Mo!$ and Ei!2 (#a/pbell 15=!"
7 D!.e5o de reactor !.otrm!co 2a,ance de ma.a En un reactor de 1lujo pist3n, la composici3n del 1luido &ar6a de un punto a otro a lo lar#o de la direcci3n del 1lujo, en consecuencia, el /alance de materia para un componente de la reacci3n de/e hacerse por un elemento di1erencial de &olumen d9$ Para el /alance de masa del reactor Entrada = Salida + Genración
!
Entrada de ', molesO tiempo ! + d!
Salida de ', molesOtiempo ( −r )d"
:esaparici3n de ' por reacci3n, molesOtiempo "ntroduciendo estos tres términos !
= ( ! + d! ) + (−r )d"
8eniendo en cuenta ue d!
= d !0 (1 − x ) = − !0d#
Sustituyendo resulta ! 0 d#
= (− r )d"
Entonces la ecuaci3n re1erida para el componente ' para la secci3n di1erencial del reactor de &olumen d9 $' 1in de resol&er para todo el reactor es necesario inte#rar esta e;presi3n "
d"
0
! 0
∫
x !
= ∫ 0
dx
−r
Se,ecc!0n de reactor (α )
En el reactor se lle&ará aca/o la reacci3n y en el reactor * la reacci3n producci3n de ácido acr6lico ue se o/tendrá es de =4+++ tonOa
(β )
$ !a
Para el dise7N y
> una presi3n 24+QPa$ El tipo de reactor ele#ido es el de tu/o pist3n ?PFRA, porue la reacci3n es en 1ase #aseosa$ (θ )
:e la ecuaci3n
hallamos la constante de &elocidad −1 08×103
k
= 3 ×10
L
10
mol × s
×e
8.314
J
J mol
×533 K
mol × K
= 7.82 ×10
m3
−4
s × mol
El producci3n en molOs 75000
ton
= 3.5672
a$o
k g s
×103 ×
mol 72k g
= 49. 544
mol s
El 1lujo inicial del propileno
=
! propileno
49.544
mol
s 0.8 × 0.7
= 88.472
mol s
El 1lujo &olumétrico en el reactor
)= "
8.314
J mol × K
× 598 K × 2.5 × 88.472 mol s
450 ×103 Pa
= 2.4438
m3 s
tilizando la ecuaci3n de dise
" P!R
=
")× P P ( )1.37 × R × T 2
2.4438 ×
=
450 × 10 Pa
m
3
(
2
1.37
)
3
s
1
x propileno
× ∫ 0
k (1 − x propileno )
× 450 × 103 Pa
× 8.314
J
0.44
0.8
× 598 K
∫ 1.20911×10 0
−6
× (1.5 − x propileno )0.93
dx
1
× (1− x propileno )0.44 × (1.5 − x propileno )0.93
dx
mol × K
" P!R
= 8.969m3
Para el dise
*+ (φ )
:e la ecuaci3n
hallamos la constante de &elocidad −1 08×103
k
= 3 ×10
L
10
mol × s
×e
8.314
J
J mol
×533 K
mol × K
= 7.82 ×10
−4
m3 s × mol
El 1lujo inicial del acrolina
! acrolina
=
mol
49.544
s
0.7
= 70.777
mol s
El 1lujo &olumétrico en el reactor
)= "
R × T × ! n × 1+
0.7
÷
0.8
P
3
= 1.307
m
s
!a concentraci3n inicial de acrolina
=
C 0
P R × T
= 101.515
mol m3
El 1actor de e;pansi3n &olumétrica
ε =
1 0.7
1 + 0.8÷
1 2÷ × = 0.267 1
tilizando la ecuaci3n de dise
=
!acrolina
(1 + ε xacrolina ) 2
0.7
K × 0.8 × C
2 0
∫ 0
(1 − xacrolina ) × (0.7 − 0.4xacrolina ) " P!R
dx = 3.184 × 104 L
= 31.844m3
Cant!dad de reactore. 8.969m3
Se tendrá un reactor de paralelo$
8.615m3
en serie con 0 reactores de
dispuestos en
* D!.e5o de reactor no !.otrm!co 2a,ance de ener"#a El /alance de ener#6a se realiza partiendo de la ecuaci3n de la conser&aci3n de la ener#6a$ dE sist dt
•
n
n
i =1
i =1
•
= ∑ !i 0 H i 0 − ∑ !i H i + %− & s $ (1)
:onde dE sist dt
*elocidad de ac$m$lación de ene!+a en el in"e!io! del sis"ema
n
∑ ! H i =1
i0
i0
ne!+a a!eada al sis"ema po! l$o de masa -acia el in"e!io! del sis"ema
n
∑ ! H ne!+a $e sale del sis"ema po! l$o de masa $e sale del sis"ema i =1
i
i
•
% l$o de calo! -acia el sis"ema p!oceden"e de los al!ededo!es •
& s l$o de "!aao !ealizado po! el sis"ema so!e los al!ededo!es
Ieneralizando para una ecuaci3n +
' a
(→
c a
C+
d a
)
!os términos de entrada y salida son n
∑ ! H i0
i0
= H 0 !0 + H ( 0 !(0 + HC 0 !C 0 + H ) 0 ! )0
i =1 n
∑ ! H i
i
= H ! + H ( !( + HC !C + H ) ! )
i =1
8eniendo en cuenta θ i
Sustituyendo se tiene
=
! i 0 ! 0
** !
= !0 (1 − # )
! (
= !0 (θ ( −
!C
= !0 (θ C −
! )
= !0 (θ C −
' a c a d
# ) # )
a
# )
Reemplazando estos términos para o/tener el calor de reacci3n n
n
∑ ! H − ∑ ! H i =1
i0
i0
i
i =1
i
= ! 0 ( H 0 − H ) + ( H ( 0 − H ( ) θ( + ( HC 0 − HC ) θC + ( H) 0 − H ) ) θ ) d c ' − H ) + H C − H ( − H a a a
n
n
n
∑ ! H − ∑ ! H = ! ∑θ (H i =1
i0
i0
i =1
i
i
0
i =1
i
! 0 #
(T ) ! 0 # $ (2) − Hi ) − ∆H rxn
i0
:onde (T ) ∆ H rxn n"alp+a de la !eación a la "empe!a"$!a
H
!as entalp6as
H (
,
, etc$ Son e&aluadas a la temperatura de salida del sistema
Para una reacci3n u6mica mono1ásica, la entalp6a de la especie i a la temperatura T R
está relacionada con la entalp6a de 1ormaci3n a la temperatura
$
T
H i
° (T R )
= Hi
+ ∫ C pi dT T R
Por lo tanto
°(T ) T H i − Hi 0 = H i + ∫ C pi dT T R
R
−
° (T R )
Hi
T
H i
− H i0 =
∫ C
T i 0
pi
dT $ (3)
+ ∫ C pi dT T T i 0
R
T T
*0
!a entalp6a de la reacci3n a cualuier temperatura
T
es e;presada en términos de la
∆C p entalp6a de la reacci3n a la temperatura de re1erencia y un inte#ral
T
∆ H
(T ) rxn
= ∆H rxn + ∫ ∆Cp dT $ (4) ° (T R )
T R
:onde
∆C p =
d a
C p, ) +
c a
C p ,C
−
' a
C p ,( − C p ,
Sustituyendo ?0A y ?2A en ?*A y reemplazando ?*A en ?A, la ecuaci3n del /alance de ener#6a en estado estacionario se con&ierte en
°(T ) T %− & s − !0 ∫ ∑θ i C pi dT − ! 0 # ∆Hrxn + ∫ ∆C p dT = 0 T i =1 T •
T
•
n
R
i0
R
'plicando esta relaci3n para un reactor tu/ular con trans1erencia de calor se tiene$
Figura 5. Diagra/a para el +alance de ,nergía
El tra/ajo del sistema hacia los alrededores es cero porue no hay nin#Ln euipo ue a/sor/a o entre#ue ener#6a$
°(T ) T % − ! 0 ∫ ∑θ i C pi dT − !0 # ∆ H rxn + ∫ ∆C p dT = 0 T i =1 T T
•
n
R
i0
R
:i1erenciando con respecto al &olumen y considerando •
d% d"
= *a(Ta − T )
donde a
4
)
, : :iame"!o
*2
−r = ! 0
d# d"
$ (5)
Se lle#a a tener la ecuaci3n si#uiente dT d"
*a(Ta
=
(T ) ) − T ) + (−r )(−∆H rxn n
! 0 (
∑θ C i
pi
$ (6)
+ # ∆C p )
i =1
Con las ecuaciones ?4A y ?-A se puede dise7N !a reacci3n a lle&arse a ca/o es la si#uiente C3 H 6 + O2
→ C3 H 4O + H 2O
:onde su entalp6a de reacci3n es la si#uiente Hr598 K
598 K 598 K = Hf prod − Hf react . .
= ( −90.4 − 231.35) − ( 8.4 ) = −330.15 kJ mol
Hr 598 K
:el /alance para un reactor PFR no isotérmico y considerando un sistema adia/ático ! 0 (
88.472
mol
−16.7 ×10
−6
2.866 ×10
s
dT =*a ( Ta −T ) ∑θ Cp + ∆Cp ×x ) d" i
+r ∆Hr
. . 1( Cp f prop 1.5 ( Cp Of (T ) ) + ( Cp acro Cp ag+a Cp prop Cp Of ( T ) ) 0.8 + + − − ) ( T ) f ( T ) f ( T ) f ( T ) 2
−
mol
−3
m ×s ×Pa 3
×1( Cp
1.37
prop. f (T )
×e
× 47.410
3
) +1.5( Cp
dT d"
=
J
mol J ×T 8.314 molK
O2 f (T )
2
450 ×10 3 Pa × 2.5 ÷
) +( Cp
acro f (T )
+Cp
1.37
ag+a f (T )
(1× 0.8) − 0.44 (1.5 × 0.8) − 0.93
−Cp
prop. f (T )
−Cp
O2 f (T )
) 0.8
dT d"
kJ 330.15 × − mol÷
=e
−
47.410 × 3 8.314T
× kJ mol ×m3÷
*4
2.866 ×10
−9
×139 −0.379T 1.41 + 10 × −3T 2 1.49 − 10×−6 T 3
−
5.40 + 10×10 T 4
× 3 − 47.4 10
dT
e =8.314T
d"
3
" P!R
= ∫ 2.866 ×10−9 ×139 −0.379T 1.41 + 10 × −3 T 2 1.49 − 10×−6 T 3
× 47.410
+ 10×−10 T 4 e 8.314 × T dT 5.40
:el /alance de masa para un PFR " P!R
")× P
= (
" P!R
=
P 2.5
1.37
)
× R × T
2.4438 × 450 ×103
k (1 − x propileno )0.44 × (1.5 − x propileno )0.93
450 ×10 1.37 ( ) × 8.314 × 598 2.5
∫ 0
47.4 ×103
dx
3
16.7 ×10
−3
× − 47.410 8.314×T e
×
×(1 −x propileno )0.44 ×(1.5 −x propileno )0.93 1
0.8
= 8.3623 ×10 ×e 8.314×T ∫ 0 −4
dx
1
0.8
3
" P!R
1
x propileno
× ∫ 0
(1 − x propileno ) 0.44 × (1.5 − xpropileno )0.93
dx
47.410 × 3
" P!R
= 8.81583 ×10−4 ×e 8.314×T
Se i#ualan am/os &olLmenes y se halla la temperatura a la cual alcanza el sistema adia/ático T
∫ 2.866 ×10
598
× 47.410 8.314T
3
−9
×139 −0.379T +1.41 10 × −3T 2 1.49 − 10×−6 T 3
−4
8.81583 ×10
× 3 47.410
×e 8.314×T
:e dicha i#ualdad se calcula la temperatura alcanzada T = 892.19 K
allando el &olumen del tanue 47.410 × 3
" P!R
= 8.81583 ×10−4 ×e8.314×892.19 " P!R
= 0.525m3
+ 10×−10 T 4 e 5.40
×
dT
*Fijando el diámetro del tanue ) = 0.50m
!a lon#itud del tanue será L =
4"
π ) 2
= 2.674m
0.035&
Siendo el aislante térmico 1i/ra de &idrio ? calor ue se diri#e al am/iente será %r = −k (2π rL)
m ×K
A con un espesor de +cm el
dT dr
"nte#rando la inte#ral, siendo los l6mites 8 ?temperatura dentro del tanueA, 8s ?temperatura en el am/ienteA r* ?radio e;terno del aislanteA, r ?radio interno del aislanteA %r = 2π Lk
T
− T s
ln
%r = 2π ×2.674 × 0.035
r 2 r 1
892 − 298 0.6 & 2 ln 0.5 & 2
=1915.83&
Para el tanue * a 400N !as reacciones a lle&arse a ca/o son la si#uiente C3 H 4 O +
1 2
O2
→ C3 H4 O2
:onde sus entalp6as de reacci3n son la si#uiente ac .acr . Hr533 K
ac .acr . Hr 533 K
533K 533K = Hf prod − Hf react . .
= ( −329 ) − ( −90.4 ) = −239.4 kJ mol
:el /alance para un reactor PFR no isotérmico y considerando un sistema adia/ático
*= ! 0 (
! 0 (
dT ∑θ Cp + ∆Cp ×x ) d" i
dT ∑θ Cp + ∆Cp ×x ) d" i
mol
=70.777
s
=*a ( Ta −T ) +r ∆Hr
2
*a ( Ta − T ) −1 08×10 3
r ∆Hr
= −3 × 10
m3
7
×e
mol × s
8.314
J
(−7.59 ×10
) 0.8 ( Cp
acrol . f (T )
d"
=0
J mol
×T
mol × K
×(101.515
mol m
3
× ) × (1 −0.7) 101.515
mol m
× (0.7
3
− 0.7) × 0.4
−108×103 −15
dT
O . . acr. .. 0.8 ( Cp acrol + − − Cp ac Cp ac!o Cp f (T ) ) 0.7 ) ( f ( T ) f ( T ) f ( T )
) +( Cp
−Cp
ac.acr . f (T )
(−7.59 ×10 − ) 139.8815 −0.978172 × T
O2 f (T )
dT
) 0.7
d"
=e
+0.0027081 T×2 2.761 − 10×−6
15
−108×103
e
−Cp
ac!o.. f (T )
8.314
J
8.314
T
×
3
J
× − kJ 239.4 ÷ mol
J mol
×T
mol× K
J × ÷ mol ×m3
9.9615 + 10 −× T 10
4
dT
×
d"
J mol
×T
mol × K
K × 3 ÷ ×m
T
( −7.59 ×10
−15
)
2 −6 139.8815 0.978172 0.0027081 2.761 10 − × + × − × T T ∫
533
e
×
" P!R
108000 8.314gT
+ 10−×10 T 4 T 3× 9.9615
dT
=
∫ d" 0
" P!R
−1081000 e 8.314×T
= 31.844 ×3 ×10 × 7
Se i#ualan am/os &olLmenes y se halla la temperatura a la cual alcanza el sistema adia/ático T
(−7.59 ×10
−15
)
∫ 139.8815 −0.978172 T×
533
+0.0027081 T×2
10 2.761 10×−6 T 3× 9.9615 10−× T 4 − +
×
*7 −108000 108000
e
8.314 gT
e 8.314g533
dT = 31.844 ×
−108000
e 8.314gT
:e dicha i#ualdad se calcula la temperatura alcanzada T
" P!R
= 645.645 K
= 31.844 ×3 ×107 × e
" P!R
−1081000 e 8.314×533 −1081000 8.314×645.645
= 0.453 m3
Fijando el diámetro del tanue ) = 0.50m
!a lon#itud del tanue será L =
4"
π ) 2
= 2.307m
0.035&
Siendo el aislante térmico 1i/ra de &idrio ? calor ue se diri#e al am/iente será %r = −k (2π rL)
m ×K
A con un espesor de +cm el
dT dr
"nte#rando la inte#ral, siendo los l6mites 8 ?temperatura dentro del tanueA, 8s ?temperatura en el am/ienteA r* ?radio e;terno del aislanteA, r ?radio interno del aislanteA %r = 2π Lk
T
− T s
ln
0.035 %r = 2π ×2.307 ×
r 2 r 1
645.645 − 298 0.6& 2 ln 0.5&2
=967.37&
*> Cant!dad de reactore. Se necesita solo reactor para cada reacci3n$
D!.c$.!0n de re.$,tado.
•
El primer cálculo para del dise
resultado un primer reactor PFR con un &olumen
y un se#undo
31.844m3
reactor con un &olumen i#ual $Este Lltimo resultado 1ue un &alor de &olumen muy #rande para un reactor PFR $Por tal moti&o, se dise<3 un /anco de 0 reactores operando de 1orma paralela , de tal manera ue el 1lujo de acrole6na , producido en el primer reactor , 1ue distri/uido en estos tres reactores$ El resultado 1ueron 0 reactores PFR con un &olumen i#ual a 8.615m3 •
•
$ Ho se tomaron en cuenta la aparici3n reacciones secundarias, principalmente o;idaciones de reacti&os y productos, y 1ormaci3n de ácido acético ya ue el proceso in&olucra catalizadores tales como 3;idos mi;tos ue inhi/en estas reacciones$ Se muestra una #ran &ariaci3n del &olumen entre el reactor isotérmico y no isotérmico, se puede decir ue al tratar de mantener la temperatura constante en el reactor necesitaremos uno con mayores dimensiones y por lo tanto mayor costo$ ' di1erencia del reactor isotérmico el no isotérmico adia/ático presenta un &olumen mucho menor, esto es porue la temperatura dentro del reactor aumento con1orme la direcci3n del 1luido y esto trae como consecuencia una con&ersi3n mayor, para nuestro caso se 1ij3 una con&ersi3n i#ual para am/os reactores por lo ue la di1erencia se &e en la rapidez con ue se lle#a a esta con&ersi3n ?El tiempo de residencia es menorA Conc,$.!one.
0+ •
•
Ho resulta econ3micamente &ia/le tra/ajar a condiciones isotérmica ya ue la cantidad total de reactores a utilizar para el proceso son 2 en cam/io a condiciones no isotérmicas son *, además ue resulta di1icultoso mantener la temperatura constante$ El tiempo de residencia en el reactor no isotérmico es menor ue para el reactor no isotérmico ?Se alcanza la con&ersi3n necesaria en menor tiempoA$
2!-,!o"ra/#a Camp/ell, $ ?>=+A$ @;idation o1 Propylene to 'crylic 'cid o&er a Catalyst Containin# @;ides o1 'rsenic, Hio/ium, and Moly/denum $ nd. ,ng. #Ge/. Prod. Hes. DeIelop, 0*2K002$ :$ 'RH8T, N$ N$ ?>7*A$ #a7alJ7ic )ir O>ida7ion of PropJlene 7o )crolein. Hurem/er# "nst$ 1$ 8echn$ Chemie ", ni&ersitat Earlan#enKHurem/er#, Federal Repu/lic o1 Iermany$ :@$ ?*+*A$ 'crylic 'cid, Ilacial$ DOWK TecGnical da7a sGee7 , $ immel/lau, :$ M$ ?>=2A$ Principios +ásicos J #álculos en ngeniería Luí/ica. San 'ntonio, 8e;as Prentice all$ Na#les, F$ ?*++4A$ Tra7ado de Luí/ica Orgánica. Espa>7A$ ,ncJclopedia of #Ge/ical TecGnologJ. HeD orQ$ Perry, R$, U Ireen, :$ ?>>>A$ PerrJs #Ge/ical ,ngineers =>A$ 'apón Pa7en7e nA ==289.
