Diseño de Reactor Para La Producción de Estireno

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO 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

Diseño de reactor para la producción de estireno.

Contenido

Análisis y diseño de reactores, 2016-B.

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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; el estireno es producido por la deshidrogenación del etilbenceno. La producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica en fase gas y el H 2 formado puede quemarse para aportar calor al reactor. El catalizador más utilizado puede estar constituido por una mezcla de Fe2O3 y Cr2O3. La producción de estireno se favorece por temperaturas altas y bajas presiones de H 2. La deshidrogenación es liberada a calor en presencia de vapor de agua, el cual es una fuente de calor y esta favorece a la conversión de estireno. En el presente trabajo tiene por objetivo realizar el diseño de un reactor para la producción de estireno a escala industrial, tomando en cuenta la química de la reacción, los modelos matemáticos que rigen el proceso, perfiles de conversión, temperatura y presión, así como las dimensiones y material del equipo, costos, gasto energético y las condiciones para operar de manera segura el equipo.

Antecedentes El estireno es uno de los monómeros más importantes en la industria petroquímica moderna. La producción mundial en la actualidad es de aproximadamente 20 millones de toneladas por año. 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.UU. El estireno se utiliza principalmente para la producción de muchos materiales poliméricos diferentes siendo el más importante el poliestireno, estireno-acrilonitriloestireno (ABS). Otra aplicación importante es en la producción de látex de estirenobutadieno. El estireno se produce en la industria principalmente por dos procesos:


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Diseño de reactor para la producción de estireno. 1. Deshidrogenación de etilbenceno en presencia de vapor de agua sobre la base de oxido de hierro como catalizadores 2. Como un subproducto en la epoxidación de propeno con hidroperóxido

de

etilbenceno y Mo complejo a base de catalizadores. El primer proceso, presenta más del 90% de la capacidad mundial. La ruta de deshidrogenación catalítica, en la que el potasio promovido como catalizador de oxido de hierro es típicamente utilizado desde 1957, produce la mayor parte del estireno. El proceso se puede ejecutar industrialmente ya sea adiabática o isotérmicamente en un reactor de lecho fijo.

Ecuaciones y modelos matemáticos. Reacción principal:

C6H5-CH2-CH3

C6H5-CH=CH2+H2

Reacciones paralelas:

C6H5-CH2-CH3

C6H6+C2H4

C6H5-CH2-CH3+H2 C6H5-CH=CH2+2H2

C6H5-CH3+CH4 C6H5-CH3+CH4

Expresiones de velocidad de reacción:

          1+ + + = 1++ + = 1+++  Análisis y diseño de reactores, 2016-B.

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= 1+++          Dónde:

 (  )  (  )  ( ∆) Para i=1, 2, 3, 4 y j= EB, ST, H2. Los parámetros de velocidad están dados por la tabla ffdde, y los parámetros termodinámicos en la tabla firfje. Del apéndice A. Para el cálculo de Keq:

∆ ∆    ;    Dónde Po es el estado estándar de presión (1 bar). Datos fisicoquímicos:

∆ ∆ ∆ Con


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   ∆ ∆. +∫.∆    ∆ ∆. +∫.∆ Cálculo de capacidades caloríficas en forma de función cúbica de T:

  ++ + El coeficiente es dado por la tabla grfdfs del apéndice A. Cálculo del coeficiente de difusión de diferentes especies en una mezcla de gases:

.   0. 0 0143    /[Σ/ + Σ/ ] Cálculos Ac= 38.484 m2 W=43834 kg catalizador Φ= 0.005

 1   0.8009  PEBo=0.197184 bar YEB= 0.0832 PTo= 2.37 bar n (C8H10)= 106 gr mol T0= 893 K


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  94.5893     2.655891  10− / FAo=707 Kmol/h

   266.2007 /ℎ Tabla 1. Datos

yEB=0.832 yST=8.3612 x 10-4

ΘST=0.0100495

yB= 3.4485 x 10-5

ΘB= 4.14483 x 10-4

yT= 5.8472 x 10-4

ΘT= 7.02788 x 10-3

yH2O= 0.9153

ΘH20= 11.0012

PAo= 0.1789

 

Resultados: PEB=0.197184 bar

PT=1.385786 x 10 -3 bar

PST= 1.98160 x 10 -3 bar

PH2O= 2.16926 bar

PB= 8.17294 x 10 -5 bar E= 0.0832

B= 3.95 x10 -5


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Diseño de reactor para la producción de estireno. W/FoEB= 62 kg cat. h/ Kg mol Ac= 38.4846 m2

43,834   . 1  0.0055 0.01728   1   1783.8888    ΣΘΔ   + Δ ΣΘ  ; Δ + +   707000+ 87690  + +    2    1  1  1.756 1 2486.25  0.05672    2  1/ ( ) 1   1.756 μ= 0.1286 G= 5620.28 Ρ0=0.3449

 2.4867 10 Análisis y diseño de reactores, 2016-B.

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  2   1+ 3.83459  10   1.91729 10  5. 6 169  893  1+ Cálculos para el compresor:

.   .      .      .         . .∗     .   √ √      .     = 313 tubos

Para cada tubo

Potencia para el compresor mediante la ecuación de Bernoulli:

Como

  +  + +  + +   +  +    −              +  +

Z=1.89 m.

       . ⁄  .  ∗− .  +.  +.  −   ..       á

Potencia =

= 18.009 m.

=1(18.009m)(707791Kg/m^2s^2)(1.5708*10^-5) =200.223 watts

Potencia = 0.200223 Kw


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Diseño de reactor para la producción de estireno. ε=δ Yeo Yeo=Peo/P= 0.07820 δ= 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 – 1 = 0.66 ε= (0.66)(0.07820) = 0.0516 Δγ= - (1/3)(28.243) - (1/3)(33.911) – (1/3)(24.350)+(1/3)(3.805)+ (1/3)(19.247) + 43.091= 21.931 Δβ= - (1/3)(6.158*10^-1) + (1/3)(5.124*10^1) + (1/3)(1.566*10^-1) + (1/3)(4.743*10^-1) + (1/3)(5.12*10^-2) - 7.07*10^-1= -0.117 Δα= - (1/3)(4.022*10^-4) - (1/3)(3.016*10^-4) – (1/3)(2.765*10^-4) +(1/3)(8.345*10^-5) + (1/3)(1.197*10^-5) + 4.81*10^-4= 1.33*10^-4 Δβ= - (1/3)(9.933*10^-8) + (1/3)(7.129*10^-8) + (1/3)(4.91*10^-8) + (1/3)(1.755*10^-8) + (1/3)(1.131*10^-8) -1.301*10^-8= - 5.84*10^-8

Cálculos del aislante: Ecuación para la transferencia de calor de una pared esférica compuesta.

  +∆+ + R1= R convectivo interior

R2= R conductiva

R3= R conductiva del aislante

R4= R convectiva exterior

 ,      .  . Valor del aislante usado: fibra de vidrio


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.        .−   / .−  /.     . .. .     .−      +   + + .− +.− +.  +.  −  Análisis de Resultados Gráfica1. Conversión contra peso de catalizador.

X

0.4

0.3

0.2

0.1

W, Kg DE CATALIZADOR 5


10

15

20

Página 11


Gráfica 2. Temperatura/ Peso de Catalizador T (K) 920

910

900

890

880

870


10

15

20

Gráfica 3. Presión / Peso del catalizador P (atm) 2.25

2

1.75

1.5

1.25


10

15

20

0.75

0.5


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Gráfica 4. X, P/ Peso catalizador.

P, X

2

1.5

1

0.5


10

15

20

Planos, material y dimensiones

Discusión

Conclusión Bibliografía Apéndices Manual de seguridad. Análisis y diseño de reactores, 2016-B.

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