PROCESO COMERCIAL DEL ETILBENCENO INGENIERÍA AMBIENTAL MATERIA: BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA PROF.: CARLOS TORRES
BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA PARA EL PROCESO COMERCIAL DEL ETILBENCENO
JESEE HUERTAS HUERTAS 1650211 ISAMAR AMAYA 1650219 LUZDARY GONZALEZ 1650075
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y DEL AMBIENTE INGENIERIA AMBIENTAL 2014
Problema
PROCESO COMERCIAL DEL ETILBENCENO INGENIERÍA AMBIENTAL MATERIA: BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA PROF.: CARLOS TORRES
El etilbenceno se transforma en estireno en la reacción de deshidrogenacion catalítica C8H10
C8H8 + H2
∆H Reac = 124.5 KJ/ mol (600°C)
A continuación se muestra el diagrama de flujo de una versión simplificada del proceso comercial:
EB = etilbenceno S= estireno
Se combina etilbenceno liquido fresco y recirculado y se calienta de 25 °C a 500 °C (1), y el etilbenceno calentado se mezcla en forma adiabatica con vapor a 700 °C (2) para producir la alimentacion al reactor a 600 °C . ( el vapor suprime las reacciones secundarias indeseables y retira el carbon depositado sobre la superficie del catalizador ). En el reactor se logra una conversion en un paso de 35% (3) y los productos emergen a 560 °C, la corriente del producto se enfria a 25°C (4) , condensando casi toda el agua, el etilbenceno y el estireno, y permitiendo que el hidrogeno salga como subproducto recuperable del proceso.
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El agua y los hidrocarburos liquidos son inmiscibles y se separan en el tanque de decantacion (5) el agua se evaporiza y se calienta (6) para producir el vapor que se mescla con la alimentacion de etilbenceno al reactor. La corriente de hidrocarburos que sale del decantador se alimenta a una torre de destilacion (7), donde se separa la mezcla en estireno casi puro y etilbenceno, ambos a 25 °C despues de los pasos de enfriamiento y condensacion. El etilbenceno se recircula al precalentador del reactor y el estireno se retira como producto. a.
Calcule, basándose en 100 kg/h de estireno producidos, la velocidad requerida de alimentación del etilbenceno fresco, la velocidad del flujo del etilbenceno recirculado y la velocidad de circulación del agua, todas en mol/h . (suponga que la P= 1atm).
b.
Calcule las velocidades requeridas de alimentación o eliminación del calor en KJ/h para el precalentador del etilbenceno (1), el generador de vapor (6) y el reactor (3). Datos generales
SUSTANCIA
Cp (Liquido) J/mol. °C
∆ Ĥ V KJ/mol 136°C
Cp (vapor) J/mol. °C
C8H10
182
36
C8H8 H2O
209 ------
37.1 -3.9
118+0.30T
Ĥ i KJ/Kg ------
Ĥ v KJ/Kg ------
115+0.27T ------
-----104.15
-----3298
C8H10 = Etilbenceno C8H8 = Estireno
Solución
C8H10
C8H8 + H2
∆H Reac = 124.5 KJ/ mol (600°C)
Base: 100 Kg/h C8H8 producidos
Velocidad de alimento de etilbenceno fresco (1).
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Balance del reactor
560 °C 960.15 mol/h C8H8 960.15 mol/h H2 n5 mol/h C8H10 n4 mol/h H2o
n3 mol/h C8H10 n4 mol/h H2o (v)
Entra = sale Balance de estireno (S) La conversión del etilbenceno (EB) en estireno (S) en el reactor es de 35%-----0.35
n3 mol (EB) * 0.35 mol (S) = 960.15 mol (S)
n3 =
La velocidad del flujo proveniente del reciclo (A) = 2743.28 mol EB – 960.15mol = 1783.13 mol EB / h
BALANCE EN EL PUNTO DE MEZCLA
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2743.28 mol / h C8H10
2743.28 mol / h C8H10
n4 mol / h H2o
Balance de energía
∆ HEB = n EB* ∆ Ĥ EB + n4 (H2o)* ∆ Ĥ H2O ∆ĤEB =
∫
∆ĤH2O (P= 1atm)= -3.9 KJ/ mol (tabla)
2743.28 mol EB/h * 28.3 KJ/hEB + n4
n4
(H2O) =
(H2O)
* (-3.9 KJ/h) H2O = 0
(B) velocidades requeridas de alimentación de calor en: Precalentador de etilbenceno (1)
La velocidad de circulación del agua (1)
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Q1=n EB* ∆ĤEB
∆ĤEB= ∫ + ∆Ĥ
EB
+ ∫
∆ĤEB= ∫ + 36 + ∫ ∆ĤEB= (20.202 + 36 + 77.67) KJ/mol ∆ĤEB= 133.872 KJ/mol
Q1 =
* 133.
Generador de calor (6)
367248.38 KJ/h
Velocidad requerida por el precalentador
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Q6 = nH2O * ∆ĤH2O
∆ĤH2O = Ĥv – Ĥi (tabla) ∆ĤH2O = (3928 -104.8) KJ/Kg = 3823.2 KJ/Kg
Q6 =
Q6 = 1369883 KJ/h
Velocidad requerida en el generador de calor
Reactor (3)
Temperatura de referencia 600°C para los compuestos presentes en el reactor:
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EB (C8H10) V, S (C8H8) V, Hidrogeno ( H2(g) y agua (H2O) V Temperatura de salida (560°C)
ĤEB = ∫
∫
ĤEB = -11.68 KJ/ mol
Ĥs = ∫
∫
Ĥs = -10.864 KJ/ mol
SUSTANCIA C8H10 C8H8
ENTRADA (600°C) n (mol/h) Ĥ (KJ/mol) 2743.28 0 ------0
SALIDA (560 °C) n (KJ/mol) Ĥ (KJ/mol) 1783.13 -11.68 960.15 -10.864
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H2O H2
19906 -------
-------------
Q1 = ∑∆ĤE + ∑∆Ĥrxn + ∑∆Ĥs
∑∆Ĥrxn = ns * ∆Hreacc (600°C) =
19906 960.15
-1.56 (tabla) -1.19 (tabla)
∑∆ĤE = 0 (Tref – Te)
∑∆Ĥ s = [(nEB * ĤEB) + (ns * Ĥs) + (nH2O * ĤH2O) + (nH2 * ĤH2)] (
)
∑∆Ĥ s = [(1783.13 * (-11.68)) + (960.15 * (-10.864)) + (19906) * (- 1.56) + (960.15) * (-1.19))] KJ/h ∑∆Ĥ s = -63453.9665 KJ/h
Q3 =
Q3 = 56084.7085 KJ/h
Velocidad requerida en el reactor
EJERCICIO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA
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ISAMAR AMAYA MORA 1650219 JESEE HUERTAS BASABE 1650211 LUZDARY GONZALEZ RODRIGUEZ1650075
Presentado a: PROF. CARLOS TORRES
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE INGENIERIA AMBIENTAL SAN JOSE DE CUCUTA 2014
El balance de materia es un método matemático utilizado principalmente en Ingeniería Química. Se basa en la ley de conservación de la materia (la materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma), que establece que la masa de un sistema cerrado permanece siempre constante (excluyendo, las reacciones nucleares o atómicas en las que la materia se transforma en energía según la ecuación de Einstein E=mc2, y la materia cuya velocidad se aproxima a la velocidad de la luz). Los balances de materia pueden ser integrales o diferenciales. El balance integral se enfo ca en el comportamiento global del sistema, mientras que el diferencial lo hace en los mecanismos dentro del sistema (los cuales, a su vez, afectan al comportamiento global). En los casos más
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simples, el interior del sistema se considera homogéneo (perfectamente mezclado). Para poder hacer un balance integral de materia, primero se deben identificar los límites del sistema, es decir, cómo el sistema está conectado al resto del mundo y cómo el resto del mundo afecta al sistema. Los balances de materia y energía (BMyE) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de materia y energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realización del PFC, los BMyE nos permitirán conocer los de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las del mismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración.
Desarrollar habilidades para plantear y posteriormente solucionar ejercicios con balances simultáneos de materia y energía por parte de los estudiantes del curso.
Comprender la totalidad del ejercicio por parte del equipo expositor. Encontrar un método fácil y efectivo para explicar el ejercicio al resto de la clase, el cual permita entenderlo. Exponer la solución del ejercicio a los compañeros de curso de una forma clara y detallada.
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Un balance de materia no es otra cosa que un conteo del flujo y cambio de masa en el inventario de materiales de un sistema. La ecuación que se muestra a continuación describe con palabras el principio del balance de materia aplicable a procesos con reacción química y sin ella.
En la ecuación los términos de generación y consumo se refieren a la ganancia o pérdida mediante reacción química. La acumulación puede ser positiva o negativa. En los casos en que no hay generación de materia dentro del sistema la ecuación se reduce a
Cuando no hay acumulación dentro del sistema se reduce a la siguiente ecuación
Cuando no hay flujo que entre o salga del sistema, la ecuación se reduce al concepto básico de la conservación de una especie de materia dentro de un sistema cerrado aislado
Por sistema entendemos cualquier porción arbitraria o completa de unproceso específicamente por el ingeniero para el análisis.
establecido
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La figura muestra un sistema en que tienen lugar un flujo y una reacción; nótese en particular que la frontera (límite) del sistema se establece formalmente alrededor del proceso mismo para llamar la atención hacia la importancia que tiene delinear en forma cuidadosa el sistema de cada problema que se trabaje. Un sistema abierto (o continuo) es aquel en que la materia se transfiere a través de la frontera del sistema, esto es, entra al sistema, sale del sistema o ambas cosas. Un sistema cerrado (o por lotes) es aquel en el que no se presenta dicha transferencia durante el intervalo de tiempo en cuestión. Es obvio que si se carga un reactor con reactivos y se sacan los productos, y el reactor se considera como el sistema, el material se transfiere a través del límite del sistema. Sin embargo, se podría ignorar la transferencia, y fijar la atención sólo en el proceso de reacción que tiene únicamente después de que se contempla la carga y antes de que los productos se retiren. Tal proceso se presentará dentro de un sistema cerrado. Los balances de materia también pueden usarse en las decisiones de operación de los gerentes de la planta que se presentan a cada momento ya diario. Si en un proceso hay uno o más puntos en lo que resulte imposible o antieconómico reunir datos, entonces si se encuentran disponibles otros datos que sean suficientes, haciendo un balance de materia en el proceso es posible obtener la información que sea necesaria acerca de las cantidades y composiciones en la posición inaccesible. En la mayor parte de las plantas, se reúnen bastantes datos sobre las cantidades y composiciones de las materias primas, productos intermedios, desperdicios, productos y subproductos y que son usados por los departamentos de producción y de contabilidad, pudiendo integrarse en una imagen reveladora de las operaciones de la compañía.
Los científicos no comenzaron a escribir balances de energía de sistemas físicos hasta la segunda mitad del siglo XIX. Antes de 1850 no estaban seguros de lo que era la energía o aun si era importante. Pero en la década de 1850 los conceptos de energía y balance de energía se formularon con claridad. En la actualidad consideramos que el balance de energía es en fundamento un principio básico por lo que inventamos nuevas clases de energía para asegurar que la ecuación en verdad realice el balance. La ecuación siguiente, es una generalización de los resultados de numerosos experimentos sobre casos especiales relativamente simples. La ecuación es
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universalmente válida ya que no se puede encontrar excepciones para ella en la práctica, teniendo en cuenta la precisión de las mediciones. Es necesario recordar dos puntos importantes. Primero solo examinemos sistemas que son homogéneos, sin carga y sin efectos superficiales, Con objeto de hacer el balance de energía lo más sencillo posible. Segundo, el balance de energía se desarrolla y aplica desde el punto de vista macroscópico (Global alrededor del sistema) más que desde un punto de vista microscópico o sea, un volumen elemental en el sistema). El concepto del balance de energía macroscópico es similar al balance de materia macroscópico, es decir,
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Cuando los estudiantes se explican entre si la solución de diferentes ejercicios se logra una mayor comprensión del tema, ya que ellos se sienten más en confianza para preguntar y solucionar sus dudas. El equipo expositor puede encontrar un método que permita a sus compañeros entender mejor los problemas pues conocen de cerca las dificultades que tiene con estos. Solucionar los ejercicios de forma detallada facilita la comprensión del ejercicio pues la persona que está intentando comprenderlo puede seguir el desarrollo paso a paso sin perderse ningún por menor.
http://es.wikipedia.org/wiki/Balance_de_materia
