EJERCICIOS PROPUESTOS. ENTREGA Nº 3 CARLOS JAVIER PIZARRO ARANZAES EJERCICIOS PROPUESTOS. ENTREGA Nº 3
Autor: Carlos Javier Pizarro Aranzaes Asignatura 50947: Análisis y diseño de procesos químicos Máster Universitario en Ingeniería Industrial Curso 2016/2017 I.
Identifica las principales corrientes de reciclado para el proceso de producción de estireno que se muestra en la figura. Identifica también los reactivos y productos. Describe a grandes rasgos el proceso.
El proceso de producción de estireno es el mostrado a continuación en la figura 1.
Figura 1. Proceso de producción del estireno.
IDENTIFICACIÓN DE LAS CORRIENTES PRIMARIAS DE REACTIVOS Y PRODUCTOS DEL DIAGRAMA El reactivo principal para llevar a cabo la reacción química es el etilbenceno. Sin embargo, y como se explicará más adelante en la descripción del proceso, se añade a la corriente principal de etilbenceno vapor de agua, considerándose ésta también como un reactivo de la reacción. En la figura 2, el recorrido primario de ambos reactivos se muestra en color azul.
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Por otro lado, los productos resultantes del proceso químico son el hidrógeno, el benceno y el tolueno, agua residual, y el estireno. Todos estos son señalados en color rojo en la figura 2 mostrada a continuación.
Figura 2. Corrientes primarias de reactivos y productos.
IDENTIFICACIÓN DE LAS CORRIENTES DE RECICLADO DEL DIAGRAMA Las corrientes o lazos de reciclado son las que forman un circuito completo regresando al punto de partida [1]. En el diagrama 1 se tienen varios lazos de reciclado. El primero de ellos es el lazo principal de reciclado de etilbenceno, mostrado a continuación en color verde en la figura 3. Por otro lado, existen lazos de reflujo asociados a las columnas de destilación T-501 y T502. A continuación, en la figura 4, se muestran estos lazos en color naranja.
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Figura 3. Lazo principal de reciclado del etilbenceno.
Figura 4. Lazos de reflujo asociados a las columnas de destilación.
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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL ESTIRENO A PARTIR DEL ETILBECENO. Las corrientes de entrada y de reciclado de etilbenceno (corriente 2), que es el principal reactivo del proceso, entran en el intercambiador de calor E-501 para aumentar su temperatura. Por otro lado, vapor de agua a baja presión (corriente 4) entra en el calentador de vapor H-501, donde una parte de éste se une a la corriente de etilbenceno saliente del intercambiador de calor (corriente 7), para extraer el carbono formado en el reactor, como se explicará más adelante, y la otra parte se lleva al intercambiador de calor E-502 (corriente 6) que se encuentra a la salida del primero de los reactores, el R-501, para posteriormente seguir su recorrido hacia la planta de vapor (corriente 25). Volviendo al flujo de etilbenceno, que ahora incluye vapor de agua (corriente 9), éste se dirige al reactor R-501, donde se producen parte de las reacciones químicas de todo el proceso. La reacción principal es la conversión de etilbenceno en estireno e hidrógeno, la cual es una reacción reversible y endotérmica: Δ (600℃) = 124.9 /
3 ⇌ +
Esta reacción con catalizador produce un alto rendimiento. Al ser una reacción en fase gaseosa reversible, produciendo dos moles de productos por uno de reactivos, la baja presión favorece el desplazamiento hacia la derecha (principio de Le Chatelier). Como reacciones secundarias, el etilbenceno se degrada en benceno y carbono, según las siguientes reacciones: 3 ⇌ + 3 → 8 + 5
Δ (600℃) = 101.8 / Δ (600℃) = 1.72 /
El estireno también reacciona catalíticamente para producir tolueno: Δ (600℃) = −64.5 /
3 + ⇌ 3 +
El problema con el carbono es que éste destruye el catalizador del reactor. Cuando el potasio se incorpora en el catalizador de óxido de hierro, el catalizador se convierte en autolimpiable (todo ello junto a la reacción del carbono con el vapor de agua para producir dióxido de carbono, el cual es sustraído mediante el sistema de extracción del reactor): + 2 ⇌ + 2
Δ (600℃) = −99.6 /
Las condiciones de operación típicas en los reactores comerciales son de 620 ℃ de temperatura y la presión tan baja como sea posible. El rendimiento depende de la cantidad de conversión catalítica de etilbenceno, que en el equilibrio puede llegar al 80 % [ 2]. Volviendo al diagrama, a la salida del primer reactor (corriente 10), el flujo se dirige al intercambiador de calor E-502 antes nombrado, para seguidamente entrar en el segundo de los reactores, el R-502. En éste se produce el resto de reacciones químicas, y el flujo saliente se lleva a través de los tres intercambiadores de calor E-503, E-504 y E-505 para enfriar su temperatura, y ser conducido (corriente 15) al separador trifásico V-501.
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De dicho separador salen tres flujos de salida. El primero de ellos, con la salida en la parte inferior según el diagrama de la figura 1 (corriente 18), contiene agua en fase líquida, el cual es impulsado por medio de la bomba P-501A/B a una de las salidas inferiores del diagrama (corriente 28). El segundo de ellos, con la salida en la parte superior del separador según el diagrama (corriente 16), contiene hidrógeno en fase gaseosa, el cual es conducido a la salida del proceso a través del compresor C-501 (corriente 19). El tercer flujo de salida del reactor, situado a la derecha de éste según el diagrama (corriente 17) es conducido hacia la primera columna de destilación, la T-501. En ésta, los productos destilados son el benceno y el tolueno, los cuales son extraídos del proceso (corriente 26), y el producto menos volátil, el estireno, con trazas de etilbenceno que no han reaccionado en los reactores (corriente 22). Éste producto menos volátil pasa a una segunda columna de destilación, la T-502, donde las trazas destiladas de etilbenceno son enviadas, a través de una corriente de reciclado (corrientes 23 y 29) al inicio de todo del proceso, y el producto menos volátil que se extrae de la columna es el estireno (corriente 24), el cual es impulsado por la bomba P-505A/B hasta la salida (corriente 27).
II.
Referencias
[1] Transparencias de la asignatura 50947: Análisis y diseño de procesos químicos. Antonio J. Vera Castellano. Curso 2016/2017. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. [2] http://www.tc.bci.tu-dortmund.de/Downloads/Praktika/tc30_styrene_english.pdf Fuente consultada el 2 de marzo de 2017.
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