LAB. DISEÑO DE REACTORES R EACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
GENERACION DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS A PARTIR DE RESIDUOS PLASTICOS 1) OBJETIVO.
Determinar la cinética de la reacción de pirolisis
2) MARCO TEORICO.Se llama pirólisis a un tipo de reacción química en la que un compuesto químico o, de manera más común, un material producto de la asociación compleja de compuestos (p/ej. madera, plásticos, etc) se somete a la acción del calor (y sólo del
calor)
y
por
ese
efecto
resultan
productos
de
descomposición.
Las reacciónes de pirólisis son un caso particular de las reacciones químicas llamadas de termólisis (ruptura por calor, también llamadas de craqueo o cracking, palabra que viene del verbo inglés to crack que significa rajarse o agrietarse y que se suele interpretar como equivalente a romperse).
La que se rompe es la molécula sometida a la acción del calor, el proceso que conduce a esa ruptura es la pirólisis y la que se piroliza es la molécula, en este caso
sin
combinarse
con
otros
productos,
sólo
por
acción
del
calor.
Un caso particular es el de la pirólisis completa - siempre en ausencia de oxígenode una sustancia o compuesto orgánico que deja como residuo carbón y a la que se llama carbonización.
Polipropileno.-
pág. 1
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
Al polipropileno se le conoce con las siglas PP. Es un plástico muy duro y resistente, es opaco y con gran resistencia al calor pues se ablanda a una temperatura más elevada de los 150 ºC). Es muy resistente a los golpes aunque tiene poca densidad y se puede doblar muy fácilmente, resistiendo múltiples doblados por lo que es empleado como material de bisagras. También resiste muy bien los productos corrosivos. Estructuralmente es un polímero vinílico, similar al polietileno, sólo que uno de los carbonos de la unidad monomérica tiene unido un grupo metilo El polipropileno, pertenece al grupo de los termoplásticos, es una cadena larga de polímero, hecha del monómero de propileno. Después de la exposición del propileno al calor y a la presión con un catalizador activo metálico, el monómero de propileno se combina para formar una cadena larga de polímero, llamada “propileno”, del griego “poly” que significa muchos y “mero” que significa unidades.
Gasolina.-
La gasolina es una mezcla de hidrocarburos líquidos, inflamables y volátiles logrados tras la destilación del petróleo crudo. Tradicionalmente, se la emplea como combustible en los motores de explosión interna con encendido a chispa convencional, o en su defecto, por compresión y también como disolvente. A la gasolina se la obtiene a partir del petróleo, en un recinto especial conocido como refinería; la refinería es una planta industrial que se ocupa de la refinación del petróleo a partir de un procedimiento especial que permitirá obtener diversos combustibles fósiles a ser utilizados en motores de combustión como ser: la gasolina que nos ocupa, el gasóleo, entre otros. Normalmente, a la gasolina se la obtiene a partir de la nafta de destilación directa, que se trata de la fracción líquida más ligera con la que cuenta el petróleo, excepto de los gases, claro está. Asimismo, puede obtenerse mediante la conversión de fracciones pesadas de petróleo, tal es el caso del gasoil vacío.
Kerosene.-
Queroseno o querosén es también otros de los nombres que de la misma forma se identifica con kerosene. Partiendo de dicha explicación, tendríamos ya que acercarnos al significado de este concepto que nos ocupa que viene a referirse a una sustancia, más concretamente a un líquido transparente que suele tener ciertos toques de color amarillo o azulado, que es obtenido a partir de lo que es el proceso de refinación y destilación del valioso petróleo natural. pág. 2
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
Una densidad media entre la que tiene el gasóleo y la que tiene la gasolina es la que posee este mencionado producto que se caracteriza porque actualmente es empleado en diversos ámbitos y para unos fines de corte muy diferente. Así, por ejemplo, es utilizado para llevar a cabo lo que es el alumbrado de diversas zonas y áreas, también funciona como combustible para conseguir que funcionen diversos motores a reacción y de la misma forma también se emplea como combustible en lo que son las refinerías. No obstante, tampoco hay que olvidar que otro de sus usos es el de ejercer las funciones de disolvente.
Diésel.-
El gasóleo o diésel, también denominado gasoil, es un hidrocarburo líquido de densidad sobre 832 kg/m³ (0,832 g/cm³) ,1 compuesto fundamentalmente por parafinas y utilizado principalmente como combustible en calefacción y en motores diésel. Su poder calorífico inferior es de 35,86 MJ/l (43,1 MJ/kg)1 que depende de su composición.
Atm Gas Oil.-
Mezcla de hidrocarburos líquidos que hierven en el intervalo de temperaturas comprendido entre 220 y 350 °C. En su mayor parte el gas-oil o gasóleo se obtiene por la destilación a presión atmosférica del petróleo bruto (gas-oil atmosférico), pero también puede contener productos derivados de la destilación al vacío del residuo atmosférico (gas-oil vacuum) y los que proceden del craqueo de fracciones más pesadas (gas-oil de craqueo).
3) ESQUEMA DEL EQUIPO UTILIZADO PARA LA PIRÓLISIS DE PLÁSTICOS
Fuente: Revista Ciencia, tecnología e Innovación pág. 3
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
4) FORMULAS Y ECUACIONES.Balance Molar de A:
= = ∝ ∝ = ( )
= ∙ − ∝ − = ∙ ∙ ( ) ∙ ∝ ln( ) = ∙ +( )∙ ln+ ∙ ( ) ∝ 1 ln( ) = ∙ +( ) ∙ + ∙( ) ∝ 1 ln( ) = ∙ +( ) ∙ + ∙( ) Balance Másico Global:
A-> B
0 = = = = = =
Balance Molar de B con Evaporación Inmediata:
+ = =
0
pág. 4
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Ecuación de Velocidades Relativas de Reacción Química:
=
Reemplazando:
= 1 = ∫ = ∫ = = = =
PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS.Compuesto
Densidad (g/cm3) Peso Molecular (Kg/Kmol)
Polipropileno
0,9
Gasolina
0,703
144,232
Kerosene
0,73
142,286
Diésel Liviano
0,748
170,34
Diésel Pesado
0,769
212,421
Atm. Gas Oil
0,777
254,504 Fuente: Tablas de Termodinámic a
5) CALCULOS.El volumen inicial es:
500 = 636,943 = = = 0, 7856/
pág. 5
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208) Con las siguientes ecuaciones:
= = Obtenemos el volumen correspondiente para cada producto. 1.
Gasolina “B”
= 114,0,62832 = 167,98 = 636,943 167,983.4656
DATOS PARA GASOLINA
Vo ml
636,9426752 ml
N°
t (min)
T(°C)
Vprod (ml)
m B(gr)
1
0
25
0
0
500
3,4656087 636,9426
2
2
28
0
0
500
3,4656087 636,9426
3
16
121
1
0,68
499,32
3,4608955 636,1509
4
17
138
1
0,68
499,32
3,4608955 636,1509
1/T
NA/V
ln(NA/V)
V (ml)
Ao
1010,954
0,005441 -5,213791332 9,824E-05 -9,22809709
A1
-48,1975
0,035714 0,005441 -5,213791332 0,0001449 -8,83946671
A2
195,2873
0,04
(-dNA/dt) N(DERIVADA)
mA(gr) N A(moles)
0,008264
0,00544
-5,213908471 0,0004716 -7,65937939
0,007246
0,00544
-5,213908471 0,0004949 -7,61115484
2.
Kerosene “C”
pág. 6
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
= 142,0,72386 = 194,912 = 636,151 194,9123.4561 ANALISIS PARA KEROSENE N°
t (min)
T(°C)
Vprod (ml)
m C (gr)
1
18
154
2
1,46
497,097
3,4454874 634,0825
2
19
169
3
2,19
496,367
3,4404276 633,0963
3
20
185
3
2,19
496,367
3,4404276 632,7127
4
23
233
4
2,92
495,637
3,4353678
5
24
244
6
4,38
495,62
3,4352500 632,0871
1/T
NA/V
ln(NA/V)
(-dNA/dt) N(DERIVADA)
Ao
482,0662
0,006494 0,005434
-5,21511366
0,0038846 -5,55073526
A1
719,169
0,005917 0,005434
-5,21502671
0,0028104 -5,87442846
A2
94,3906
0,005405 0,005438
-5,21442073
0,004292 0,005435
-5,21493950
0,0007517 -7,19317325
0,004098 0,005435
-5,21493746
0,0007965 -7,13528343
3.
Diésel Liviano “D”
0,00196
mA(gr) N A(moles)
V (ml)
632,11
-6,23481081
34 = 227,727 = 170, 0,745 = 632,11 227,7273.43536 pág. 7
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208) PARA DIESEL LIVIANO N°
t (min)
T(°C)
Vprod (ml)
m C (gr)
mA(gr) N A(moles)
1
23
233
4
2,992
492,6438 3,4146213 627,3872
2
24
244
6
4,488
491,1478 3,4042522 625,0259
3
25
255
7
5,236
490,3998 3,3990676 623,8452
4
26
265
7
5,236
490,3998 3,3990676 623,8452
5
27
274
8
5,984
489,6518 3,3938831 622,6646
6
28
283
9
6,732
488,9038 3,3886985 621,4839
7
29
292
10
7,48
488,1558
1/T
NA/V
ln(NA/V)
(-dNA/dt) LN(DERIVADA)
3,383514
V (ml)
620,3033
Ao
4,2976
0,004292 0,005443 -5,213497358
0,017459
-4,0479
A1
1011
0,004098 0,005447 -5,212767811
0,006068
-5,10472622
A2
0,94037
0,003922 0,005449 -5,212401168
0,002059
-6,18553485
0,003774 0,005449 -5,212401168
0,002607
-5,94955514
0,00365 0,005451 -5,212033269
0,004885
-5,32158599
0,003534 0,005453 -5,211664109
0,006066
-5,10505587
0,003425 0,005455
0,003325
-5,7062856
4.
-5,21129368
Diésel Pesado “E”
421 = 276,230 = 212, 0,769 = 620.303 276,2303.3835 pág. 8
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208) PARA EL DIESEL PESADO N°
t (min)
T(°C)
Vprod (ml)
m C (gr)
mA(gr) N A(moles)
V (ml)
1
30
302
11
8,459
479,6947 3,3248682 604,1073
2
31
312
12
9,228
478,9257 3,3195381
602,635
3
32
334
21
16,149
472,0047 3,2715672
589,384
4
33
370
21
16,149
472,0047 3,2715672
589,384
1/T
NA/V
ln(NA/V)
(-dNA/dt) N(DERIVADA)
Ao
180,6177
0,003311 0,005504 -5,202321866
0,024775
-3,6979202
A1
118,7248
0,003205 0,005508 -5,201486072
0,022115
-3,81149917
A2
33,92604
0,002994 0,005551 -5,193808788
0,019455
-3,93965117
0,002703 0,005551 -5,193808788
0,016795
-4,08667406
Expresiones Cinéticas GASOLINA
→ → = ∗ exp( ∗ )∗
pág. 9
LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
= 1.76159∗exp(48.1975)∗ . KEROSENE
→ → = 3.609∗exp(719. 169)∗ . DIESEL LIVIANO
→ → . = 0.11785∗exp(1011 )∗ DIESEL PESADO
→ → = 4.58507∗exp(118. 725)∗ .
6) CONCLUSIONES.Para realizar la deducción de la cinética de reacción del proceso de la pirolisis se consideró un reactor semilote, para la cual se obtuvieron datos complementarios de todos los componentes que participaron en la reacción, ya sea de los reactivos como de los productos (densidad, peso molecular). También podemos indicar que los datos que se obtuvieron del Simulador HYSYS son datos generales, no se especifica con claridad si pertenece a productos a reactivos. En los datos de temperatura podemos observar que para cada tiempo la cantidad de producción es mínima esto se debe a que la temperatura varia a cada minuto. Los resultados obtenidos de los parámetros realizados con la ayuda del software POLYMATH de la ecuación de diseño linealizado fueron satisfactorias.
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LAB. DISEÑO DE REACTORES QUIMICOS (PRQ-208)
Los cálculos para determinar la cinética de reacción fueron analizados individualmente, los resultados obtenidos fueron realizados con la ayuda de Excel y posteriormente linealizado con la polymath, lo cual nos indica una reacción elemental para los tres primeros productos (gasolina, kerosene, diésel liviano), mientras que para los dos últimos nos e pudieron determinar porque representan una reacción no elemental, para el último producto (atm, fuel oil), no se pudo realizar los cálculos porque no se cuenta con la suficiente información de datos experimentales.
7) BIBLIOGRAFIA.
Alberto A. Villa (2009) “Que es la Pirolisis” [En línea]. Disponible en http://seguridadcuatro.blogspot.com/2009/03/que-es-la-pirolisis.html [Accesado el día 5 de noviembre de 2016]
Diccionario MOTORGIGA (2013) “Gas-Oil-Definicion- significado” [En línea]. Disponible
en
https://diccionario.motorgiga.com/diccionario/gas-oil-
definicion-significado/gmx-niv15-con194275.htm
[Accesado el día 5 de
noviembre de 2016]
DEFINICION ABC (2012) “Definición de Gasolina” [En línea]. Disponible en http://www.definicionabc.com/medio-ambiente/gasolina.php
[Accesado
el
día 7 de noviembre de 2016]
DE.CONCEPTOS. (2015) “Concepto de Kerosene” [En línea]. Disponible en http://deconceptos.com/ciencias-naturales/kerosene.php [Accesado el día 8 de noviembre de 2016]
Handbook, Harutun.(2003). Handbook of Propylen of Polypropylen.3°ra Edición.E.E.U.U.pp.21-26.
Scott fogler, H., (2008) Elementos de ingeniería de la reacciones químicas, Cuarta Edición, Edición de Rubén Fuerte Rivera.México, Pearson Educatión
8) ANEXOS.-
pág. 11