Introduccin
TRABAJO FINAL DISEO DE REACTORESPIROLISIS DE LA ACETONAANGELA
MILENA DIAZ CARDENAS
243194
DIANA MARIA GOMEZ LOZANO
242976DAVID RONDON AMADO
242802PRESENTADO A:
ING. RUTH LANCHEROS
BOGOTA, 22 DE FEBRERO DE 2006
INTRODUCCINLa ingeniera en una reaccin qumica supone escoger el
sistema ptimo para producir la ms grande cantidad de producto
deseado de forma tal que se tenga un mayor costo - eficiencia. Es
importante determinar qu tipo de reactor deber ser usado y bajo qu
condiciones debe ser operado. Por ejemplo, uno debe determinar si
usar un proceso continuo o batch, dependiendo de la velocidad de
produccin. Para velocidades de produccin mayores que 1.1E8 lbmol /
horas, es ms viable usar operaciones batch. Debido a que la
velocidad de produccin de anhdrido actico esta por encima de 1.1E8
lbmol / horas, decidiremos operar y utilizar uno batch o el proceso
de circulacin.
Se hace importante adems determinar qu reactor se debe usar,
pues este nos dar la informacin complementaria del proceso a seguir
adems del volumen y otras importantes variables.
Algunos de los temas importantes para la ingeniera de reaccin
son: la derivacin de la identificacin de velocidad de reaccin,
Selectividad vs Produccin, Conversin para acetona, y una discusin
detallada sobre el diseo de reactor.
1. EXPERIMENTOS CINETICOS
La derivacin de ecuaciones para reactores no isotrmicos, es un
procedimiento que requiere datos experimentales, procedimientos de
ensayos y error y clculos aproximados.
Existen tres parmetros importantes:
- Orden de la reaccin
- La constante de velocidad
- Energa de activacin.
Los clculos no son exactos ya que algunas reacciones toman lugar
en la seccin de precalentamiento del reactor o en la seccin de
salida donde est el enfriador. Vamos a trabajar en un reactor no
isotrmico, pero utilizando el mtodo de Hougen y Watson podemos
reducir los datos a condiciones isotrmicas.
Volumen del reactor
La ecuacin para evaluar el volumen del reactor se encuentra bajo
condiciones no isotrmicas y es aproximada a perfiles
isotrmicos:
Donde, T es la temperatura del reactor y E la energa de
activacin. El calculo de Vr requieres conocimiento del perfil de
temperatura a lo largo del reactor y de la Energa de activacin, la
velocidad est basada en la ecuacin de continuidad
Mtodo Corto
Este mtodo es preferido sobre el mtodo de Arrhenius ', pues
puede dar una gran seguridad de los resultados en poco tiempo y no
requiere el conocimiento de la constante de velocidad. Para este
mtodo son necesario mnimo 2 ensayos y hay dos consideraciones
preliminares. Primero, las dos lneas de perfil de temperatura,
correspondientes a valores de XAK y de PAC, deben ser paralelas.
Segundo, los velocidades de alimentacin deben ser ajustado con el
propsito de que la conversin obtenida sea igual para ambos ensayos;
luego lo perfiles de Pa vs VR sern idnticos. Por lo tanto, la
energa de activacin, E, puede ser determinada grficamente usando
los datos de dos experimentos, uno en 710C de y otro en 750C.
Midiendo la distancia de lnea horizontal entre las dos lneas
paralelas sobre el grfico de XAK vs. logF, la determinacin de las
dos velocidades de alimentacin es llevada a cabo.
Figura 1. Xak en funcin de Log FDe la siguiente ecuacin la
energa de activacin es encontrada:
Perfil de temperaturaEl perfil de temperatura a lo largo del
reactor es el segundo clculo para la determinacin del volumen de
reactor. Se asumen tres cosas:
- Temperatura de pared es conocido.
- Propiedades fsicas de la acetona y la reaccin en mezcla son
conocidas.
- Composicin del flujo es conocido.
Ecuacin Sieder-Tate (tomada de literatura) para calcular el
perfil de temperatura:
Esta ecuacin puede medir la T del gas, tm, en cualquier punto a
lo largo del reactor, esta basado en un mtodo grfico desde que se
desconozcan tm y L. La siguiente figura muestra la temperatura como
funcin de la distancia del reactor usando la ecuacin de
Sieder-Tate. El perfil calculado de temperatura muestra algunas
cadas en la seccin de recalentamiento y luego hacia el final del
reactor, pero esta desviacin no es tomada en cuenta desde que una
reaccin tome lugar en estas secciones. Es importante notar que el
efecto del calor no fue tenido en cuenta pues hay evidencia
experimental de que el flux de calor de los componente compensa la
reaccin endotrmica.
Figura 2. Perfil de Temperatura.Con el perfil de temperatura y
la energa de activacin conocida, graficando Xak vs VR/FAO se puede
determinar el volumen del reactor. Luego la ecuacin de continuidad
viene as:
Donde la ecuacin de velocidad viene de la forma:
Antes de resolver la ecuacin es necesario expresar Pac como
funcin de Xak. La siguiente figura muestra un ajuste emprico de Pac
como funcin de Xak, donde se realiza la regresin obtenindose:
Figura 3. Funcin de Pa.Despus de resolver la integral y
reemplazar por la correlacin hallada, se tiene la ecuacin de
continuidad como:
Los valores experimentales de V/F y xak son presentados en la
grafica, luego el orden y la constante de velocidad de la reaccin
puede ser determinada graficando kp vs n, la interseccin de estas
curvas corresponden a los valor de k y n.
Figura 4.Determinacin de n y K.Los resultados muestran que a
750C, k= 0.040 y n=1.5. La expresin general de velocidad, que es
funcin de temperatura, es determinada por la manipulacin de la
ecuacin de Arrhenius:
As mismo, este proceso se repite para la descomposicin de la
ceteno, donde la ecuacin de velocidad de reaccin es:
La sustitucin en la ecuacin de continuidad de todo lo
anteriormente expuesto deja:
Anteriormente ya se expres Pac en trminos de Xac, con lo cual ya
es posible integrar y obtener:
Se realizaron algunos cculos a diferentes temperaturas y se
graficaron Xke vs V/F. Lo anterior con ayuda de la hoja electrnica
obteniendose:
La conversin de ceteno ocurre ms rpido a altas temperaturas.
2. CRAQUEO DE LA ACETONALa reaccin de craqueo en fase vapor de
la acetona para producir ceteno y metano ocurre de acuerdo al
siguiente esquema de reaccin:Reaccin principal: Cracking de
acetona
CH3COCH3 = CH2CO + CH4
Reaccin lateral: Descomposicin ceteno (etanona)
CH2CO = CO + 0.5C2H4
SELECTIVIDADLa pirolisis de acetona puede involucrar las
siguientes reacciones:
1. Formacin deseada de ceteno (etanona)
2. La reaccin lateral no deseada de ceteno con monxido de
carbono y metano como productos
3. Coquizacin, rompimiento no deseado de la acetona para formar
carbono, hidrgeno y monxido de carbono
4. Formacin de ceteno a partir de monxido de carbono y
acetona
5. Formacin de anhdrido actico a partir de monxido de carbono y
acetona
Las cinco reacciones anteriormente son postuladas a ocurrir,
pero esta es solo una muestra de una larga lista de todas las
reacciones que han sido propuestas.
La ecuacin base para la cintica de la reaccin es:
Donde:
A es la ceteno, k1 representa la constante de velocidad y la
expresin para esta sera:
Es la presin parcial de la acetona, 1.54 es el orden de la
reaccin a
710C.
K representa ceteno (etanona) y la formacin de metano.
K2 representa la constante de velocidad de reaccin para la
descomposicin de ceteno en monxido de carbono y etano;
,aqu tenemos que la descomposicin del ceteno es de orden
cero.
D representa los productos no deseados de etano y oxido de
carbono.
Para los valores de k1 y k2 se siguieron unos modelos
encontrados en la literatura (ver bibliografa) el rango de
temperatura para las constantes se encuentra entre 700C 750C.
Ahora,
donde
y sustituyendo productos tenemos:
Ahora se presentara los clculos realizados para el desarrollo de
las integrales:
Donde
es la concentracin molar de la acetona, (=2.733E-5 lbmol/L),
esta es calculada mediante la ley de gases ideales a 710C.
Donde CA0 CA es la produccin de ceteno y k2t es la descomposicin
de Ceteno.
(CD=k2t). Lo anterior para realizar una grafica de concentracin
vs. Tiempo.
Grafica N1. Concentracin vs. Tiempo
Figura 5. Concentracin en funcin del tiempo.Esta grafica se
realizo a diferentes tiempos, remplazando estos en las ecuaciones
de concentracin para acetona, Ceteno y etano + oxido de
carbono.
Ntese que en 0.1 s la acetona a alcanzado una conversin del 8%,
y a los 8 s esta ya a alcanzado un 95 % lo que significa que tiene
una alta velocidad de reaccin.
Una vez comprobado que la conversin de acetona es la de nuestro
inters se plantearon las ecuaciones de diseo. Ecuaciones de
Diseo
donde
Sustituyendo U=(1-1.05XA) e integrando obtenemos:
Usando XK=0.10 por ensayo y error para una conversin XA=0.12,
obtenemos:
Con k1= 0.0139 obtenemos:
Si usamos una velocidad de alimentacin (para una conversin del
12%, FA0=1297 lbmol/h=0.360 lbmol/seg encontramos:
Ahora resolvemos para(, (=VR/v, donde:
Con esto ya podemos calcular nA0, nAF, y nK.
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3 Xs es la conversin de acetona con los otros
productos.
Con esto ahora se puede calcular la conversin de acetona y la
selectividad:
En la siguiente grafica se mostrara la relacin de la conversin
con VR/FA0. Sabiendo la conversin deseada. As utilizamos la grafica
para encontrar la mejor alimentacin.
Figura 6. Cnversin en funcin de V/FFigura N2.selectividad vs.
Conversin
La anterior grafica fue realizada a 710C, para la lnea
experimental se tomaron datos de literatura. (Ver bibliografa).
DISEO DEL REACTOR El primer paso para iniciar el diseo del
reactor es obtener los datos que describan su cintica, lo cual ya
fue sacado y analizado anteriormente.
La reaccin a velocidad constante se puede resolver sin depender
de la conversin. A presin constante, la conversin es funcin del
tiempo de residencia del reactor.
Luego, la produccin debe ser especificada. En nuestro caso se va
a toman una produccin de 1.1E8 lb/ao. De aqu, estequiometra,
conversin y selectividad pueden relacionarse con las corrientes. La
conversin ser la variable independiente, la cual corresponde a una
fraccin de la acetona convertida a ceteno. Infortunadamente, algo
de la acetona que se ha convertido se descompone; esto es tomado en
cuenta por la selectividad.
A continuacin se presenta la selectividad en trminos de
conversin:Seleccin del Ceteno vs con.versin de acetona
Figura 7. Selectividad.EL siguiente paso en el diseo del reactor
es escoger que clase de reactor utilizar. Para nuestro diseo
estamos utilizando una pirolisis en horno, la cual se lleva a cabo
a 1292F. Hemos seleccionado este reactor para tener menos problemas
con la polucin del aire, manejar rendimientos de procesamiento ms
altos dando por un coste de capital ms bajo, degrada material
quemado y aade un potencial para recuperar productos qumicos o el
gas de sntesis.
El reactor contiene dos secciones, una seccin convectiva y una
de radiacin. La seccin convectiva es donde la acetona fresca y la
reciclada son precalentadas para reaccionar con temperatura. La
seccin de radiacin es donde el ceteno se forma y descompone el
ceteno toma lugar.
Para disear las especificaciones del horno, el calor necesario
para calentar la acetona a 1292F debe ser calculada. Este valor se
calcula en una balance de entalpa alrededor del horno:
Existen muchas otras especificaciones en el diseo del horno que
deben ser calculadas para lograr la conversin de acetona deseada.
Esta conversin es el resultado del volumen del horno y el tiempo de
residencia. Para sistemas de densidad constante se tiene
(Levenspiel):
Para ensayos de flujo de aire de acetona a 710F se tiene la
siguiente grfica:
Figura 8. Conversin en funcin de V/F a 710CEl horno es en forma
de cilindro tubular, pues as viene el flujo del reactor. Por lo
tanto usando la siguiente ecuacin para el volumen de un cilindro y
usando la altura/dimetro-radio de 6 se dar el la altura y dimetro
de la columna:
En el precalentamiento y seccin de radiacin del reactor, el
cracking trmico de la ceteno se lleva a cabo en rollos largos o
tubos horizontales o verticales en el horno. Los tubos del
precalentamiento y radiacin deben estar hechos de material con
buenas caractersticas trmicas y mecnicas: Cobre, slice, y hierro
libre de nquel. Un buen material para estos tubos podra ser acero
de carbono, cromo / nquel, y acero inoxidable. Para nuestro
proceso, usaremos cromo / nquel como el material del tubo.
Si la conversin es demasiado baja, la distribucin de producto no
podra cubrir las especificaciones; si es demasiado alto las
reacciones no deseadas se llevaran a cabo.
Costo de instalacin =
Una vez el calor total ha sido calculado y el tipo de material
para el tubo ha sio escogido, los costos pueden ser determinados.
Para esto usaremos una correlacin dada por Guthrie para el costo
del proceso de horno:M&S se encuentra en bibliografa (Chemical
Egineering News). El Q es absorbido por el horno y se calcula
dividiendo el calor total por la eficiencia del horno, en el cual
hemos asumido un 80% de eficiencia. Este proceso opera a 1 atm.
De la ecuacin de calor se tiene:
Q = 1.13E5+(-8.97E5)+(-3.35E6)+4.06E5+(-6.259E7)
+(-1.66E7)+(-1.19E8)
= 7.10E7 Btu/h
3. COSTO DE LA PIROLISIS EN EL REACTOR
Datos y constantes tomadas de la literatura.
Costo de compra:
Costo de instalacin:
Costo capital anual:
Costo de operacin:
Costo total:
Dimensiones del reactor y condiciones de operacin
Densidad de la Acetona gaseosa asumiendo gas ideal
La correlacin para volumen/velocidad de flujo molar y la
conversin de Acetona se obtuvo del Chemical Engineering Science,
Vol.13,1990 p.189.
La regresin del logaritmo natural de la fig. 8. (referencia
anterior) obtiene la siguiente correlacin:
Conversin de acetona=y Reactor V/velocidad molar=x
Conversin de Acetona = 12%:
y = 0.12Y= 0.01916*lnx-0.3266 0.12+0.3266 = 0.1916*lnx
0.4466 = 0.1919*lnx
x = 10.2872 L*seg. /mol
F=FAC + RAC = 155.7 lbmol/h + 1141.83 lbmol/h = 1297.53
lbmol/h
Volumen del reactor.
Tiempo de residencia
El tiempo de residencia es calculado mediante la siguiente
ecuacin:( = V/v = volumen de reactor/flujo volumtrico
( = (59.393 ft3*h/4.6977E7 L)*(28.32 L/1ft3)*(3600s/1h) = 0.1289
seg
Dimetro y altura del reactor
D= (59.393ft3*4/6()1/3 = 2.327 ft
H= 6*2.327 ft = 13.962 ft
4. PROCESO DE PRODUCCIN.
Una vez que se obtuvo el diseo del reactor se procede a disear
el proceso mediante el cual se obtendr ceteno a partir de acetona.
El proceso se ve reflejado en un posible diagrama de flujo donde se
muestra todo el proceso de transformacin de la materia prima hasta
los productos finales. En el diseo se tuvo en cuenta los estados en
los cuales se lleva a cabo la reaccin, condiciones de temperatura,
condiciones de presin, operaciones de separacin del producto
principal, operaciones de tratamiento de las corrientes antes y
despus del reactor. Descripcin del proceso. (Anexo 1) La acetona se
almacena en un tanque de almacenamiento se lleva a travs de la
corriente 1 hasta el reactor a una temperatura de 25C y una presin
de 1 atm. De la parte de diseo del reactor y segn Fogler se sabe
que la temperatura de salida del reactor es de aproximadamente
1300C, a esta temperatura salen los gases y vapores en la corriente
2. La corriente dos llega a un Separador de fases donde se condensa
la acetona que no reacciono en el reactor y se lleva nuevamente
hacia el reactor. Esta corriente se encuentra a una temperatura de
56C, la cual es la temperatura de condensacin de l a acetona. La
corriente 4 sale del separador a 56C y llega a un condensador de
donde se separa el ceteno del C2H2, CO2 y CH4. Para esto es
necesario enfriar hasta la temperatura de condensacin del ceteno la
cual es de -49C. La corriente 5 tiene C2H2, CO2 y CH4 que pueden
ser llevadas de nuevo al la caldera para ser quemados para producir
energa para el proceso. Por ultimo la corriente 6 contiene ceteno a
-49C, el cual es guardado en tanques de almacenamiento para su
posterior uso. Uso de cetona.
El ceteno y dicetona son intermedios industriales de gran
importancia. El ceteno es un gas incoloro, altamente reactivo que
es irritante para los pulmones. Por lo general no es almacenado
sino consumido inmediatamente se produce. El mayor uso de este
compuesto es la produccin de anhdrido actico, dicetona, cido
sorbico, cidos cinmicos y cloroacetil cloruro. Dicetona es
producida por autodimerizacin de cetona y es un compuesto ms
estable que puede ser almacenado por semanas bajo refrigeracin.El
consumo total de ceteno y diceteno en los Estados Unidos, Europa y
Japn fue de 470 ton y 71 ton respectivamente.
5. ANALISIS Y CONCLUSIONES.Para la produccin de cetona a partir
de acetona por medio de una pirolisis se debe tener en cuenta la
reaccin de descomposicin de ceteno en CO y Metano. Al tener en
cuenta este aspecto podemos determinar que tiempo de residencia
permite que se obtenga la maxima conversin de acetona en el
producto deseado. Asi por ejemplo se puede ver en el grfico 7. que
al aumentar la conversin la selectividad para producir ceteno
disminuye, tambien en el grfico 5 que a mayores tiempos la
concentracin de ceteno disminuye, esto quiere decir que se comienza
consumir este compuesto para producir CO y metano. Podemos obtener
una concentracin mayor en un tiempo de un segundo a dos segundos,
lo cual concuerda con el tiempo de residencia que se determino para
el reactor. Entonces podemos afirmar que a mayores tiempos de
residencia la conversin de acetona en ceteno disminuye, por lo
tanto la selectividad del proceso. Segn la grafica 6. (Froment,
Pijcke, and Goethals, 1960). Donde se representa la conversin en
funcin de la relacin de volumen del reactor (Vr) y alimentacin (F),
a medida que aumenta esta relacin, aumenta la conversin. Sin
embargo cuando fijamos el volumen del reactor tenemos que variar el
flujo de alimentacin para poder obtener las mayores conversiones
posibles. Para optimizar se debe disminuir el flujo de alimentacin,
para pode obtener conversiones altas y de igual forma disminuir los
tiempos de residencia. Podemos concluir que la produccin de ceteno
a partir de acetona se puede optimizar si se trabajan a bajos
tiempos de residencia entre uno y dos segundos, a flujos de
alimentacin pequeos o a volmenes de reactor mayores. La
selectividad del proceso depende tambin de estos factores.
BIBLIOGRAFIA
1) Fogler, H Scott, Elements of Chemical Reaction Engineering.
Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1986
2) Douglas, M. James, Conceptual Design of Chemical Processes,
McGraw-Hill, Inc. New York, New York, 1988
3) Levenspiel, Octave, Chemical Reaction Engineering, John Wiley
& Sons, New York, New York, 1999
4) Perry, R.H. and D. Green, Perrys Chemical Engineering
Handbook. 6th
edition, McGraw-Hill, New York, 1984
5)
http://environmentalchemistry.com/yogi/chemicals/cn/Ketene.html6)http://200.13.98.241/~antonio/cursos/reactores/notas/aspen/acetone_tubular/acetone_tubular.htmlANEXO
1.
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