acetato metilo

PRODUCCIN DE ACETATO DE METILO

Descripcin del proceso

Los reactivos son almacenados en un tanque diferente cada uno a una temperatura de 25C, es

importante saber que ambos, metanol y cido actico, estan concentrados para escoger el material

de los tanques, de dichos tanques cada reactivo es subido por una tubera de 1.5 plg tamao

nominal por medio de dos bombas, una para cada uno, para ser introducidos a los respectivos

interacambiadores de calor para su acondicionamiento antes de ingresar al reactor. La entrada de

alimentacin a dicho reactor est a la altura de la salida de los intercambiadores. Dichos

intercambiadores trabajan con vapor de agua obtenido en una caldera (vvc) y en ellos se calientan

los reactivos hasta la temperatura de reaccin (328K). Toda la tubera utilizada es de acero de 1.5

plg tamao nominal.

Como el reactor trabaja isotrmicamente la corriente de salida contiene los dos reactivos y adems

acetato de metilo y agua, se encuentra a 328K, y de all es conducida a una bomba que la eleva

hasta una altura necesaria para alcanzar la etapa de alimentacin de la torre de destilacin I cuyo

producto de cabeza es una mezcla de metanol con acetato a la composicin azeotropica a 1.2 bar y

Temperatura azeotrpica, mientras el producto de cola es una mezcla de methanol, agua y cido

actico.

Posteriormente este producto de cola es llevado a la torre de destilacin III donde se separa la

mayor parte del methanol de la mezcla como producto de cabeza (con algo de agua y cido

actico) y teniendo como producto de cola cido actico diluido. Como en las dems torres de

destilacin es necesaria una bomba para llevar la corriente hasta la etapa de alimentacin.

El producto de cabeza es llevado a la torre II donde se baja la presin drsticamente, empleando

una bomba de vaco, hasta 0.3 bar para desplazar el azeotropo acetato de metilo-metanol de

manera que el producto de cabeza pueda tener una alta composicin de acetato muy cercana a la

azeotropica. En cuanto al producto de cola de dicha torre es methanol y acetato en pequea

cantidad y con una composicin mayor de methanol.

Produccin Mundial:

El Acetato de metilo es producido en Venezuela, Estados Unidos y Alemania.

Produccin Colombiana:

En Colombia no se produce, por esta razn es importado de los pases productores.

Utilizacin o aplicabilidad del Acetato de Metilo:

El Acetato de Metilo de alta pureza es usado, en grandes cantidades, como intermediario en la

manufactura de gran variedad de poliesteres, como base para pelculas fotogrficas, como materia

prima para Acetato de Celulosa, plsticos de celulosa, filtros de cigarrillo y, principalmente, en la

produccin de solventes, colorantes y otros productos anlogos.

Mtodos de sntesis y cual es el mas usado:

Proceso para la produccin de Metil Acetato a partir de Metanol y Monxido de

Carbono utilizando un nuevo catalizador:

Resumen:

El metil acetato es preparado en buena produccin por reaccin de metanol con monxido de

carbono en presencia de un catalizador de composicin homognea que comprende un compuesto

que contiene rutenio, un compuesto que contiene cobalto y una base o sal cuaternaria de onium, y

calentando la mezcla resultante en una temperatura y presin elevada por suficiente tiempo para

producir el metil acetato deseado, y luego recuperar el mismo e la mezcla de reaccin.

Lo que se pretende es:

1. Un proceso para preparacin de metil acetato por metanol y monxido de carbono el cual

comprende el contacto de una mezcla de metanol y monxido con una cantidad cataltica

de un sistema catalizador de Yodo libre el cual comprende un compuesto que contiene

rutenio, un compuesto que contiene cobalto y una base o sal cuaternaria de onium,

calentando la mezcla resultante en una temperatura arriba de los 100 C y una presin

sobre atmosfrica por suficiente tiempo para producir el metil acetato deseado, y luego

recuperar el mismo de la mezcla en reaccin.

2. Un proceso como en 1 donde la mezcla en reaccin dicha es calentada en una temperatura

entre 150 C a 350C.

3. Un proceso como en 1 donde el proceso es conducido en una presin entre 1000 psi y

7560 psi.

4. Un proceso como en 1 donde el compuesto que contiene rutenio es un miembro del grupo

que consiste de xidos de rutenio, acetilacetonato de rutenio, y carbonil y

hidrocarboniliutenio.

5. Un proceso como en 1 donde el compuesto que contiene rutenio es un miembro del grupo

que consiste de dixido de rutenio anhidro 4, dixido de rutenio 4 hidratado, tetroxido de

rutenio 8, acetato de rutenio, propionato de rutenio, acetilacetonao de rutenio 3 y

dodecarbonil trirutenio.

6. Un proceso como en 1 donde el compuesto que contiene cobalto es un miembro del grupo

que consiste de carbonilos de cobalto y derivados de ellos obtenidos por reaccin del

carbonilo con un donante del grupo 5.

7. Un proceso como en 1 donde la base o sal cuaternaria de onium es una sal cuaternaria de

fosfonium.


amonio.


tetrahidrocarbilfosfonium.


tetralkilfosfonium.

Fondo de la invencin:

1. Campo de invencin:

Esta invencin relaciona nuevos procesos para preparar metil acetato. Mas particularmente,

la invencin relaciona un proceso desarrollado para preparar metil acetato desde metanol y

monxido de carbono utilizando un sistema de catlisis nuevo.

Especficamente, la invencin, provee un sistema nuevo y desarrollado para preparacin de

metil acetato.

2. Arte previo:

El metil acetato es un qumico el cual ha encontrado un amplio uso en la industria. El es

usado, por ejemplo, en la produccin de cido Actico anhidro, cido Actico y Etil Acetato,

y como un solvente o disolvente o diluente.

Varios mtodos han sido utilizados en el pasado para la produccin de acetato de metilo.

Este ester puede ser producido por ejemplo por la reaccin de alcohol metilico con cido

actico, el cual a la vez es obtenido por carbonilacion usando un promotor Yodo y Rhodio.

Una sntesis directa de alcohol metilico podra ser mas econmica y altamente deseable.

Ha sido propuesto preparar el acetato de metilo por carbonilacion directa de metanol, pero

estos mtodos no han sido enteramente satisfactorios porque ellos dan bajas producciones

del ester deseado o usan un catalizador costoso que es difcil de utilizar a gran escala.

Destilacin reactiva.

La destilacin reactiva es un proceso combinado, utilizado principalmente para aquellas reacciones

qumicas en las que el equilibrio de reaccin limita la conversin, en un reactor de lecho fijo, de un

nivel bajo a moderado. La separacin continua de uno de los productos, permite que la reaccin

proceda, a mucho mas alto nivel de conversin, en sentido directo.

Este es el procedimiento mas usado actualmente ya que sus caractersticas presentan ciertas

ventajas siendo una de las mas importante la disminucin en el consumo de energa y la reduccin

del costo de mantenimiento de los equipos. Por llevarse a cabo la reaccin qumica y la destilacin

en un mismo equipo, un paso del proceso es eliminado, en asocio con las bombas, vlvulas e

instrumentacin.

La destilacin reactiva se lleva a cabo en una columna de reaccin a contracorriente. La reaccin

ocurre en la zona media de la columna o seccin de reaccin, en una serie de etapas de

evaporacin a contracorriente. En la seccin superior, el agua es extrada con cido actico en la

zona de destilacin extractiva en la que se ubica la alimentacin de cido actico. El cido actico y

el acetato de metilo son separados por encima de la alimentacin de cido actico, en la seccin de

rectificacin. En la seccin mas baja de la columna, el metanol es despojado del agua. Por tanto, el

acetato de metilo refinado es el producto de la cabeza de la columna de destilacin reactiva, y el

agua es el producto de fondo.

Para hacer practico el concepto, debe seleccionarse un catalizador apropiado, y las impurezas de

punto intermedio de ebullicin, deben ser removidas mediante una corriente lateral en un punto

apropiado de la columna reactiva.

Produccin de mtil acetato en un reactor de esterificacin El objeto de esta invencin es proporcionar un proceso para la produccin de metil acetato. Es un

proceso integrado que consiste de alimentacin continua de metanol y cido actico a un reactor

de esterificacin. Dicho reactor conteniendo inicialmente un solvente que forma un azeotropo de

punto e ebullicin mnimo y es insoluble en agua, luego ingresan el cido actico, el metanol y el

catalizador para la esterificacin, para producir un producto que contiene principalmente metil

acetato, metanol sin reaccionar, solvente y agua.

Destilando el producto en una torre de destilacin, obteniendo en los productos de cabeza una

corriente que contiene principalmente metil acetato, condensndolo, regresando una porcin a la

columna como reflujo y pasando el que permanece, con o sin purificacin posterior, a la siguiente

operacin, removiendo de un punto intermedio en la columna una fraccin de lquido lateral que

contiene agua, metil acetato y solvente con algo de metanol, enfriando esta faccin, separando la

fraccin por decantacin dentro de una fase orgnica superior que contiene principalmente solvente

y algo de metil acetato, y una fase acuosa inferior que comprende principalmente agua y algo de

metil acetato y metanol, retornando la fase orgnica separada a la columna en un punto ms bajo

de donde fue removida la fraccin y pasando la fase acuosa separada a una columna de stripping

donde una fase de base acuosa es separada de una fraccin de cabeza, la base acuosa es retirada

del proceso y la fraccin de cola recirculada al reactor de esterificacin y/o a la columna de

destilacin.

El solvente puede ser adicionado al reactor o en un punto apropiado de la columna de destilacin;

puede ser cualquier hidrocarburo, eter, ester o cetona, algunos ejemplos apropiados son: Tolueno,

di-isobutil eter, normal e isobutil acetato, metil isobutil cetona.

El catalizador apropiado puede ser un cido mineral como el sulfrico o uno orgnico como el

metanosulfnico, el cul es preferido aqu. El catalizador puede estar presente en cantidades de 0.1

al 10%, preferiblemente del 2 al 6% en peso total de masa reaccionante

Origen y accesibilidad de la materia prima :

cido Actico:

El cido Actico es de fcil adquisicin en nuestro pas. La empresa Sucromiles en Palmira, esa la

principal productora a nivel mundial de este compuesto (40000 lb/da), va biotecnolgica. Tambin

se importa de Estados Unidos. El cido actico es de fcil manipulacin y almacenamiento.

Metanol:

En Colombia no existe ninguna empresa manufacturera de metanol, sin embargo, ENKA de

Colombia lo tiene como subproducto, por lo que puede considerarse de fcil consecucin. En su

gran mayora se importa de Venezuela y Estados Unidos. El metanol es un compuesto de fcil

manipulacin.

Tipos de reactores que se utilizan

De acuerdo a lo investigado y resumido en las patentes anteriores los reactores que ms se

emplean en este tipo de reacciones (esterificacin), son los reactores de tanque agitado del tipo de

operacin continua y del tipo semibatch. La seleccin del reactor depende del tipo operacin de

separacin que se vaya a realizar, es decir, si se va a hacer una destilacin diferencial o una

continua.

Exigencias

Las siguientes especificaciones, aplicaciones, propiedades, almacenamiento y empacado del

producto fueron proporcionadas por la empresa ERKOL S.A. (USA)

Referencia: MM-80

Pureza: 79.5% en peso min.

Densidad a 20C: 0.902 0.003g/cm3

Acidez: 0.05% en peso mx.

Contenido de agua: 0.05% en peso mx.

Aplicaciones: preparacin de solventes para lacas y una amplia variedad de resinas. Solvente

general para limpiar y remover pinturas y barnices con base de nitrocelulosa.

Empacado: contenedores de 20 a 25 TM de capacidad mx.

Almacenamiento: el MM-80 debe ser almacenado en reas ventiladas lejos de fuentes de ignicin y

sustancias oxidables incompatibles. Es estable a temperatura ambiente y bajo condiciones normales

de uso.

Seguridad Industrial

N Identificacin de riesgos.

Peligro, lquido y vapor extremadamente flamable. El vapor puede causar una llamarada.

Causa irritacin en la piel, ojos y el tracto respiratorio, es fatal si se ingiere. Afecta el

sistema nervioso central.

Ratings:

Sanidad: 1-ligero.

Flamabilidad: 3-severo.

Reactividad: 1-ligero.

Equipo proteccin: gafas, delantal de laboratorio, ventilacin, guantes, extinguidor clase B.

Color de almacenamiento: Rojo (flamable).

Efectos en la salud

Inhalacin: la inhalacin de vapores causa irritacin de los ojos, nariz y tracto respiratorio;

los vapores tienen un efecto narctico, produciendo sntomas de disnesia, depresin,

desaliento y arritmia. Altas concentraciones pueden causar depresin CNS caracterizada por

la inflamacin de los ojos, irritacin neural, dolor de cabeza, disnesia, conjuntivitis y

somnolencia.

Ingestin: puede producir dolor abdominal, nauseas. La aspiracin en los pulmones

produce daos severos.

Contacto con la piel: causa prdida de aceites naturales e irritacin de la piel.

Contacto con los ojos: los vapores pueden causar irritacin con enrojecimiento, lloriqueo y

dolor.

h Primeros auxilios

Inhalacin: llevar aire fresco, si no responde dar respiracin artificial, si la respiracin es

difcil dar oxgeno. Dar atencin mdica

Ingestin: si lo ingiri, el vmito ocurre espontneamente, no inducir. Si vomita, colocar la

cabeza abajo para prevenir la aspiracin en los pulmones. Nunca d nada oral a una

persona inconsciente.

Contacto con la piel: lavar inmediatamente la piel con abundante agua durante 15 min.

Remueva la ropa y los zapatos contaminados.

Contacto con los ojos: lavar inmediatamente los ojos con abundante agua durante 15 min.

M Medidas de Fuego

Flash Point: -10C (14F)

Temperatura de autoignicin: 454C (849F)

Lmites Flamables en % de aire por volumen: lel: 3.1; vel: 16.

Explosin: Arriba del flash point las mezclas vapor aire son explosivas cerca de los lmites

notados arriba. Los contenedores sellados pueden romperse cuando son calentados.

Sensible a descargas estticas.

Medios para extinguir: qumicos secos, alcohol en espuma o dixido de carbono, el agua no

puede ser efectiva.

~ Medidas en caso de accidente

Ventilar el rea de escape o derrame. Remueva todas las superficies de ignicin. Aisl el

rea. Recoja el lquido e un contenedor o absorbedor apropiado con un material inerte

(verniculita, arena seca o tierra seca) y colquelo en un contenedor de desechos qumicos.

No use materiales combustibles. No inunde para desechar. Si la fuga o derrame no se ha

encendido, use spray de agua para dispersar los vapores.

> Manejo y almacenamiento

Proteja contra daos fsicos. Almacene en lugar fresco y seco, lejos de un rea donde haya

peligro de fuego. Se aconseja almacenamiento externo o por separado. Los contenedores

deben ser aislados y colocados en tierra para evitar descargas elctricas. En el rea de

almacenamiento no se debe fumar. Utilice herramientas antiestticas. Aslelo de sustancias

incompatibles.

Controles de exposicin y proteccin del personal.

Lmites de concentracin en el aire

- OSHA: Lmite permitido de exposicin (PEL): 200 ppm (TWA).

- ACGIH: Treshold limit value (TLV): 200 ppm (TWA) 250 ppm (STEL).

Sistema de ventilacin: Se recomienda un sistema local o general de escape. Generalmente

se usa el sistema local porque puede controlar las emisiones en la misma fuente de

contaminante, previniendo la dispersin en el aire total de trabajo.

Proteccin para la piel: ropa impermeable, botas, guantes, delantal de laboratorio.

Proteccin para los ojos: gafas qumicas de seguridad o una mscara.

> Estabilidad y reactividad

Estabilidad: estable a temperatura ambiente en contenedores sellados

Peligro por productos de descomposicin: se puede formar CO2 y CO cuanta se calienta

para descomponer.

Peligro por Polimerizacin: no ocurre

Incompatibilidades: Nitratos, oxidantes fuertes, lcalis y cidos; reacciona lentamente con

el agua.

Condiciones a prevenir: Calor, llama, fuentes de ignicin e incompatibles.

N Informacin Toxicolgica.

Oral R LD50>5g/kg; Piel R. LD50>50g/kg

Datos de irritacin: Piel R. 500mg/24h, suave, leve

Ojos R: 100mg/24h, moderado.

Propiedades del cido Actico.

Propiedades fsicas.

Densidad (g/cm3) 1.0492

ndice de refraccin 1.3716

Punto de fusin (c) 16.6

Punto de ebullicin (c) 117.9

Punto de flash (c) 39

Tensin superficial (dinas/cm3) a = 29.58 b = 0.0094

Constante dielctrica 6.15

Momento dipolar (debyes) 1.76

Masa molecular (g/gmol) 60.052

Viscosidad (N*s/m2) 1.232

Presin de vapor (mm Hg.) A = 16.8080 B = 3405.57 C = -56.340

Propiedades criticas.

Tc (k) 594.4

Pc (atm) 57.1

Vc (cm3/gmol) 171.3

Zc 0.2005

w 0.4477

Propiedades termodinmicas.

DHf (kJ/mol) -484.4

DGf (kJ/mol) -390.2

DSf (J/c*mol) 159.9

Cp (kJ/kmol*k)

v Gas ideal A + BT + CT2 + DT3 + ET4

A = 6.89949 B = 257.0680*10-3 E = -12.31750*10-12

C = -191.771*10-6 D = 75.7676*10-9

v Liquido A + BT + CT2 + DT3

A = 1.7791 B = 13.456*10-4

C = -13.378*10-7 D = 10.368*10-10

Nota: Todas las propiedades a 20 C

La ecuacin para la tensin superficial es: g = a b T (C)

La ecuacin para la presin de vapor es: ln Pv = A B / (T + C), T en K

Propiedades del Metanol

Propiedades fsicas.



Punto de fusin (c) -97.7


Punto de flash (c) 12.0








Tc (k) 512.6

Pc (atm) 79.9

Vc (cm3/gmol) 118.0

Zc 0.2241

w 0.5553


DHf (kJ/mol) -239.30

DGf (kJ/mol) -166.80

DSf (J/c*mol) 127.20

Cp (kJ/kmol*k)


A = 34.49250 B = -29.18870*10-3

C = 286.8440*10-6 D = -312.5010*10-9

E = 109.8330*10-12


A = 1.82964*10 B = 4.72118*10-1

C =-1.33878*10-3 D = 1.31424*10-6

Mezclas azeotrpicas binarias

Acetato de metilo Metanol

v Punto de ebullicin (c) 53.5

v Composicin (% peso )

Metanol 19.0

Acetato de metilo 81.0




Propiedades del Acetato de Metilo.

Propiedades fsicas.



Punto de fusin (c) -98

Punto de ebullicin (c) 57

Punto de flash (c) -10








Tc (k) 506.8

Pc (atm) 46.3

Vc (cm3/gmol) 228.0

Zc 0.2538

w 0.3206


DHf (kJ/mol) -445.8

DGf (kJ/mol) ______

DSf (J/c*mol) ______

Cp (kJ/kmol*k)


A = 48.02070 B = 112.2610*10-3

C = 266.8210*10-6 D = -403.3800*10-9

E = 161.4930*10-12


A = 1.9287 B = 29.090*10-4

C = -113.01*10-7 D = 168.380*10-10

Mezclas azeotrpicas binarias

Acetato de metilo Metanol



Metanol 19.0


Acetato de metilo Agua



Agua 5.0





Propiedades del Agua.

Propiedades fsicas.



Punto de fusin (c) 0.0


Punto de flash (c) ------

Tensin superficial (dinas/cm3) ---------

Constante dielctrica ------

Momento dipolar (debyes) ------


Viscosidad (N*s/m2) ------



Tc (k) 647.3

Pc (atm) 217.6

Vc (cm3/gmol) 56.0

Zc 0.2294

w 0.3206


DHf (kJ/mol) -285.83

DGf (kJ/mol) -237.129

DSf (J/c*mol) ---------

Cp (kJ/kmol*k)


A = 34.04710 B = -9.65064*10-3

C = 32.9983*10-6 D = -20.4467*10-9

E = 4.30228*10-12


A = 1.82964*10 B = 4.72118*10-1

C =-1.33878*10-3 D = 1.31424*10-6




Cintica Qumica

Para la reaccin reversible en fase lquida:

OHCOOCHCHOHCHCOOHCH 23333 ++

Tomando:

A: CH3COOH C: CH3COOCH3

B: CH3OH D: H2O

La reaccin queda:

DCBA ++

La ecuacin de velocidad de reaccin para el reactivo A es:

-rA = K1CACB K2CDCC

Si Ke es la constante de equilibrio y:

2

1

KK

Ke =

La ecuacin de velocidad queda:

-=-

e

DbAA K

CcCCCKr 1

De acuerdo a lo presentado en la tesis Modelamiento matemtico y simulacin de una columna

para la obtencin de acetato de mtilo por destilacin reactiva, la ecuacin para K1 es:

K1 = K3.Xcat+K4.Xcat

Donde :

Xcat: composicin msica de catalizador

Las correspondientes ecuaciones para K3 y K4 son:

-=

RTEa

K exp485.03 Ea = 41800 J/mol

-=

RTEa

K exp123.04

Termodinmica, equilibrio qumico y de fases.

Para nuestro caso como no se dispona de datos bibliogrficos acerca de la conversin alcanzada en

esta reaccin, nos propusimos calcularla por medio de la Termodinmica y el equilibrio qumico.

A continuacin se presenta un algoritmo de clculo detallado.

Nuestra reaccin es:

DCBA Cat ++

Debemos entrar los valores de calores de formacin ?Hf0 y las energas libres de formacin

? Gf0 de cada una de las sustancias a 298K.

Calculamos el cambio en la entalpa estndar y la energa de gibas estndar ? H00 y ? G0

0

respectivamente, a 298K

Hi

i00 D=D ofiHs

Gi

i00 D=D ofiGs

Donde si es el coeficiente estequiomtrico de cada una de las sustancias presentes en la

reaccin, referido al reactivo lmite, en nuestro caso todos los coeficientes estequiomtricos

valen 1.

Asumimos una temperatura de reaccin para calcular el calor de reaccin o entalpa de

reaccin ? Hr a esta Temperatura.

D+D=DT

r CpdTHH15.298

00

?Cp= ?A+?BT+?CT2+?DT 3

=Di

iiAA s =Di

iiBB s

=Di

iiCC s =Di

iiDD s

Determinamos la constante de equilibrio a 298K por medio de ? G00 :

RTG

K00

298lnD

-=

Determinamos la constante de equilibrio a la Temperatura asumida por medio de la

ecuacin:

-

D=

15.29811

ln0

298 TRH

KK r

Ahora con la K calculada a la Temperatura supuesta determinamos el valor de ? G0 por

medio de la ecuacin:

RTG

K0

lnD-

=

Como se puede apreciar en este clculo obtuvimos para un determinado valor de la

Temperatura un valor de la constante de equilibrio y de ? G0 necesarios para determinar el

equilibrio qumico. Por medio de un programa se pueden obtener valores de ? G0 y K en

funcin de T, se construyen graficas de K vs. T y ? G0 vs. T. A partir de estas graficas

establecemos la Temperatura ptima de reaccin.

Una vez definida la Temperatura de reaccin se define la correspondiente constante de

equilibrio y con ella la conversin en el equilibrio e.

eses

.0 ++

==nn

nn

X iioii =i

iss

Donde:

Xi: composicin molar de la sustancia i. ni: moles de la sustancia i.

nio: moles iniciales de la sustancia i. n: moles totales.

no: moles totales iniciales. s: coeficiente estequiomtrico total.

De esta manera para el metil acetato:

aguaAcmet XX ==+=

202.ee

Para el cido actico:

olmeHac XX tan21

=-

=e

En el equilibrio:

( )22

tan

.

1.

.

ee-

==olmeHac

aguaAcmet

XX

XXK

Realizando una primera aproximacin, en esta ecuacin se calcula el valor de e a partir del

valor de K hallado, despus se calculan los valores de las composiciones en el equilibrio de

cada una de las sustancias.

Con estas composiciones conocidas se calculan los coeficientes de actividad de las

sustancias a la Temperatura ptima de reaccin para emplearlos en la ecuacin:

( )22

tan

..

1...

...

ee

gg

gg

-==

aguaolmeHacHac

aguaaguaAcmetAcmet

XX

XXK

Por medio de una serie de iteraciones se halla el valor real de e y de las composiciones en

el equilibrio.

Muestra de clculo

Sustancia ? Hf0 (kJ/kmol) ? Gf

0 (kJ/kmol) Acetato de Metilo -442874.704 318280.00

Agua -285830.000 237129.00 cido actico -484500.000 -389900.00

Metanol -238660.000 -166270.00

A partir de las ecuaciones:

Hi

i00 D=D ofiHs = -5549.7040 kJ/kmol

Gi

i00 D=D ofiGs = 761 kJ/kmol

Asumiendo que la reaccin se lleva a cabo a 40C = 313.15K

RTG

K00

298lnD

-=

K298 = 0.8541

Ahora procedemos a hallar ? Hr:

Para cada sustancia: Cp= A + BT + CT2 +DT3 (kJ/kmol) T en K.

Sustancia A B C D Acetato de Metilo 3.92701*10 7.96701*10-1 -2.47205*10-3 3.23124*10-6

Agua 1.82964*10 4.72118*10-1 -1.33878*10-3 1.31424*10-6 cido actico -3.60814*10 6.04681*10-1 -3.93957*10-4 -5.61602*10-7

Metanol -2.58250*102 3.35820*100 -1.16388*10-2 1.40516*10-5

?A= 351.8979 ?B=-2.6491

?C= 8.22*10-3 ?D=-8.9413*10-6

Reemplazando:

=D15.313

15.298

/7225.618 kmolkJCpdt

?Hr= -5549.7040kJ/kmol +618.7225kJ/kmol = -4930.9815 kJ/kmol

A partir de:

-

D=

15.29811

ln0

298 TRH

KK r

K313.15= 0.9404

RTG

K0

lnD-

=

? G0=159.9868 kJ/kmol

Para construir las grficas K vs. T y ? G0 vs. T, se suponen otros valores de Temperatura. Las

grficas obtenidas son las que se muestran en las Fig. 1 y Fig. 2.

Analizando la grfica K vs. T se ve que a partir de T= 328K la pendiente de esta curva no cambia

mucho con el incremento de la temperatura, por lo cual elegimos esta como la T ptima de

reaccin, dado que un incremento en la temperatura no se justifica pues el valor de K no va a

cambiar mucho. Adems realizando un anlisis similar a la grfica ? G0 vs. T, y teniendo en cuenta

que un sistema est en equilibrio para cambios negativos de ? G0 y cuanto ms pequeos sean

estos cambios mejor, se llega a la misma conclusin.

De la grfica K vs. T para T= 328K, K= 1.0164

Reemplazando valores y a partir de:

( )22

tan

.

1.

.

ee-

==olmeHac

aguaAcmet

XX

XXK

e= 0.5020

Con este valor inicial de e, se pueden calcular las composiciones de las sustancias:

aguaAcmet XX ==+=

202.ee

= 0.251

olmeHac XX tan21

=-

=e

= 0.2489

Con estos valores y el valor de la T de reaccin se calculan los coeficientes de actividad por medio

del programa Destilacin :

1tan

1

1

1.

10*0727.3

10*3523.7

10*5495.8

10*7801.7

-

-

-

-

=

=

=

=

olme

Hac

agua

acmetil

g

g

g

g

Despus de realizar varias iteraciones se encuentran los valores reales:

e= 0.3181

1tan

1

1.

10*2927.3

10*55.5

3345.110*398.6

-

-

-

=

=

==

olme

Hac

agua

acmetil

g

g

gg

aguaAcmet XX ==+=

202.ee

= 0.1591

olmeHac XX tan21

=-

=e

= 0.3410

Condiciones ptimas de Proceso

En los intercambiadores de calor se trabaja con agua como fluido de servicio. En el punto anterior

se hallo la temperatura a la cual va a operar el reactor. Para determinar la presin de operacin

calculamos la presin de vapor del acetato de metilo, que es la sustancia ms voltil, a la

temperatura de reaccin. Para las condiciones de operacin en la torre de destilacin I evaluamos

el equilibrio lquido vapor del sistema a al presin de operacin del reactor, a partir de este

equilibrio decidimos trabajar la Torre a esta presin y a una Tmx = Tazeotropo = 331.4716K. Para la

torre II evaluamos el EVL del sistema metanol-metil acetato. Al analizar este sistema a diferentes

presiones, notamos que la composicin del azeotropo para el metil acetato aumenta a medida que

disminuye la presin de operacin, es por esto que decidimos trabajar a una presin baja (0.3

bar).Las condiciones de operacin de la torre III no se especifican por cuanto se trabaja con un

sistema terciario y nuestros conocimientos no abarcan an esa clase de separacin.

Unidad Poperacin (bar) Toperacin (K) Intercambiador I 1.0 - Intercambiador II 1.0 -

Reactor 1.2 328 Torre I 1.2 332 mx. Torre II 0.3 298 mx.

En el intercambiador el metanol y el cido actico entran a 298K y salen a 328K.

Parmetros de conversin, selectividad y rendimiento.

Ya que no se cont con datos de la literatura para los anteriores parmetros tomamos, de acuerdo

a la conversin de equilibrio hallada en la parte termodinmica, una conversin del 29% previo

acuerdo con el profesor.

SEPARACIN DEL PRODUCTO:

El proceso de la planta que se pretende montar consta de un reactor donde se lleva a cabo la

reaccin isotermicamente y cuya corriente de salida contiene los dos reactivos (metanol cido

actico) y los dos productos (acetato de metilo agua). Para la separacin de dicha mezcla se va a

utilizar un sistema de tres torres de destilacin.

En la primera torre, que recibe la corriente que sale del reactor, se destila el azetropo (metanol -

acetato de metilo) como producto de cabeza en el cual se saca todo el acetato presente en la

mezcla, el producto de cola de dicha torre contiene metanol, agua y cido actico. Esta primera

torre trabaja a 1.2 bar de presin.

El producto de cabeza de la torre 1 es llevado a una segunda torre donde se pretende purificar el

acetato de metilo, dicha torre es trabajada a baja presin (0.3 bar) para desplazar el azetropo a

una composicin mayor de acetato conservando una temperatura de operacin coherente.

El acetato en mayor composicin y algo de metanol es obtenido como producto de cabeza, de esta

misma manera el producto de cola es una mezcla de los dos con metanol en mayor composicin.

El producto de cola de la torre 2 es llevado a una tercera torre donde se busca separar el metanol

casi puro debido a su bajo punto de ebullicin respecto al agua y el cido. En esta torre 3 el

producto de cabeza es metanol con cido y agua en pequeas cantidades y el producto de cola

contiene solo agua y cido actico en cierta proporcin.

Separacin multicomponente

Muchas de las destilaciones en la industria emplean ms de dos components. No obstante que los

principios establecidos para soluciones binarias se aplican generalmente a estas destilaciones, se

introducen nuevos problemas de diseo que requieren consideracin especial.

Un principio importante que debe acentuarse es que un nico fraccionador no puede separar ms

de un componente en forma razonablemente pura a partir de una solucin de varios components,

sino que se requerir un total de n-1 fraccionadores para lograr la separacin compoleta de un

sistema de n components.

Los principios de diseo de los fraccionadores de multicomponentes son los mismos que en muchos

aspectos que aquellos para sistemas binarios, pero la escasez de adecuados datos en el EVL

imponen severas restricciones a su aplicacin. Otro serio problema que an no se resuelve son los

mtodos inadecuados de manejar la eficiencia de los platos en los sistemas multicomponentes.

El procedimiento de diseo de una torre para sistema multicomponente es el de Thiele-Giddes. Este

mtodo supone que para una alimentacin dada, se conocen desde el principio el nmero de

platos, la posicin del plato de alimentacin, la relacin lquido/ vapor y la temperatura en cada

plato; en consecuencia, proceda a calcular el producto destilado y el residuo resultante. Por

supuesto, en la mayora de los casos, al principio de los clculos se desconocen las cantidades

necesarias. En el libro Operaciones de Transferencia de masa de Treybal, se seala un esquema

que empieza por obtener, con un mnimo de pruebas, la informacin necesaria para utilizar el

mtodo Thiele- Giddes as como el desarrollo del mismo para obtener el diseo final.

Conveniencia de un reactor isotrmico o no isotrmico y seleccin del reactor:

La reaccin de cido actico con metanol que se trabaja en el procedimiento descrito es cataltica y

esto hace necesario que se haga un anlisis detallado de todas las condiciones de operacin del

reactor.

Como el catalizador a utilizar es slido se requiere e un sistema de agitacin que lo distribuya por

toda la mezcla para que haya un buen aprovechamiento del mismo. Dicho sistema de agitacin nos

garantiza la uniformidad de todas las propiedades de la mezcla reaccionante al interior del

recipiente. Debido a que la reaccin es reversible, y de acuerdo al anlisis termodinmico ya

realizado a la misma se encontr que existe una temperatura optima de reaccin a la cual se debe

llevar a cabo para garantizar una mxima conversin (conversin de equilibrio). Teniendo en

cuenta que el recipiente es agitado se podra creer que esto es suficiente para conservar la

temperatura de reaccin en todo el recipiente, pero no se puede olvidar que la reaccin es

exotrmica y la liberacin del calor de reaccin representa un inconveniente ya que podra calentar

la mezcla reaccionante y elevar la temperatura perturbando el equilibrio y ocasionando que no se

consiga la mxima conversin . En consecuencia al inconveniente anterior se hace necesario utilizar

un enchaquetado de enfriamiento para retirar el calor de reaccin y garantizar el mantenimiento

de la temperatura optima para que se obtenga la mxima conversin.

Del anlisis anterior se obtiene el perfil del reactor necesario:

Un CSTR (empacado)con catalizador slido e isotrmico con enchaquetado de enfriamiento. Las

caractersticas de dicho reactor se describirn mas a fondo cuando se presente el diseo del mismo.

El comportamiento de la constante de equilibrio para una reaccin exotrmica con la temperatura

es la siguiente:

Como se observa en la grfica un incremento de la temperatura conduce a una menor conversin

de equilibrio. Este es uno de los motivos por los cuales conviene trabajar el reactor isotrmico, de

manera que al retirar el calor de reaccin de la mezcla reaccionante se prevenga un calentamiento

de la misma y una posible disminucin de la conversin del equilibrio.

Otra ventaja de llevar el control de la temperatura es prevenir que se alcancen temperaturas para

las cuales la velocidad de reaccin sea tan lenta que no se aproveche el catalizador en el perodo

de residencia de la mezcla y se obtengan de estas formas conversiones en el equilibrio muy bajas.

Balance molar y msico general.

Reactor

Reaccin:

DCBA Cat ++

Balances estequiomtricos:

FA= FA 0(1-X) Fc= FA 0X

FB= FA 0(1-X) FD= FA 0X

Ecuacin de diseo

C

CC

rFF

W-

-= 0

Ecuacin cintica

rC =

-=-

e

DbAA K

CcCCCKr 1

-

=

e

DbA

C

KCcC

CCK

FW

1

W: masa de catalizador

K1 = K3.Xcat+K4.Xcat Xcat = 0.08

-=

RTEa

K exp485.03 = 710*0693.1

328../314.8/41800

exp485.0 -=

-

kkmolJmolJ

-=

RTEa

K exp123.04 = 2.7118*10-8

K1 = 2.8538 *10-9m6/Kg.mol.s

Resolviendo los balances estequiomtricos se obtiene:

FA 0 = FB0 = 147.7624 mol/s

FC = FD = 42.8511 mol/s

Como la reaccin se lleva a cabo en fase lquida:

v0A = slt

Kgkmol

ltkg

skmolCF

A

A 4436.8

601

.05.1

/1477624.0

0

0 ==

v0B = slt

Kgkmol

ltkg

skmolCF

B

B 9740.5

321

.7915.0

/1477624.0

0

0 ==

v0T= v0A + v0B = 14.4175 lt/s

BT

AA Clt

molvF

C === 2766.70

DT

CC Clt

molvF

C === 9722.20

kg

ltmol

ltmol

smolkglt

smol

W 1937.324

3319.1

9722.22766.7

..10*8538.2

8511.42

2

22

2

22

23

=

-

=

-

Torre I

Balance de C:

33

22 .. FXFX cc =

3.652.0/85.42 Fsmol =

F3 = 65.7225mol/s

Balance Total:

F2 = FA + FB + FC + FD = F3 + F4 = 295.5226 mol/s

F4 = 229.8 mol/s

Balance de B:

44

33

22 ... FXFXFX BBB +=

XB3= XB

azeotropo = 0.348 XB4= 0.357

Balance de A:

44

22 .. FXFX AA =

XA4= 0.457

Torre II

Diseo de la Torre II

El flujo de entrada a esta torre tiene la composicin del azeotropo a 1.2 bar y se pretende sacar

como producto de cabeza metil acetato con una alta pureza desplazando el azeotropo reduciendo la

presin del sistema a 0.3 bar, para dicha presin de trabajo la temperatura de burbuja del

azeotropo es de 297.69K y la composicin 0.2 de metanol y 0.8 de metil acetato. Se podra

desplazar el azeotropo para conseguir una mayor pureza pero en este caso no es posible

ya que al disminuir ms la presin, la temperatura de burbuja estara por debajo de la temperatura

de entrada de la alimentacin, lo cual sera ilgico.

Para saber el nmero de platos tericos y reales empleados en la separacin y las cargas trmicas

en el condensador y el rehervidor, se emplea el mtodo de Mc.Cabe-Thiele.

Mtodo Mc. Cabe-Thiele.

En este mtodo se recomienda elegir una composicin de producto de cabeza cercana a la

composicin del azeotropo, pero no igual a ella.

Pasos a seguir:

1. Construir el diagrama de equilibrio Y vs. X.

2. Graficar la lnea auxiliar Y = X.

3. Ubicar el punto Y = X = XD = 0.75

4. Ubicar el punto Y = X = XF = 0.652.

5. Ubicar el punto Y = X = XW = 0.15.

Esta composicin se eligi tomando como gua un ejemplo, segn la literatura debe estar

comprendida entre 0.2 y 0.05.

6. Ubicar la lnea de operacin superior L.O.S.S por medio de la siguiente ecuacin:

1.

11 ++

+=+ R

XX

RR

Y Dnn

Donde:

R = L/D

R: reflujo del condensador.

Con esta ecuacin se ubica el punto Y cuando X = 0.

Y(0) = 0.53

La LOSS se traza a travs de los puntos Y(0) y XD.

7. Ubicar y trazar la lnea de alimentacin. Esta lnea debe pasar a travs del punto XF y en

nuestro caso La interseccin de dicha lnea con la curva de equilibrio se denomina punto

P.

8. Trazar la lnea de operacin de la seccin inferior LOSI, la cual debe pasar a travs de los

puntos XW y P.

9. Trazar las etapas, la forma como se trazan esta se puede apreciar fcilmente en el

diagrama.

Platos Tericos: 12.012

10. Construir la curva de equilibrio para la eficiencia de Murphree.

Para construir esta curva y ante la carencia de datos acerca de este sistema asumimos una

eficiencia de Murphree de 60% con base en un ejercicio resuelto.

Una descripcin amplia acerca de la construccin de esta curva se muestra en Treybal.

11. Se trazan los platos reales. El trazado se muestra en la grafica.

Como se ve en el grfico el plato de alimentacin puede ser el 7 o el 8, ya que el punto P

esta ubicado al final del plato 7 y al principio del plato 8.

Balance Total :

653 FFF +=

56 /7225.65 FsmolF -=

Balance de C :

( )556

65

53

3

/7225.65.15.0.75.0/8511.42

...

FsmolFsmol

FXFXFX CCC-+=

+=

F5 = 54.9879 mol/s

F6 = 10.7346 mol/s

Condensador y rehervidor de la Torre II

Para calcular las cargas trmicas del rehervidor y condensador de esta torre de destilacin se

emplearn las siguientes ecuaciones del libro de Robert E. Treybal.

LOG

G

HHHQ

R-

-=

1

1' (ec. 9.65)

F.HF = D.Q+W.Q (ec. 9.77)

DQ

HQ

WQ

HQ

CD

BW

-=

-=

''

'' (ec. 9.70)

Donde:

HG1: entalpa de la mezcla en fase vapor que entra al condensador.

HLO : entalpa de la mezcla en fase lquida que sale del condensador.

D: flujo molar de destilado.

W: flujo molar de residuo.

Clculo de HLO :

+=T

Tref mezclaLOLOdTCpHH

.

0 .

Como en el estado de referencia la entalpa vale cero:

=T

Tref mezclaLOdTCpH

..

Debido a que no se encontr mtodos de clculo para cp de mezcla en la literatura disponible,

hacemos una aproximacin de este de la siguiente forma.

+=T

Tref acmetacMet

T

Tref olmeolmeLOdTCpXdTCpXH

. ... tantan...

-- +-+-=71.297

.293

35222

. tan).*10*40516.1*10*16388.1*3582.310*5825.2(. dTTTTdTCp

T

Tref olme

= 378.4425 J/mol

--- +-+=71.297

.293

362311

. ..).*10*2322.3*10*47205.2*10*967.710*927.3(. dTTTTdTCp

T

Tref acmet

= 669.8091 J/mol

Realizando un balance de energa:

F3.Cp.?T = ?Hv .W

?T = TF - Tentrada

Donde:

?Hv : calor latente de vaporizacin.

TF: Temperatura real de entrada de la mezcla.

Clculo de ? Hv :

Mtodo de Riedel (Reid-Prausnitz-Poling).

--

=Dbr

cbrCv T

PTTRH

930.0013.1ln.

...093.1

Donde:

TC : Temperatura crtica de la mezcla.

Tbr: Temperatura de ebullicin reducida de la mezcla.

PC: Presin crtica de la mezcla.

Clculo de TC de la mezcla:

=

icii

cjjj vy

vy

.

.f (ec. 5-6.1 Reid)

=j

CjjC TT .f (ec. 5-6.2 Reid)

7836.02164.0

.. ==

acmet

MetOH

ff

TC = 507.87K

Clculo de la PC de la mezcla:

-++= 1

*)..93.4808.5(1.*

TTc

wPPC (ec. 5-6.22 Reid)

31

2

22

31

1

11

2211

31

*

.

*

...

.*

**

V

T

V

TPP

V

TP

CC

CC

qqqq

+

+= (ec. 5-6.21 Reid)

--++= 213

1

2

2

31

1

1

31

1

12

31

2

22

31

1

1131

..***

*.2

*

.

*

..** qq

qq

V

T

V

T

V

T

V

T

V

TVT cccc (ec. 5-6.18 Reid)

)2.(.. 2112212211 wwwwww --++= qqqq

21

12 112

ww

w+

=

32

223

2

11

32

111

*.*.

*.

VyVy

Vy

+=q

12 1 qq -=

8)**(

*33

1

23

1

112

VVV

+=

*)**2.(.*.** 2112212211 VVVyyyVyVV --++=

2

31

2

1

31

1

1212

**

*2*

cc TV

TV

VT

+

=

Datos necesarios:

Tomando

Metil acetato = 1

Metanol = 2

V1*= 0.2262 lt/mol PC1 = 47.50 bar

V2*= 0.1198 lt/mol PC2 = 80.97 bar

Reemplazando valores en las ecuaciones anteriores y resolviendo, se obtiene:

PC = 59.285 bar

Reemplazando en la ecuacin de Riedel para una mezcla:

-

-=D

KKK

KK

Kmolbar

cmH v

87.5074716.331

930.0

013.1285.59ln.

87.5074716.331

*87.507*.

14.83*093.1 3

?Hv = 33337.0551 J/mol

Reemplazando en el balance de energa y despejando TF se obtiene:

TF = 288.9397K

A esta temperatura se debe calcular HF:

+=T

Tref acmetacMet

T

Tref olmeolmeFdTCpXdTCpXH

. ... tantan...

HF = -486.8916 J/mol

Despejando Q de la ecuacin:

F.HF = D.Q+W.Q

Q = -4459.0235

Y de las ecuaciones:

DQ

HQ

WQ

HQ

CD

BW

-=

-=

''

''

QB = 505.9615 W

QC = 91.9488 W

Torre III

Balance de B

77

44 .. FXFX BB =

Debido a que en esta torre se lleva a cabo una destilacin de tres componentes, a que de los tres

el ms voltil es el metanol y a que la diferencia de temperaturas de ebullicin entre el metanol y

las otras dos sustancias es alta, suponemos que la composicin de metanol en la mezcla de salida

en forma de vapor de la torre es por consiguiente alta y la suponemos XB7=0.95. Consideramos que

la segunda composicin ms alta es la del agua pues es la segunda en la escala de volatilidades y

suponemos XD7= 0.035, por consiguiente XA

7=0.015.

F7=86.3564 mol/s

Balance Total

smolFFFF

/4436.1438874

=+=

Balance de A

88

77

44 ... FXFXFX AAA +=

XA8=0.7282

Tabla de Resultados

Unidad Flujo de entrada (mol/s)

Flujo de salida (mol/s)

XA XB XC XD

Reactor 295.5248 295.5226 0.500 0.355

0.500 0.355

0.000 0.145

0.000 0.145

Torre I 295.5226 F3 = 65.7225 F4 = 229.800

0.00 0.457

0.348 0.357

0.652 0.00

0.000 0.186

Torre II 65.7225 F5= 54.9879 F6=10.7346

0.00 0.00

0.348 0.850

0.652 0.150

0.00 0.00

Torre III 229.800 F7=86.3564 F8=143.4436

0.0150 0.7282

0.95 0.00

0.000 0.000

0.0350 0.2718

Balance de energa en el reactor:

Para garantizar la isotermicidad en que es llevada a cabo la reaccin se debe retirar el DHrxn a la

mezcla. Para este propsito se va a usar un enchaquetado por el cual fluir agua fra. Para el

calculo del calor que debe ser retirado por el fluido en la chaqueta se requiere conocer la

temperatura de pared exterior en el reactor.

Como el reactor esta completamente agitado la temperatura en la pared interior del mismo es la

temperatura de reaccin.

Debido a que en el interior del recipiente no hay gradientes de temperatura este se puede evaluar

en dos partes: la tapa inferior, que posee una curvatura despreciable, como una pared plana y las

paredes como un cilindro.

rr

QQQ rrrrr D

+=D+ *|

Sale Entra + Acumula = Genera

VTQ

QQ Hr

rrrrr D=

+-D+ *|| f

con:

rT

SKQ rr

-= **

LrSr ***2 p=

rLrV D=D ****2 p

r = R1 = 0.865 m T = Ti = 328 K

r = R2 = 0.875 m T = Tw

FH = DHrxn*mol que reacciona de A / volumen de mezcla

FH = 4930.9815 J/mol *42.8511 mol/seg. / 3.9552 m3

FH = 53422.8261 W/m3

K : conductividad trmica del material de construccin (Acero estructural)

K = 44.9991W/(m*K)

Resolviendo la ecuacin diferencial resultante del balance se llega a:

)1(*)*4*

( 22

21

22

RR

KR

TwTi H -=-f

Reemplazando los valores en la anterior ecuacin se obtiene:

Tw = 322.8357 K

Calculo del coeficiente de transferencia de calor del fluido de la chaqueta.

m

w

pbat

K

CNDa

KDh

)(*)*

(*)**

(** 3

12

mmm

mr

= ec. 3.11-1 Geankoplis

Para un agitador con deflectores:

a = 0.74 b =2/3 m = 0.14 Geankoplis. Pag 241

h: coeficiente convectivo de transferencia de calor del fluido de la chaqueta.

Dt: dimetro del reactor. m: viscosidad de la mezcla

K: conductividad trmica de la mezcla. Cp: capacidad calorfica de la mezcla.

Da: dimetro del agitador. mw: viscosidad de la mezcla a T de pared.

N: revoluciones por segundo del agitador. r: densidad de la mezcla.

Todas las propiedades de la mezcla excepto mw medidas a la temperatura de reacciona.

Dt = 1.73 m

Da = 0.52 m

N = 120 rev / s = 2 rev / s

Calculo de la viscosidad de la mezcla liquida: Mtodo de NISSAN ( Reid )

+= ijjiji

iim GxxLnxLn ** mm

Para mezcla binaria:

12212211 **** GxxLnxLnxLn m ++= mmm

xi = fraccin molar del compuesto i

Se asume que la mezcla solo tiene cido actico y metanol en cantidad equimolar puesto que ellos

dos se encuentran en mayor cantidad. Ya que el mtodo del cual se dispone para calcular mw solo

es valido para mezcla binaria debido a que solamente se tiene la ecuacin de G12.

Metanol: 1

cido Actico: 2

m1 = 0.5 cp

m2 = 0.8 cp

Trxn = 328 K

Tw = 315.3563 K

Desarrollando el mtodo se obtiene:

mm (328 K) = 8.331*10-4 kg 7/ (m*s)

mw (322.8357 K) = 8.338*10-4 kg / (m*s)

Clculo de la conductividad trmica de la mezcla liquida: Mtodo Li. ( Reid Pg. 565 )

ijji

n

j

n

im lffl **

11

==

= ec. 10-12.7

111 )(*2 --- += jiij lll

jj

n

j

iii

Vx

Vx

*

*

1

=

=f

lm = Km = conductividad trmica de la mezcla.

li = conductividad trmica del compuesto i.

lj = conductividad trmica del compuesto j.

xi = fraccin molar del componente i.

Vi = volumen molar critico del componente i.

Para cuatro componentes:

cido Actico: 1

Metanol: 2

Acetato de metilo: 3

Agua: 4

Componente Xi Vi (cm3 / mol) lI (W / m*K)

1 0.3550 179.7 5.7201*10-2 2 0.3550 118 6.5868*10-2 3 0.1450 228 5.0268*10-2 4 0.1450 55.9 0.2201

Resolviendo el mtodo para los cuatro componentes se tiene:

lm = Km = 0.0619 W / (m*K). Reemplazando en la ecuacin para el coeficiente convectivo se obtiene: h = 609.5514 W / (m2*K) Carga trmica de la chaqueta: Fluido de servicio: agua t1 = tentrada = 18 C t2 = tsalida = 25 C

MLDTTAhQ D= **

1221

)12(21

tTtT

Ln

tTtTTMLDT

--

---=D T1 = T2 = Tw = 322.8357

222 ****2 RLRA pp +=

Q: carga trmica en la chaqueta.

A: rea total exterior del reactor.

DTMLDT: diferencia media logartmica de temperaturas.

Tw: temperatura de pared exterior de pared del reactor.

h: coeficiente convectivo de transferencia de calor del fluido de la chaqueta.

Reemplazando los valores respectivos en cada ecuacin se tiene:

DTMLDT = 28.0462 K

A = 12.9061 m2

Q = 220582.2576 W

Calculo del flujo msico de agua necesaria en la chaqueta:

TCQ

mP

agua D=

*

magua : flujo msico de agua en la chaqueta.

Q: carga trmica en la chaqueta.

Cp: capacidad calorfica del agua.

DT: diferencia de temperatura entre el agua de entrada y el agua de salida.

Resolviendo la ecuacin anterior con:

Cp = 4186.8 J / (kg*K)

Se tiene:

magua = 7.5265 Kg/ s

Como ya se conocen tanto el flujo masico de agua como sus temperaturas en el enchaquetado se

puede fijar el espesor que se desee, en nuestro caso se escogi un espesor de 2 cm entre el

reactor y la chaqueta.

En cuanto al material de la chaqueta puede ser acero inoxidable corriente, ya que ella maneja

temperaturas muy bajas.

Coeficiente Total de Diseo U

MLDTTAUQ D= **

1221

)12(21

tTtT

Ln

tTtTTMLDT

--

---=D T1 = T2 = Trxn = 328K

Reemplazando los valores y despejando U se obtiene:

U = 514.3773 W/m2.K

Espesor de pared del reactor y seleccin del material apropiado:

Para el calculo del espesor de pared de un recipiente, en nuestro caso el reactor, se utiliza le

ecuacin para el esfuerzo de costilla:

trp *

1 =s

s1: esfuerzo de costilla.

P: presin manomtrica.

r: radio interior del reactor.

t: espesor de la pared del reactor.

El material elegido para la construccin del reactor es Acero AISI 302 inoxidable recocido, este

material tiene una resistencia de 655 Mpa, aunque esto no sea de gran importancia pues la presin

de operacin es de apenas 1.2 bar. En cuanto a la corrosin la mezcla reaccionante no representa

gran peligro, pues el cido Actico que es el compuesto mas agresivo de la mezcla se ve diluido por

los otros tres componentes, por esta razn el Acero Estructural no presenta inconvenientes para la

construccin del reactor. Es importante que sea inoxidable debido a que en la reaccin se obtiene

como subproducto agua.

En el apndice B. Propiedades tpicas de materiales seleccionados usados en ingeniera.

Del libro MECANICA DE MATERIALES. Segunda edicin. Ferdinand P Beer.

Se lee el s1 de la columna Resistencia Ultima (Tensin. Mpa) para el material en cuestin:

s1 = 655 Mpa.

Despejando el espesor de pared d la ecuacin anterior se tiene:

1

*s

rpt =

Con p = 0.4201 bar = 0.042 Mpa r = 0.865 m

Resolviendo para el espesor de pared :

t = 0.055mm

Como se puede ver debido a las bajas condiciones de presin que se trabaja el valor obtenido es

ilgico, por esta razn el valor utilizado para la construccin del reactor es asumido como:

t = 1 cm

Especificacin de dimensiones de acuerdo al volumen o tiempo de residencia segn el

aparato:

Calculo del volumen del reactor:

Conociendo la masa del reactor

Mcat = 324.1937 Kg. de amberlitz.

Y tomando informacin de una de las patentes cuyo reactor se asemeja bastante al propuesto por

nosotros, la cual aconseja que el porcentaje en peso de catalizador en el reactor este entre 6 10

%, elegimos un porcentaje de 8 % el cual nos permite por una simple regla de tres conocer la

masa total de mezcla reaccionante que debe permanecer en el interior del reactor.

Mmezcla = 4052.4213 Kg.

Una buena aproximacin del tiempo de residencia de la mezcla en el reactor se puede obtener a

partir del flujo msico total de salida del reactor y la masa libre de catalizador que debe

permanecer en el mismo.

Mlbre de cat. = Mmezcla - Mcat = 3728.2276 Kg.

El flujo msico total de salida es la suma de los flujos msicos de cada uno de los componentes de

la mezcla, los cuales se obtienen multiplicando cada flujo molar por su respectivo peso molecular.

WA = 6294.684 g/s

WB = 3357.1648 g/s

WC = 3170.9814 g/s

WD = 771.3198 g/s

Wtotal = 13.5942 kg/s

Como ya conocemos la masa de mezcla sin catalizador que fluye por el reactor en un segundo,

podemos calcular el tiempo necesario para que fluya Mlbre de cat. por el mismo por una simple regla

de tres.

t = 274.2524 s

De la ecuacin:

0VV

=t

V = volumen del reactor.

V0 = flujo volumtrico

Despejando V se tiene:

0*VV t=

Con V0 = 1.4418*10-2 m3 / s

V = 3.9552 m3

En realidad el anterior volumen no es el volumen del reactor sino de la mezcla reaccionante, pues

el reactor debe ser un poco mas grande para poder introducir un gas inerte que nos permita

alcanzar la presin de operacin.

El volumen escogido para nuestro reactor es:

Vreactor = 4.5 m3

Calculo detallado del sistema de agitacin:

Para el sistema de agitacin que requiere el reactor se eligi un agitador de hlice, pues este

debido a las condiciones del proceso presenta ciertas ventajas sobre los otros tipos de agitadores.

El agitador de hlice es una buena opcin cuando se requiere mantener slidos suspendidos ya que

proporciona fuertes corrientes verticales, adems trabaja a altas velocidades.

Los factores de forma que limitan el diseo de un sistema de agitacin son los siguientes:

S1 = Da/Dt S2 = E/Da S3 = L/Da

S4 = W/Da S5 = J/Dt S6 = H/Dt

En la figura 9.14 de Mc Cabe, se muestra una grfica de Nmero de potencia frente a Nmero de

Reinolds para rodetes de tres palas. En dicha grfica la curva A representa un agitador de tres

palas en un tanque con cuatro placas deflectoras que se adapta perfectamente a nuestras

necesidades, adems proporciona el paso y los factores de forma S1, S2, S5 y S6.

Diseo:

Volumen del reactor = 4.5 m3

S6 = H/Dt = 1.0 S2 = E/Da = 1.0

S5 = J/Dt = 0.1 S1 = Da/Dt = 0.3

H: altura del liquido + slido

Dt: dimetro del tanque

Da: dimetro del agitador

J: ancho de la placa deflectora

E: altura desde el fondo del tanque hasta la hlice

L: altura real del tanque

Como S6 = 1 entonces H = Dt

Volumen de liquido + slido = 0.25*p*Dt2*H = 0.25*p* H3 = 4.05 m3

Despejando H se tiene:

H = Dt = 1.73 m

Longitud real del tanque:

Volumen del tanque = 0.25*p*Dt2*L = 4.5 m3

Despejando L se tiene:

L = 1.91 m3

De S5, S2, y S1 se tiene :

J = 0.173 m

E = 0.52 m

Da = 0.52 m

Potencia del agitador

cgDanNp

Pr... 53

=

Donde:

P: Potencia suministrada (ft.lbf/s) Da: dimetro del agitador = 1.71ft

Np: nmero de potencia ?: densidad de la mezcla (lb/ft3)

n: velocidad del agitador = 2 rps gc= 32.174 ft/s2

En la figura 9.14 de Mc. Cabe se presenta una curva de Np vs. Re, por lo que es necesario calcular

Re para conocer Np:

mr..

Re2 nDa

= : viscosidad de la mezcla (lb/ft.s)

Clculo de ? mezcla:

? mezcla = 33 5979.100005.44213.4052

mkg

mkg

alVolumentotmasatotal

==

2192.65252110*5984.54653.62.2.71.1

Re4

2

==-

En la curva referenciada anteriormente para Re>105 Np = 1.0

Wslbfft

P 8972.307.

0933.227174.32

4653.62.75.1.2.1 53===

Diseo de Bomba para el cido actico

A partir de la ecuacin:

PB = m.Wp

Donde:

m: flujo msico de metanol

Wp:

A partir de la ecuacin de Bernoulli:

fc

b

c

bb

c

a

c

aa hg

VgzgP

Wpg

VgzgP

+++=+++.2

..

.2. 22

rh

r

Datos:

Q = 8.4436*10-3 m3/s Zb =1m Pb = 101.325 kPa DET= 4.26 cm

? = 1.05*103 kg/m3 Pa = 77.99 kPa DIT=4.089 cm ? = 0.7

Tipo tuberia : 1.5 plg Tamao nominal schedule 40.

En el apndice 6 del Mc. Cabe para una tubera de 1,5 plg schedule 40 la capacidad para la

velocidad de 1m/s en lt/min es 78.79 lt/min = 1.3132 lt/s.

Vb = 8.4436*10-3/ 1.3132*10-3 = 6.4298 m/s

Reemplazando en la ecuacin de Bernoulli y depreciando las prdidas:

Wp = 42.8916 m2/s2

m = Q. ? = 8.4436*10-3 m3/s*1.05 kg/m3 = 8.8657 kg/s

PB = 380.2659 W

Diseo de Bomba para el Metanol

A partir de la ecuacin:

PB = m.Wp

Donde:

m: flujo msico de metanol

Wp:

A partir de la ecuacin de Bernoulli:

fc

b

c

bb

c

a

c

aa hg

VgzgP

Wpg

VgzgP

+++=+++.2

..

.2. 22

rh

r

Datos:

Q = 5.974 lt/s Zb =1m Pb = 101.325 kPa DET= 4.26 cm

1? = 0.7915 kg/lt Pa = 77.99 kPa DIT=4.089 cm ? = 0.7

Tipo tuberia : 1.5 plg Tamao nominal schedule 40.

En el apndice 6 del Mc. Cabe para una tubera de 1,5 plg schedule 40 la capacidad para la

velocidad de 1m/s en lt/min es 78.79 lt/min = 1.3132 lt/s.

Vb = 5.974/ 1.3132 = 4.4953 m/s

Reemplazando en la ecuacin de Bernoulli y depreciando las prdidas:

Wp = 61.8636 m2/s2

m = Q. ? = 5.974 lt/s*0.7915 kg/lt = 4.7284 kg/s

PB = 292.5173 W

Conclusiones

Al inicio de los clculos del presente proyecto, notamos la importancia y necesidad de la resolucin

del reactor, y no slo su resolucin, sino resolverlo bien, pues una vez hecho esto, se conocan las

dems corrientes de salida del reactor para disear las dems etapas. El acoplamiento del reactor

con las respectivas operaciones de acondicionamiento de reactivos y separacin de productos es la

clave de todo el proceso, la cual le da validez y mide la viabilidad del mismo.

En la realizacin de este proyecto, utilizamos al mximo nuestras capacidades y tambin

aprendimos cosas nuevas, as como tambin camos en cuenta de muchos vacos que tenemos,

como por ejemplo una destilacin multicomponentes, pero en general se aplicaron de manera

integral la gran mayora de conocimientos adquiridos en el curso y durante la carrera. Es as como

tuvimos que aplicar conceptos cinticos, Termodinmicos, de transferencia de calor y masa,

mecnica de fluidos, etc.

En cuanto a la formacin del estudiante , la realizacin del trabajo es una experiencia muy

enriquecedora, ya que adems de evaluar de forma indirecta lo aprendido, le da una oportunidad

de desempearse como profesional, adquiriendo cierto nivel de madurez al enfrentarse a

situaciones que sern muy cotidianas en su trabajo a nivel de industria.

La importancia del trabajo radica en que nos obliga a pensar, discutir e ingeniar para encontrar la

solucin a los posibles problemas que se nos puedan presentar en la industria. Adems nos

proporciona una nueva visin acerca de los conceptos aprehendidos durante el curso y durante la

carrera, pues a lo largo de esta, todo ha sido terico y, aunque as ocurre en este proyecto, se vi

la necesidad de tener una realidad fsica para proporcionar una verdadera solucin a un problema

determinado. Igualmente nos sirvi para cuestionarnos, pues durante el desarrollo de ste

surgieron muchas dudas que nunca fueron formuladas en una clase, o ni siquiera se nos haban

ocurrido.

La aplicacin de este proceso a nivel industrial tiene que ser totalmente descartada, puesto que

debida a la carencia de conocimientos que se adquieren en semestres superiores como por ejemplo

la destilacin multicomponente, hubo que hacer muchas suposiciones. Adems de lo expuesto ya

existen procesos para la produccin de acetato de metilo correctamente evaluados y patentados.

En cuanto al reactor que se dise, se puede decir que es un aparato confiable en cuanto a peligro

por explosin, tambin posee un buen desempeo en cuanto a agitacin, pues se dise con

dimensiones recomendadas o las ms empleadas en las industrias para el tipo de proceso que se

necesita; con este diseo se asegura que las partculas de catalizador permanecen suspendidas en

el volumen de mezcla reaccionante y no se depositan en el fondo del tanque.

Igualmente es eficiente en cuanto al manejo de la isotermicidad, pues el flujo de agua de

enfriamiento necesario, nos parece pequeo al compararlo con flujos empleados en otros procesos.

Recomendaciones:

Reactor:

Proporcionar una mayor potencia para incrementar la turbulencia y favorecer la

transferencia de calor y masa.

Dotar de un sistema de termocuplas para controlar la temperatura interior.

Ubicar vlvulas antes y despus para manejar diferentes niveles de produccin.

Etapas:

Falt realizar una separacin despus de la torre III, se recomienda realizar una extraccin

lquida para los productos de cabeza, seguida de otra destilacin; para los productos de

cola se recomienda realizar destilacin azeotrpica seguida de una decantacin y una de las

corrientes (la que contiene altas cantidades de cido actico) recircularla al reactor.

Falt hacer recirculacin a las torres I y II.

Falt ubicar una bomba a la salida del reactor para que llevara las sustancias al plato de

alimentacin de las Torres I y II.

La construccin de planos en los cuales se especifican correctamente todas las dimensiones de los

equipos es imprescindible para el montaje de una planta ya que un error por parte del constructor

podra alterar drsticamente el desarrollo de las operaciones o procesos de acuerdo al equipo y

generar desestabilizaciones en todo el proceso y derivar en una tragedia.

Bibliografa

Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. Geankoplis.

Operaciones de Transferencia de Masa. Robert E. Treybal.

The Properties of gases and liquids. Reid-Praunitz-Poling.

Operaciones Unitarias en Ingeniera Qumica. Mc. Cabe. Warren L.

Elements of chemical reaction engineering. Scott Fogler.

Procesos de Transferencia de Calor. Donald Q. Kern.

Modelamiento matemtico y simulacin de una columna para la obtencin de

acetato de metilo por destilacin reactiva. Gutierrez Luis F. Martinez Adriana.

Enciclopedy of chemical process. Ullman.

Chemical Engineering Science. Vol 52 No 19.

www.uspto.gov

www.es.espacenet.com

www.alche.com

www.elsevier.com

www.chemweb.com

www.dechema.com

www.siri.org

www.erkol.com

Documents

acetato metilo