Acido Acrilico Entrega FINALAZO

7/25/2019 Acido Acrilico Entrega FINALAZO

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y TEXTILDepartamento Acadm!co de In"en!er#a Q$#m!ca

%DISE&O DE UN REACTOR 'ARA LA 'RODUCCI(N DE )CIDO ACRLICO A'ARTIR DEL 'RO'ILENO*

INTEGRANTES+ Mamani Rojas, Fanny

Marca Salcedo, Junior Mateo Chepe, Eduardo

Prez Bazn, alter Ruiz !lallire, Rolando

DOCENTES+ "n#$ Marcos Surco %l&arez

!"M' ( PER)

*+-


2/31

*

nd!ce "enera,

.ndice #eneral$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*

.ndice de ta/las$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 0

.ndice de 1i#uras$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 2

"ntroducci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4

Re&isi3n de la literatura$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$-

5u6mica del producto$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7

5u6mica de los reactantes$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+

8ecnolo#6a de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*

8ermodinmica de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$0

Cintica de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4

Mecanismo de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4

9elocidad de reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4

:atos cinticos e;perimentales$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4

:ise:ise

Balance de ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>

:ise


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0

nd!ce de ta-,a.

8a/la $ Propiedades 16sicas del cido acr6lico ?:@, *+*A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>8a/la *$ Capacidad calor61ica del cido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>

8a/la 0$ Propiedades u6micas del cido acr6lico ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>8a/la 2$ Puntos de e/ullici3n del a#ua para di1erentes presiones ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$>8a/la 4$ Propiedades 16sicas del a#ua ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>8a/la -$ Capacidad calor61ica del a#ua$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la =$ Propiedades u6micas del a#ua ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la 7$ Propiedades 16sicas del @;i#eno ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la >$ Capacidad calor61ica del @;6#eno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la +$ Propiedades 16sicas del Propileno ?immel/lau, >=2A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8a/la $ Capacidad calor61ica del Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8a/la *$ Propiedades u6micas del Propileno ?immel/lau, >=2A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8a/la 0$ Propiedades 16sicas de la acrole6na ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*8a/la 2$ Capacidad calor61ica de la acrole6na$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*8a/la 4$ Propiedades u6micas de la acrole6na ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*8a/la -$ :atos e;perimentales de la producci3n de cido acr6lico ?Jap3n Patente n==4,*7-, >=>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ -


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2

nd!ce de /!"$ra.

Fi#ura $8ecnolo#6as para la producci3n de cido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7Fi#ura *$ Molcula de cido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7Fi#ura 0$ Molcula del '#ua$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>Fi#ura 2$ Molcula de @;6#eno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+Fi#ura 4$ Molcula del Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$Fi#ura -$ Molcula de la 'crole6na$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*Fi#ura =$ :ia#rama de Flujo para la producci3n de %cido 'cr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$2Fi#ura 7$ E1ecto de la adici3n de 's*@0 al catalizador compuesto de 4$0>-G H/a@i,

0-$7G Mo+0, and Si+* ?Camp/ell, >=+A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$=Fi#ura >$ :ia#rama para el Balance de Ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$**


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4

Introd$cc!0n

En la actualidad, el cido acr6lico presenta #ran inters industrial de/ido a ser lamateria prima para la producci3n de pol6meros como el policido acr6lico, el poliacrilatode metilo y el polimetacrilato de metilo, pol6meros acr6licos de importantes aplicaciones$

El presente tra/ajo tiene como o/jeti&o el dise


6/31

-

Re1!.!0n de ,a ,!terat$ra

!a ruta de o;idaci3n de propileno para 1ormar cido acr6lico, constituye casi el >4G dela producci3n de cido acr6lico$ Esta ruta es atracti&a a causa de la disponi/ilidad de

catalizadores selecti&os altamente acti&os y el relati&o /ajo costo del propileno $Elproceso con propileno 1ue lle&ado a ca/o en operaci3n por Shell Chemical Companycorp$ por primera &ez en >-+$ Irandes cantidades de patentes 1ueron in&entadas so/reel proceso, tanto para el proceso con una sola etapa y el proceso por medio de dosetapas$

El proceso con propileno tiene muchas &ariantes$ n primer proceso es la con&ersi3nde propileno a acrole6na, lue#o separar la acrole6na y el propileno no reaccionado, yentonces la con&ersi3n de acrole6na a acido acr6lico en un se#unda etapa o;idati&a concatalizador$ na se#unda alternati&a di1iere de la primera en ue la separaci3n propilenoKacrole6na es omitida y la mezcla de acrole6na y propileno es catal6ticamente o;idada a

acido acr6lico$ 'un otra alternati&a es la directa o;idaci3n de propileno a acido acr6lico enun solo reactor$ Cada uno de estas &ariedades tiene catalizadores selecti&os para alaacrole6na, acido acr6lico en i#ual cantidades$

!os catalizadores ms recientes para la s6ntesis de la acrole6na son /asados en3;idos de co/re y otros 3;idos de metales pesados depositados en s6lica inerte osoportes de alLmina$ 'dems, catalizadores ms selecti&os para la o;idaci3n deacrole6na y acrole6na a acido acr6lico son preparados de /ismuto, co/alto, hierro, n6uel ymoli/deno$ !os catalizadores pre1eridos para la se#unda etapa #eneralmente son 3;idoscomplejos de moli/deno y &anadio$

Sin em/ar#o, la alta selecti&idad es posi/le por la optimizaci3n de la composici3n delcatalizador y las condiciones de reacci3n de cada paso el proceso de o;idaci3n de dosetapas$ !os catalizadores altamente acti&ados y selecti&os ma;imizan los rendimientosde propileno a acrole6na en la primera etapa y entonces la con&ersi3n de acrole6na aacido acr6lico resulta en una utilizaci3n ms e1iciente de la materia prima$ Esa es la raz3npor la cual el proceso de o;idaci3n con dos etapas se encuentra ms e;tendida ue elproceso con una simple etapa en las instalaciones comerciales$

E;isten, tam/in, otros procesos para la producci3n de cido acr6lico ue noin&olucran al propileno como materia prima$ 'l#unos de ellos se e;plicarn a

continuaci3n$

Ruta /asada en acetileno alter Reppe, el padre de la u6mica del acetileno

moderna, descu/ri3 la reacci3n del complejo de n6uel car/onilo con acetilenoy a#ua o alcoholes para 1ormar acido acr6lico o esteres$ !a reacci3n #lo/al es

2 2

NiCH CH CO H O CH CHCOOH + + =

Este proceso da como resultado la producci3n de cido acr6lico directamenteen una sola etapa pero de/ido a los atracti&os econ3micos y mejora de la

calidad del producto de la ruta de propileno, las plantas a /ase de acetileno ensu mayor6a se han cerrado, o estn en proceso de ser eliminado


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=

Ruta acrilonitrilo Este proceso /asado en la hidrolisis de acrilonitrilo es

esencialmente una ruta de propileno ya ue acrilonitrilo es producido por lacatlisis de propileno en 1ase &apor$

2 3 3 2 2 21 3

2CH CHCH NH O CH CHCN H O= + + = +

Pero el rendimiento es /ajo comparado con el rendimiento de cido acr6lico/asado en la directa o;idaci3n de propileno a acido acr6lico$ 'dems esta rutareuieres de proceso adicionales y el rendimiento 1inal es mucho menor$

Proceso con cetona El proceso con cetona es lle&ado a ca/o por la pirolisis de

acetona o cido actico, reacciona con 1ormaldehido en presencia de 'lCl0dando *Kpropiolacetona ue se con&ierte a acido acr6lico con alcohol$ Ho esampliamente usado comercialmente porue el intermedio *Kpropiolacertona

tiene sospecha de ser carcino#nico$

Proceso con cianohidrina de etileno !a cianohidrina de etileno es hidrolizada ycon&ertida a acido acr6lico $Este proceso, el primero para producir acido acr6lico1ue reemplazado por el proceso con acetileno por ser ms econ3mico$ ?Sood,>>4A

Figura 1.Tecnologas para la produccin de cido acrlico.


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7

Q$#m!ca de, prod$cto

)c!do acr#,!co+

El cido acr6lico ?C02@*A es un l6uido incoloro con un olor acre caracter6stico$ Es

misci/le con a#ua y alcoholes$ El cido acr6lico se someter a las reacciones t6picasde un cido car/o;6lico, as6 como reacciones de do/le enlace similares a los de lossteres de acrilato$ Puede polimerizarse /ajo la e;posici3n prolon#ada al 1ue#o o alcalor$ Si se produce la polimerizaci3n en un recipiente se puede producir la rotura&iolenta$ Es corrosi&o para los metales y tejidos$ ?:@, *+*A

Figura 2. Molcula de cido acrlico

Propiedades F6sicas

Tabla 1. Propiedades fsicas del cido acrlico (DOW 2!12"

Tabla 2. #apacidad calorfica del cido acrlico

( ) 2 $ %& & &'#p )*+ T*# T *D T *, T - T(."/ol.02!- 1!! (3a4s 1555"

A 2 C D E=$=44 *$>07-EK+ K*$+7=7EK+2 =$4>EK+7 K>$+>-+EK*

Propiedades 5u6micas

Tabla $. Propiedades 6u/icas del cido acrlico (3a4s 1555"

Propiedad Ma#nitudEntalp6a de 1ormaci3n 400 N?NJOmolA K0*>$+

A"$a

Sustancia l6uida sin olor, color ni sa/or ue se encuentra en la naturaleza en

estado ms o menos puro 1ormando r6os, la#os y mares, ocupa las tres cuartas partes

Propiedad MagnitudPeso molecular (g/mol) 72.06

Densidad a 20C (kg/m3) 0!Punto de e"ullici#n a

atm ($)

%%%.!

&olu"ilidad a 2'3.! $ otalmente

misci"le


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>

del planeta 8ierra y 1orma parte de los seres &i&os est constituida por hidr3#eno yo;6#eno ?*@A$ ?:@, *+*A

Figura $. Molcula del )gua

Propiedades F6sicas

Tabla %. Pun7os de ebullicin del agua para diferen7es presiones (Dean 1558"

Presi3n ?QPaAPunto de

E/ullici3n ?NA4+$-- 042$+4+$00 0=0$4*+*$-4 0>*$=40+0$>7 2+-$+42+4$0+ 2-$+44+-$-0 2*2$*4-+=$>4 20$*4

Tabla . Propiedades fsicas del agua (Dean 1558"

Propiedad Ma#nitudPunto de 1usi3n ?NA *=0$4

Punto de e/ullici3n ?NA 0=0$4:ensidad ?Q#Om0A +++

Masa molar ?#OmolA 7

Tabla 9. #apacidad calorfica del agua

( ) [ ]0 15002 $& & &:'#p )*+ T*# T *D T - T(;#"/ol.(7 N?NJOmolA K*0$04Entalp6a de 1ormaci3n 400 N?NJOmolA K*00$4+


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+

Q$#m!ca de ,o. reactante.

O3#"eno

En condiciones normales de presi3n y temperatura, dos tomos del elemento seenlazan para 1ormar el dio;6#eno, un #as diat3nico incoloro, inodoro e ins6pido con1ormula @*$ Esta sustancia comprende una importante parte de la atm3s1era y resulta

necesaria para sostener la &ida terrestre$ ?:@, *+*A

Figura %. Molcula de O>geno

Propiedades F6sicas

Tabla 8. Propiedades fsicas del O>igeno (Dean 1558"

Propiedad Ma#nitud

Masa molar ?#OmolA 0*:ensidad ?Q#Om0A a *>7$4 N 00

Punto de 1usi3n ?NA 42$=4Punto de e/ullici3n ?NA >+$>

Solu/ilidad ?m!O++m!A a *>0$4 N 0$0

Tabla 5. #apacidad calorfica del O>geno

( ) [ ]4 0 1000E T 2 $& & &'#p )*+ T*# T *D T * - T(."/ol.(


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Figura . Molcula del Propileno

Propiedades F6sicas

Tabla 1!. Propiedades fsicas del Propileno (7N ?QJOmolA 7$2

Acro,e#na

Es un l6uido incoloro, o amarillo, de olor desa#rada/le$ Se disuel&e 1cilmente en

a#ua y se e&apora 1cilmente en a#ua y se e&apora rpidamente cuando se calienta$8am/in se in1lama 1cilmente$ Se pueden 1ormar peue


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*

Tabla 1$. Propiedades fsicas de la acrolena (Dean 1558"

Propiedades Ma#nitudMasa molar ?#OmolA 4-$+-:ensidad espec61ica +$72*=Punto de 1usi3n ?NA 7-

Punto de e/ullici3n ?NA 0*-

Tabla 1%. #apacidad calorfica de la acrolena

( ) [ ]0 15002 $& & &:'#p )*+ T*# T *D T - T(;#"/ol.(3a4s 1555"

A 2 C D E+>$*2 K+$4+>4* $=+4>EK+0 K$7+=EK+- -$4>70EK+

Propiedades 5u6micas

Tabla 1. Propiedades 6u/icas de la acrolena (3a4s 1555"

Propiedad Ma#nitudEntalpia de 1ormaci3n a 4>7N ?QJOmolA K>+$2

Tecno,o"#a de ,a reacc!0n:escripci3n del Proceso

El proceso de o;idaci3n del propileno para o/tener el cido acr6lico es atracti&o de/idoa la disponi/ilidad de catalizadores altamente acti&os y selecti&os, adems del costorelati&amente /ajo del propileno$

!as compa


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0

#eneralmente decrece solo con altos incrementos de temperatura$ !a &ida del catalizadordecrece con el incremento de la temperatura$

!os productos del Reactor * son en&iados al 1ondo del a/sor/edor y en1riados desde*4+C a menos de 7+C por contacto con cido acr6lico acuoso del re1lujo$ El #as pasa a

tra&s del a/sor/edor para completar la recuperaci3n del producto$ '#ua es alimentadapor la parte superior del a/sor/edor a 0+K-+C para minimizar la perdida de cido acr6licoy los #ases ue salen por la parte superior del a/sor/edor son en&iados al incineradorpara ser uemados y con&ertidos a #as residual$ n poco de #as podr6a ser reciclado alReactor para permitir el lo#ro de una 3ptima relaci3n de o;6#eno a propileno en ni&elesreducidos de &apor$ Si el ni&el de o;i#eno resultante es muy /ajo se podr6a introducir aireadicional para una mejor operaci3n del Reactor * de o;idaci3n$ El producto del 1ondo dela/sor/edor es 0+K-+G cido acr6lico dependiendo si se eli#e el #as de reciclo con /ajaalimentaci3n de &apor o alimentaci3n de aire con alto ni&el de &apor$

Para la puri1icaci3n del cido acr6lico, el cido acr6lico acuoso es en&iado a una

columna de destilaci3n$ !a columna de destilaci3n opera a condiciones de &ac6o, por laparte superior de la columna se o/tiene a#ua de residuo, la cual es di&ida en * corrientesde 1lujo, el primero es para re1lujo en la columna de destilaci3n con la ayuda de unen1riador y la se#unda corriente es el a#ua de residuo el cual contiene menos de +$+0Gen peso de cido acr6lico y por la parte in1erior de la columna se o/tiene el productoprincipal el cual de i#ual manera es di&idido en * corrientes de 1lujo, el primero es paraser recirculado con la ayuda de un recalentador y la se#unda corriente es el cidoacr6lico, el cual contiene >>$>G en peso de pureza$

El proceso mediante el cual se utiliza propileno para producir cido acr6lico acuoso se

muestra en la 1i#ura =$ ?@thmer, >>7A


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2

Figura =. Diagra/a de Flu?o para la produccin de @cido )crlico.

Termod!n4m!ca de ,a reacc!0nPara la primera reacci3n ue se lle&a a ca/o en el primer reactor es

3 6 2 3 4 2C H O C H O H O+ +

Se calcula los calores de 1ormaci3n para una temperatura de 4>7 N se#Ln dato depatente

Para el Propileno

3 6

598 5 2

, 36.342 0.06491 598 3.05 10 598K

f C HH = +

3 6

598

, 8.4K

f C H

kJH

mol=

Para el '#ua

2

598 6 2

,H 238.410 0.012256 598 2.77 10 598K

f OH = +

2

598

,H 231.35K

f O

kJH

mol=

Para la 'crole6na


15/31

4

3 4

598 5 2

,C H O 70.760 0.055936 598 3.87 10 598K

fH = +

3 4

598

,C H O 90.4K

f

kJH

mol=

Por lo tanto la entalp6a de reacci3n a la temperatura de 4>7 N es

598 598

598 . .

K K

K prod reactHr Hf Hf=

( ) ( )598 90.4 231.35 8.4 330.15K kJHr mol= =

Para la se#unda reacci3n ue se lle&a a ca/o en el se#undo reactor es

3 4 2 3 4 2

1

2C H O O C H O+

Se calcula los calores de 1ormaci3n para una temperatura de 400 N se#Ln dato depatente

Para el %cido 'cr6lico

3 4 2

533 5 2

,C H O 313.180 0.040894 533 2.1 10 533K

fH = +

3 4 2

533

,C H O 329K

f

kJH

mol=

Se toma el dato de la 'crole6na y se determina la entalp6a de la reacci3n a latemperatura correspondiente$

533 533

533 . .

K K


( ) ( )533 329 90.4 239.4K kJHr mol= =

Se determina ue para am/as reacciones se li/erara calor por ser e;otrmicas$

C!nt!ca de ,a reacc!0n

Mecan!.mo de ,a reacc!0n


16/31

-

!a reacci3n #lo/al de 1ormaci3n del cido acr6lico a partir del Propileno es

3 6 2 3 4 2 2

3

2C H O C H O H O+ +

El mecanismo para la producci3n del cido acr6lico utiliza dos etapas en las cuales elPropileno es primeramente o;idado en acrole6na ?C02@A y lue#o es o;idado a cidoacr6lico$

era etapa Formaci3n de la acrole6na

3 6 2 3 4 2 ...( )C H O C H O H O + +

*da etapa Formaci3n del cido acr6lico

3 4 2 3 4 21 ...( )2

C H O O C H O +

Ve,oc!dad de reacc!0n

!as reacciones ue se dan son irre&ersi/les$ !a cintica de las reacciones

( )

y

( )

, respecti&amente, son las si#uientes

647.4 10

6 0.44 0.93

1 3 0.409216.7 10 ...( )

J

kmol

R Tpropileno oxigeno

kmolr e P P

m s Pa

=

108

10

2 3 10 ...( )

kJ

mol

RTacrolina oxigeno

Lr e C C

mol s

=

Dato. c!nt!co. e3per!menta,e.

!a producci3n del cido acr6lico partiendo del propileno es uno de los mtodos deo/tenci3n ms utilizados en la actualidad, del cual es posi/le encontrar datose;perimentales a di1erentes condiciones de operaci3n, como la si#uiente$


17/31

=

Tabla 19. Da7os e>peri/en7ales de la produccin de cido acrlico ('apn Pa7en7e nA ==289 15=5"

Composicin de la mezcla aseosa

inicial !eac"an"e(%po! #ol$men)

O%ieno&

'!opileno

iempo

de

!eaccin

empe!a"$!a

de la!eaccin ()

'!opileno *apo! de a$a O%+eno ,cido,c!+lico

(!elacinde moles)

iempo(-!)

Concen"!acin

de la sol$cin

ac$osa!es$l"an"e de

cido ac!+lico

(/".%)

Con#e!sin

delp!opileno

(%)

emplo 1 4-- 5.5 10.0 12.5 0.03 2.28 46 49.5 95.2

emplo 2 4-- 6.0 15.0 13.7 0.13 2.28 520 31 94.2

emplo 3 4-- 3.0 10.0 8.1 0.03 2.70 264 50.0 94.1

emplo 4 4-- 6.0 12.0 13.7 0.04 2.28 328 40.0 95.3

emplo 5 4-7 7.0 5.0 14.0 0.02 2.00 430 55.0 95.5

emplo 6 4-- 4.0 20.0 10.0 0.04 2.50 241 33.0 95.7

emplo 7 4-- 5.5 10.0 12.5 0.02 2.28 500 50.4 96.5

emplo 8 4- 5.5 10.0 12.5 0.03 2.28 208 50.0 95.9

emplo 9 4-0 5.5 10.0 12.5 0.02 2.28 120 48.0 92.1

emplo

1044 5.5 10.0 12.5 0.03 2.28 145 49.0 93.2

@tras in&esti#aciones estudian el e1ecto de la modi1icaci3n del catalizador so/re la&elocidad de reacci3n y la con&ersi3n a cido actico$

Figura 8. ,fec7o de la adicin de )s2O$ al ca7aliBador co/pues7o de .$59C baOi $9.8C Mo!$ andEi!2 (#a/pbell 15=!"


18/31

7

D!.e5o de reactor !.otrm!co

2a,ance de ma.aEn un reactor de 1lujo pist3n, la composici3n del 1luido &ar6a de un punto a otro a lo

lar#o de la direcci3n del 1lujo, en consecuencia, el /alance de materia para un

componente de la reacci3n de/e hacerse por un elemento di1erencial de &olumen d9$Para el /alance de masa del reactor

Entrada Salida Genracin= +

Entrada de ', molesO tiempo !

Salida de ', molesOtiempo ! d!+

:esaparici3n de ' por reacci3n, molesOtiempo

( )r d"

"ntroduciendo estos tres trminos

( ) ( ) ! ! d! r d"= + +

8eniendo en cuenta ue

0 0 (1 ) d! d ! x ! d# = =

Sustituyendo resulta

0 ( ) ! d# r d"=

Entonces la ecuaci3n re1erida para el componente ' para la secci3n di1erencial delreactor de &olumen d9 $' 1in de resol&er para todo el reactor es necesario inte#rar estae;presi3n

0 00

!" x

dxd"

! r=

Se,ecc!0n de reactor

En el reactor se lle&ar aca/o la reacci3n( )

y en el reactor * la reacci3n( )

$ !aproducci3n de cido acr6lico ue se o/tendr es de =4+++ tonOa


19/31

>

una presi3n 24+QPa$ El tipo de reactor ele#ido es el de tu/o pist3n ?PFRA, porue lareacci3n es en 1ase #aseosa$

:e la ecuaci3n( )

hallamos la constante de &elocidad

3108 10

38.314 533

10 43 10 7.82 10

J

molJ

Kmol K

L mk e

mol s s mol

= =

El producci3n en molOs

31075000 3.567 49.

72 544

2

ton mol mol k

k

g

a s g s$o ==

El 1lujo inicial del propileno

49.544

88.4720.8 0.7

propileno

mol

mols!s

= =

El 1lujo &olumtrico en el reactor

3

3

8.314 598 2.5 88.472

2.4438450 10

J molK

mmol K s"Pa s

= =

)

tilizando la ecuaci3n de dise


20/31

*+

:e la ecuaci3n

( )

hallamos la constante de &elocidad

3108 10

38.314 533

10 4

3 10 7.82 10

J

molJ

Kmol K

L m

k emol s s mol

= =

El 1lujo inicial del acrolina

49.544

70.7770.7

acrolina

molmols!

s= =

El 1lujo &olumtrico en el reactor

3

0.71

0.81.307

nR T !m

"P s

+ = =)

!a concentraci3n inicial de acrolina

0 3101.515

P molC

R T m= =

El 1actor de e;pansi3n &olumtrica

1

1 20.267

0.7 11

0.8

= =

+

tilizando la ecuaci3n de dise


21/31

*

D!.e5o de reactor no !.otrm!co

2a,ance de ener"#aEl /alance de ener#6a se realiza partiendo de la ecuaci3n de la conser&aci3n de la

ener#6a$

0 0

1 1

(1)n n

sistsi i i i

i i

dE! H ! H % &

dt

= =

= + $

:onde

0 0

1

1

*elocidad de ac$m$lacin de ene!+a en el in"e!io! del sis"ema

ne!+a a!eada al sis"ema po! l$o de masa -acia el in"e!io! del sis"ema

ne!+a $e sale del sis"ema po

sist

n

i i

i

n

i i

i

dE

dt

! H

! H

=

=

! l$o de masa $e sale del sis"ema

l$o de calo! -acia el sis"ema p!oceden"e de los al!ededo!es

l$o de "!aao !ealizado po! el sis"ema so!e los al!ededo!ess

%

&

Ieneralizando para una ecuaci3n

' c d

( C )a a a+ +

!os trminos de entrada y salida son

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1

1

n

i i ( ( C C ) )

i

n

i i ( ( C C ) )

i

! H H ! H ! H ! H !

! H H ! H ! H ! H !

=

=

= + + +

= + + +

8eniendo en cuenta

0

0

ii

!

! =

Sustituyendo se tiene


22/31

**

0

0

0

0

(1 )

( )

( )

( )

( (

C C

) C

! ! #

'! ! #

a

c! ! #

ad

! ! #a

=

=

=

=

Reemplazando estos trminos para o/tener el calor de reacci3n

( ) ( ) ( ) ( )0 0 0 0 0 0 01 1

0

n n

i i i i ( ( ( C C C ) ) )

i i

) C (

! H ! H ! H H H H H H H H

d c 'H H H H ! #

a a a

= =

= + + +

+

( )

0 0 0 0 0

1 1 1

( ) (2)n n n

T

i i i i i i i rxn

i i i

! H ! H ! H H H ! #= = =

= $

:onde

( ) n"alp+a de la !eacin a la "empe!a"$!a

T

rxnH

!as entalp6asH

,(H

, etc$ Son e&aluadas a la temperatura de salida del sistemaT

Para una reacci3n u6mica mono1sica, la entalp6a de la especie i a la temperaturaT

est relacionada con la entalp6a de 1ormaci3n a la temperaturaR

T

$

( )R

R

T

T

i i pi

T

H H C dT= +

Por lo tanto

0

( ) ( )

0

i

R R

R R

TT

T T

i i i pi i pi

T T

H H H C dT H C dT

= + +

0

0 (3)

i

T

i i pi

T

H H C dT = $


23/31

*0

!a entalp6a de la reacci3n a cualuier temperaturaT

es e;presada en trminos de la

entalp6a de la reacci3n a la temperatura de re1erencia y un inte#ralpC

( )( ) (4)R

R

TTT

rxn rxn p

T

H H C dT = + $

:onde

, , , ,p p ) p C p ( p

d c 'C C C C C

a a a = +

Sustituyendo ?0A y ?2A en ?*A y reemplazando ?*A en ?A, la ecuaci3n del /alance deener#6a en estado estacionario se con&ierte en

0

( )

0 0

1

0R

i R

T TnT

s i pi rxn p

iT T

% & ! C dT ! # H C dT

=

+ =

'plicando esta relaci3n para un reactor tu/ular con trans1erencia de calor se tiene$

Figura 5. Diagra/a para el +alance de ,nerga

El tra/ajo del sistema hacia los alrededores es cero porue no hay nin#Ln euipo ue

a/sor/a o entre#ue ener#6a$

0

( )

0 0

1

0R

i R

T TnT

i pi rxn p

iT T

% ! C dT ! # H C dT

=

+ =

:i1erenciando con respecto al &olumen y considerando

4( ) donde , : :iame"!oa

d %*a T T a

d" )

=


24/31

*2

0 (5)

d#r !

d" = $

Se lle#a a tener la ecuaci3n si#uiente

( )

0

1

( ) ( )( )(6)

( )

T

a rxn

n

i pi p

i

*a T T r H dT

d"! C # C

=

+ =

+ $

Con las ecuaciones ?4A y ?-A se puede dise7N

!a reacci3n a lle&arse a ca/o es la si#uiente

3 6 2 3 4 2C H O C H O H O+ +

:onde su entalp6a de reacci3n es la si#uiente

598 598

598 . .

K K


( ) ( )598 90.4 231.35 8.4 330.15KkJ

Hr mol= =

:el /alance para un reactor PFR no isotrmico y considerando un sistema adia/tico

( ) ( )0 i dT

! Cp Cp x *a Ta T r Hrd"

+ = +

( ) ( ) ( )2 2. .( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )88.472 1 1.5 0.8O Oprop acro ag+a prop

f T f T f T f T f T f T

mol dT Cp Cp Cp Cp Cp Cp

s d" + + + =

347.410

1.373

8.3143 0.44 0.93

3 1.37

450 1016.7 10 (1 0.8) (1.5 0.8) 330.15

2.5

J

molJ

TmolK

mol Pa kJ e

m s Pa mol

( ) ( ) ( )3

2 2

47.410

6 . . 8.314( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 3

2.866 10 1 1.5 0.8O Oprop acro ag+a prop T

f T f T f T f T f T f T

dT kJ Cp Cp Cp Cp Cp Cp e

d" mol m

+ + + =


25/31

*4

347.4 10

9 3 2 6 3 10 4 8.3142.866 10 139 0.379 1.41 10 1.49 10 5.40 10 TdT

T T T T ed"

+ + =

347.410

9 3 2 6 3 10 4 8.3142.866 10 139 0.379 1.41 10 1.49 10 5.40 10 TP!R

" T T T T e dT

= + +

:el /alance de masa para un PFR

0.44 0.9301.37

1

(1 ) (1.5 )( )2.5

propilenox

P!R

propileno propileno

" P" dx

P k x xR T

=

)

3

30.8

347.41001.37 3 0.44 0.938.314

2.4438 450 10 1

450 10( ) 8.314 598 16.7 10 (1 ) (1.5 )2.5

P!R

Tpropileno propileno

" dx

e x x

=

347.4 100.8

4 8.3140.44 0.930

18.3623 10

(1 ) (1.5 )T

P!R

propileno propileno

" e dxx x

=

347.410

4 8.3148.81583 10 TP!R" e

=

Se i#ualan am/os &olLmenes y se halla la temperatura a la cual alcanza el sistemaadia/tico

347.4109 3 2 6 3 10 4 8.314

598

2.866 10 139 0.379 1.41 10 1.49 10 5.40 10

T

TT T T T e dT

+ +

347.410

4 8.3148.81583 10 Te

:e dicha i#ualdad se calcula la temperatura alcanzada

892.19T K=

allando el &olumen del tanue

347.410

4 8.314 892.198.81583 10P!R" e

=

3

0.525P!R" m=


26/31

*-

Fijando el dimetro del tanue

0.50) m=

!a lon#itud del tanue ser

2 2

4.674

"L

)m

= =

Siendo el aislante trmico 1i/ra de &idrio ?

0.035&m K

A con un espesor de +cm elcalor ue se diri#e al am/iente ser

(2 )r

dT% k rL

dr

=

"nte#rando la inte#ral, siendo los l6mites 8 ?temperatura dentro del tanueA, 8s?temperatura en el am/ienteA r* ?radio e;terno del aislanteA, r ?radio interno delaislanteA

2

1

2

ln

sr

T T% Lk

r

r

=

892 2982 2.674 0.035 1915.83

0.6 & 2ln

0.5 & 2

r% &

= =

Para el tanue * a 400N

!as reacciones a lle&arse a ca/o son la si#uiente

3 4 2 3 4 2

1

2

C H O O C H O+

:onde sus entalp6as de reacci3n son la si#uiente

. . 533 533

533 . .

ac acr K K


( ) ( ). .533 329 90.4 239.4ac acr

KkJHr

mol= =

:el /alance para un reactor PFR no isotrmico y considerando un sistema adia/tico


27/31

*=

( ) ( )0 i dT

! Cp Cp x *a Ta T r Hrd"

+ = +

( ) ( ) ( )2. . . ac!o ..0 ( ) ( ) ( ) ( )70.777 0.8 0.7Oacrol ac acr

i f T f T f T f T

dT mol dT ! Cp Cp x Cp Cp Cp Cp

d" s d"

+ = +

( ) 0*a Ta T =

3108 10

38.314

7

3 33 10 (101.515 ) (1 0.7) 101.515 (0.7 0.4 0.7) 239.4

J

molJ

Tmol K

m mol mol kJ r Hr e

mol s mol m m

=

( ) ( )

3

2

108 10

8.31415 . . . ac!o..

( ) ( ) ( ) ( ) 3( 7.59 10 ) 0.8 0.7

J

molJ

TOacrol ac acr mol K

f T f T f T f T

dT JCp Cp Cp Cp e

d" mol m

+ =

15 2 6 3 10 4( 7.59 10 ) 139.8815 0.978172 0.0027081 2.761 10 9.9615 10

dTT T T T

d"

+ +

3108 10

8.314

3

J

molJ

Tmol K

K

e m

15 2 6 3 10 4

533

( 7.59 10 ) 139.8815 0.978172 0.0027081 2.761 10 9.9615 10

T

T T T T + +

108000

8.314

0

P!R"

Te dT d" = g

1081000

7 8.31431.844 3 10 TP!R" e

=

Se i#ualan am/os &olLmenes y se halla la temperatura a la cual alcanza el sistemaadia/tico

15 2 6 3 10 4

533

( 7.59 10 ) 139.8815 0.978172 0.0027081 2.761 10 9.9615 10

T

T T T T + +


28/31

*7

108000108000 8.314 5338.314

108000

8.314

31.844T

T

ee dT

e

= g

g

g

:e dicha i#ualdad se calcula la temperatura alcanzada

645.645T K=

1081000

8.314 5337

1081000

8.314 645.645

3

31.844 3 10

0.453

P!R

P!R

e"

e

" m

=

=

Fijando el dimetro del tanue

0.50) m=

!a lon#itud del tanue ser

2 2

4.307

"L

)m

= =

Siendo el aislante trmico 1i/ra de &idrio ?

0.035& m KA con un espesor de +cm el

calor ue se diri#e al am/iente ser

(2 )rdT

% k rLdr

=

"nte#rando la inte#ral, siendo los l6mites 8 ?temperatura dentro del tanueA, 8s?temperatura en el am/ienteA r* ?radio e;terno del aislanteA, r ?radio interno delaislanteA

2

1

2

ln

sr

T T% Lk

r

r

=

645.6452

2982 0.035 967.37

0.6&.307

2ln

0.5&2

r% &

= =


29/31

*>

Cant!dad de reactore.

Se necesita solo reactor para cada reacci3n$

D!.c$.!0n de re.$,tado.

El primer clculo para del dise


30/31

0+

Ho resulta econ3micamente &ia/le tra/ajar a condiciones isotrmica ya ue la

cantidad total de reactores a utilizar para el proceso son 2 en cam/io acondiciones no isotrmicas son *, adems ue resulta di1icultoso mantener latemperatura constante$

El tiempo de residencia en el reactor no isotrmico es menor ue para el

reactor no isotrmico ?Se alcanza la con&ersi3n necesaria en menor tiempoA$

2!-,!o"ra/#a

Camp/ell, $ ?>=+A$ @;idation o1 Propylene to 'crylic 'cid o&er a Catalyst Containin#@;ides o1 'rsenic, Hio/ium, and Moly/denum $ nd. ,ng. #Ge/. Prod. Hes.DeIelop, 0*2K002$

:$ 'RH8T, N$ N$ ?>7*A$ #a7alJ7ic )ir O>ida7ion of PropJlene 7o )crolein.Hurem/er# "nst$1$ 8echn$ Chemie ", ni&ersitat Earlan#enKHurem/er#, Federal Repu/lic o1Iermany$

:@$ ?*+*A$ 'crylic 'cid, Ilacial$ DOWK TecGnical da7a sGee7, $

immel/lau, :$ M$ ?>=2A$ Principios +sicos J #lculos en ngeniera Lu/ica. San'ntonio, 8e;as Prentice all$

Na#les, F$ ?*++4A$ Tra7ado de Lu/ica Orgnica.Espa>7A$ ,ncJclopedia of #Ge/ical TecGnologJ.HeD orQ$

Perry, R$, U Ireen, :$ ?>>>A$ PerrJs #Ge/ical ,ngineers =>A$'apn Pa7en7e nA ==289.


31/31

0

Sood, '$ ?>>4A$ One s7ep o>ida7ion of propJlene 7o acid acrJlic.Edmonton$

9elez Moreno, M$ ?*++7A$ Ma7eriales ndus7riales. Teora J )plicaciones.Medell6n 8e;tos'cadmicos$

aDs, C$ ?>>>A$ #Ge/ical Proper7ies

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Acido Acrilico Entrega FINALAZO