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BALANCES DE MATERIA Y ENERGA SEMESTRE 2016-1Fecha de entrega: Lunes 19 de octubre de 2015

PROYECTO I

Planta de Produccin de Estireno a partir de Etilbenceno

El propsito de este proyecto es llevar a cabo el balance de materia para una planta deproduccin de estireno a partir de la deshidrogenacin de etilbenceno. As como realizar laevaluacin econmica para determinar la factibilidad del proceso.

En el reactor de deshidrogenacin se verifica la siguiente reaccin:

C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 + H2etilbenceno estireno hidrgeno

Esta reaccin es reversible y se encuentra limitada por el equilibrio termodinmico.Adems, esta reaccin se verifica a altas temperaturas (800 a 950 K) y a bajas presiones(0.4 a 1.4 bar), con el fin de desplazar el equilibrio hacia productos. En el reactor se tieneun catalizador de hierro y la reaccin se verifica en fase gaseosa. Por simplicidad se puede

suponer que el conjunto de reacciones parsitas pueden ser representadas por la reaccin dehidrogenlisis del etilbenceno que origina tolueno y metano, de acuerdo con la siguientereaccin:

C6H5CH2CH3 + H2 C6H5CH3 + CH4etilbenceno hidrgeno tolueno metano

El proceso de produccin de estireno se lleva a cabo en presencia de vapor de agua en lamezcla reaccionante. El vapor acta como un diluyente que ayuda a desplazar el equilibriode la reaccin (1) hacia productos y ayuda a evitar la coquizacin del catalizador. Laproporcin tpica de dosificacin de vapor de agua es de entre 6 a 12 partes de vapor porcada parte de etilbenceno, en base molar.

Como ya se mencion, la reaccin (1) est limitada por el equilibrio termodinmico, laconstante de equilibrio est ligada con el balance de materia por la siguiente ecuacin:

Keq = ysyHP / yEB

En donde ys, yH y yEB son las fracciones mol de estireno, hidrgeno y etilbenceno,respectivamente y no suman la unidad porque en la corriente que sale del reactor hay otroscompuestos. P es la presin absoluta en el reactor. Por su parte, la constante de equilibrio esfuncin de la temperatura y se puede calcular segn la siguiente ecuacin:

ln Keq = 15.540814852.6 / T

Donde T es la temperatura del reactor en K. Se puede asumir razonablemente que lareaccin de produccin de estireno se aproxima al 80% de la conversin en el equilibrio. Laselectividad de la reaccin (2) se reporta en la Tabla 1. El diagrama de flujo de proceso(DFP) se presenta en la Figura 1.

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Tabla 1Selectividad Fraccional a tolueno(*) 0.01 0.03 0.06 0.13Temperatura (K) 800 850 900 950

(*) http://goldbook.iupac.org/F02496.html

Tabla 2. Costos y precios de venta/lb (dlares americanos)Etilbenceno $0.50 Costo

Vapor de 800 K $0.044 CostoEstireno $0.62 Precio de ventaTolueno $0.44 Precio de venta

Hidrgeno $0.21 Precio de ventaMetano $0.086 Precio de venta

Agua de desecho $0.004 Costo

Caractersticas del Proceso (ver Figura 1):

Corriente 1: Etilbenceno lquido disponible a 30C.Corriente 4: Vapor de baja presin, puede considerarse como vapor saturado, y se deber

sobrecalentar en el horno H-501, y se usa como diluyente y como fuente de calor para lamezcla que ingresa al reactor R-501.Corriente 6: En esta corriente se tienen principalmente etilbenceno y vapor de agua. Laproporcin tpica de dosificacin de vapor de agua es de entre 6 a 12 partes de vapor porcada parte de etilbenceno, en base molar. Los compuestos minoritarios sern aquellos quesean arrastrados por la corriente de recirculacin (corriente 24).Corriente 8: Esta corriente opera en los rangos de 0.5 a 1.5 bar y de 50 a 100 C.Corriente 9: Es una corriente compuesta por gases ligeros (hidrgeno y metano)principalmente, contiene algunas trazas de vapor de agua, y cantidades menores deetilbenceno, estireno y tolueno. Esta corriente se emplea como gas combustible. Puedeconsiderarse que en esta corriente se descarga la totalidad del hidrgeno y del metano que

se encuentran en la corriente 8. El estireno, etilbenceno y el tolueno pueden considerarse enequilibrio con los correspondientes compuestos presentes en la corriente 10, de acuerdo conla ley de Raoult.Corriente 10: Esta es una corriente lquida que est constituida principalmente porestireno, etilbenceno y tolueno. Puede suponerse exenta de agua y de gases ligeros. Elestireno, etilbenceno y el tolueno pueden considerarse en equilibrio con loscorrespondientes compuestos presentes en la corriente 9, de acuerdo con la ley de Raoult.Corriente 17: Se constituye de 99% de tolueno con pequeas cantidades de estireno yetilbenceno (puede ser considerada la suma de impurezas como etilbenceno parasimplificar). El tolueno presente en esta corriente es al menos el 95% del tolueno que seproduce en el reactor. Esta corriente se comercializa como un producto secundario, pero nopuede exceder el 2% de la corriente 29.Corriente 24: Est constituida principalmente de etilbenceno, con algo de tolueno yestireno.


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Figura 1. Diagrama de Flujo de Proceso de la planta de

produccin de estireno.


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Corriente 29: Estireno crudo, con al menos 99% en peso de pureza, se requiere queproduzca 100,000 ton/ao, que contiene cantidades pequeas de etilbenceno comoimpureza. El estireno presente en esta corriente debe ser al menos el 98% del estireno queentra al tren de separacin (corriente 10).Corriente 32: Agua residual. Esta corriente deber ser procesada en una planta de

tratamiento antes de ser descargada al drenaje. Para fines del balance podr considerarsecomo una corriente de agua exclusivamente.

Preguntas, Actividades y Resultados

1. Construya un diagrama simplificado de la Planta de Produccin de Estireno queconsidere solamente las corrientes estrictamente necesarias para efectuar losbalances de materia.

2. Efecte un anlisis de grados de libertad del problema. Tome como consideracinadicional que la proporcin de vapor de agua y etilbenceno en la proporcin de 6 a12 partes de vapor por cada parte de etilbenceno.

3. Establezca una estrategia de clculo que permita resolver el problema de balance demateria, indicando lo siguiente:

a) Las variables que deben ser estimadas para iniciar los clculos (corriente decorte).

b) La secuencia de clculo.c) El procedimiento para obtener los nuevos valores para las variables

estimadas (mtodo de convergencia).Nota: Para simplificar la solucin del problema se recomienda cambiar la base declculo hacia la alimentacin a la planta, utilizando al final el factor de escalanecesario para obtener la produccin de estireno establecida.

4. Construya una hoja de clculo que resuelva el balance de materia del proceso. Losresultados que se desplieguen en esta hoja deben ser, para todas las corrientes, lossiguientes: Flujo molar total, las fracciones mol y los flujos molares porcomponente.

5. Determine lo siguiente:a) La cantidad de reactivos que se requieren por tonelada de estireno puro

producido.b) La conversin global de etilbenceno. La conversin global de etilbenceno a

estireno. La selectividad global de etilbenceno a estireno.c) La fraccin de etilbenceno que se pierde en la corriente de gas combustible

(corriente 9).d) Calcule la proporcin de la recirculacin (corriente 24) con respecto a la

alimentacin fresca (corriente 1) de etilbenceno; y de estireno con respecto ala produccin (corriente 29).

6. Determine cul es la mejor condicin de rentabilidad econmica en relacin a laproporcin de vapor de agua y etilbenceno en la alimentacin al reactor; latemperatura de operacin del reactor y la presin de operacin del reactor. Utilicelos datos econmicos reportados en la Tabla 2.

7. El documento con los resultados del proyecto deber estar impreso y engargolado ydeber contener lo siguiente:

a) El diagrama simplificado.


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b) El anlisis de grados de libertad.c) La explicacin de la estrategia de clculo con los elementos que se sealan

en el inciso 3.d) La explicacin del procedimiento de solucin y los valores asignados como

primer estimado de las variables (corriente de corte) para dar inicio a los

clculos.e) Las tablas con los resultados finales, una vez que se ha alcanzado laconvergencia, del balance de materia para cada corriente como se hasealado en los incisos 4 y 5.

f) Una discusin sobre los problemas que se presentaron durante el desarrollodel proyecto y como fueron resueltos para garantizar la convergencia.

g) Las tablas con los resultados finales, para cada uno de los casosconsiderados en el inciso 6, una vez que se ha alcanzado la convergencia,del balance de materia para cada corriente como se ha sealado en losincisos 4 y 5; las grficas donde se muestre las curvas de rentabilidadeconmica.

h) Un anlisis de los resultados anteriores, obtenidos con las modificacionesque se plantearon en el punto 6. Establezca la discusin atendiendo a losaspectos sealados en el inciso 5.

8. Conclusiones generales9. Entregar un disco con los archivos generados para la realizacin del proyecto.

Guardar el disco en un sobre y pegarlo en la pasta posterior del engargolado.

Referencias:

1. Kent, James A., Ed. Kent and Riegel's Handbook of Industrial Chemistry andBiotechnology, Volumes 1 & 2 (11th Edition). SpringerVerlag, 2007.

2. Felder, R.M. and R.W. Rousseau, Elementary Principles of Chemical Processes (3rded., 9 th printing), Wiley, New York, 2005.

3. Perry, R. H. and D. Green, eds., Perrys Chemical Engineering Handbook (7 th ed.),McGrawHill, New York, 1997.

4. http://www.icis.com/chemicals/channel-info-chemicals-a-z/5. http://goldbook.iupac.org/F02496.html

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