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 Introducción a la Ingenierí a Quí mica – Uva Feb rero 2007 - Problema 1 El óxido de etileno se produce por oxidación catalí tica de etileno con oxí geno según la reacción: C 2 H 4  + ½ O 2  → C 2 H 4 O [I] La rea cci ón pri ncipal vi ene acompa ñada por las si guient es reac ci ones secundari as de combustión: C 2 H 4  + 3 O 2  → 2 CO 2  + 2 H 2 O [II] C 2 H 4 O + 5/2 O 2  → 2 CO 2  + 2 H 2 O [III] Para minimizar la reacción en serie se mantiene una conversi ón de C 2 H 4  por paso del 10%. El cociente entre el número de moles formados de C 2 H 4 O y el número de moles de C 2 H 4  consumidos es 0,6 (selectividad del 60%). En las condiciones de operaci ón, un 3,25% del C 2 H 4 O formado se consume según la reacción [III]. El proceso puede considerarse formado por tres bloques sucesivos: de reacci ón, de absor ción y de destilación. Su descripción es como sigue: La alimentaci ón (corriente F, formada por C 2 H 4  y O 2  a 298 K) se mezcla con la corriente R de recirculación y posteriormente se precalienta hasta 573 K antes de entrar al reactor (corriente E). La relación molar C 2 H 4  : O 2  en E es 4:1. Para conseguir un mejor control de la temperatura es aconsejable mantener en esta corriente un porcentaje de CO 2  del 30% en moles, que ejerce el papel de diluyente. Se utiliza un reactor multitubular con centenares de tubos de pequeño diámetro en paralelo operando a 573 K y 20 bar. El calor liberado por la reacci ón es removido por un hidrocarburo de elevado punto de ebullición que fluye alrededor de los tubos. Para recuperar calor en el proceso, los vapores de este refrigerante se condensan en un ebullidor externo, donde se produce la consiguiente generaci ón de vapor de agua. Los ga ses de sali da de l reac tor (co rri ente S) se enfr í an primero hasta 398 K med iante intercambio de calor con la corriente de entrada al reactor y posteriormente hasta 298 K en otro cambiador. Así  se llevan al bloque de absorci ón, cuya una unidad principal es la columna de absorción del óxido con agua. En esta columna, que opera a 298 K y 20 bar, los gases se ponen en contacto en contracorriente con la corriente de recirculaci ón Z procedente del bloque de destilaci ón, transfiriéndose a la fase lí quida el 95% del C 2 H 4 O, así  como todo el agua y una parte del CO 2  procedentes de la corriente S. Los gases C 2 H 4  y O 2 que no han reaccionado no se transfieren. El 99% de la corr iente gaseosa de salida de la unidad de absorci ón se recircula (corriente R) hasta la entrada del reactor, siendo el resto extraí do del sistema como purga P. Por su parte, la corriente lí qu ida T que abandona el abs orbedor se conduc e al blo que de destilación en el que, globalmente, se recogen tres fracciones, todas ellas a 298 K: una corriente ligera L por cabezas formada por CO 2  puro, un segunda corriente intermedia V formada por C 2 H 4 O puro y una corriente de agua prácticamente pura en colas que se recircula en su mayor parte a la columna de absorción (corriente Z) formando el resto la corriente residual B. CÁLCULOS 1 Dibujar el diagrama de flujo del proceso. (4 puntos sobre 20) 2 Calcular los valores de la conv ersión por paso de C 2 H 4  de las reacciones I y II (X I  y X II ). (2p/20) 3 Tomando 1 mol/s de O 2  a la entrada del reactor como base de cálculo, determinar la tabla de corrientes del proceso (sólo flujos molares). (6p/20) 4 Determinar el flujo de calor, en kcal/h, requerido en el reactor y en el proceso completo. (6p/20) 5 Supóngase que se construye una planta para producir 10 4  kg/dí a de óxido de etileno mediante el proceso descrito anteriormente. Determinar el flujo, en kg/h, y la composici ón de la corriente de alimentación fresca (corriente F), así  como los requerimientos energéticos del reactor. (2p/20) DATOS: • Numeraci ón para los distintos componentes: componente 1: C 2 H 4 ; componente 2: O 2 ; componente 3: C 2 H 4 O; componente 4: CO 2 ; componente 5: H 2 O • Capacidades calorí ficas: Si se desea, considérense valores medios de C p  para los cálculos. • Utilí cense valores de los calores standard de formaci ón a 298 K de los distintos compuestos para la resolución del apartado 3.

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  • IntroduccinalaIngenieraQumicaUvaFebrero2007Problema1Elxidodeetilenoseproduceporoxidacincatalticadeetilenoconoxgenosegnlareaccin:

    C2H4+O2 C2H4O [I]La reaccin principal viene acompaada por las siguientes reacciones secundarias de

    combustin:

    C2H4+3O22CO2+2H2O [II]C2H4O+5/2O22CO2+2H2O [III]

    ParaminimizarlareaccinenseriesemantieneunaconversindeC2H4porpasodel10%.ElcocienteentreelnmerodemolesformadosdeC2H4OyelnmerodemolesdeC2H4consumidoses0,6(selectividaddel60%).Enlascondicionesdeoperacin,un3,25%delC2H4Oformadoseconsumesegnlareaccin[III].

    Elprocesopuedeconsiderarseformadoportresbloquessucesivos:dereaccin,deabsorcinydedestilacin.Sudescripcinescomosigue:Laalimentacin(corrienteF,formadaporC2H4yO2a298K)semezclaconlacorriente Rderecirculacinyposteriormenteseprecalientahasta573Kantesdeentraralreactor(corrienteE).LarelacinmolarC2H4:O2enEes4:1.ParaconseguirunmejorcontroldelatemperaturaesaconsejablemantenerenestacorrienteunporcentajedeCO2del30%enmoles,queejerceelpapeldediluyente.

    Seutiliza unreactormultitubular concentenaresde tubosdepequeodimetroenparalelooperandoa573Ky20bar.Elcalorliberadoporlareaccinesremovidoporunhidrocarburodeelevadopuntodeebullicinquefluyealrededordelostubos.Pararecuperarcalorenelproceso,losvaporesdeesterefrigerantesecondensanenunebullidorexterno,dondeseproducelaconsiguientegeneracindevapordeagua.

    Los gases de salida del reactor (corriente S) se enfran primero hasta 398 K medianteintercambio de calor con la corriente de entrada al reactor y posteriormente hasta 298 K en otrocambiador.Assellevanalbloquedeabsorcin,cuyaunaunidadprincipaleslacolumnadeabsorcindelxidoconagua. Enestacolumna, queopera a 298Ky20bar, los gases se ponenencontacto encontracorrienteconlacorrientederecirculacinZprocedentedelbloquededestilacin,transfirindosealafaselquidael95%delC2H4O,ascomotodoelaguayunapartedelCO2procedentesdelacorrienteS.LosgasesC2H4yO2quenohanreaccionadonosetransfieren.El99%delacorrientegaseosadesalidadelaunidaddeabsorcinserecircula(corrienteR)hastalaentradadelreactor,siendoelrestoextradodelsistemacomopurgaP.

    Por su parte, la corriente lquida T que abandona el absorbedor se conduce al bloque dedestilacinenelque,globalmente,serecogentresfracciones,todasellasa298K:unacorrienteligeraLporcabezasformadaporCO2puro,unsegundacorrienteintermedia V formadaporC2H4Opuroyunacorriente de aguaprcticamente pura en colas que se recircula en su mayor parte a la columnadeabsorcin(corrienteZ)formandoelrestolacorrienteresidualB.CLCULOS1Dibujareldiagramadeflujodelproceso.(4puntossobre20)2CalcularlosvaloresdelaconversinporpasodeC2H4delasreaccionesIyII(XIyXII).(2p/20)3Tomando1mol/sdeO2alaentradadelreactorcomobasedeclculo,determinarlatabladecorrientesdelproceso(sloflujosmolares).(6p/20)4Determinarelflujodecalor,enkcal/h,requeridoenelreactoryenelprocesocompleto.(6p/20)5Supngasequeseconstruyeunaplantaparaproducir104kg/dadexidodeetilenomedianteelprocesodescritoanteriormente.Determinarelflujo,enkg/h,ylacomposicindelacorrientedealimentacinfresca(corrienteF),ascomolosrequerimientosenergticosdelreactor.(2p/20)DATOS: Numeracinparalosdistintoscomponentes:componente1:C2H4;componente2:O2;componente3:

    C2H4O;componente4:CO2;componente5:H2O Capacidadescalorficas:Sisedesea,considrensevaloresmediosdeCpparalosclculos. Utilcensevaloresdeloscaloresstandarddeformacina298Kdelosdistintoscompuestosparala

    resolucindelapartado3.


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