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)
*+-
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*
nd!ce "enera,
.ndice #eneral$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*
.ndice de ta/las$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 0
.ndice de 1i#uras$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 2
"ntroducci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4
Re&isi3n de la literatura$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$-
5u6mica del producto$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7
5u6mica de los reactantes$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+
8ecnolo#6a de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*
8ermodinmica de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$0
Cintica de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4
Mecanismo de la reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4
9elocidad de reacci3n$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4
:atos cinticos e;perimentales$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$4
:ise:ise
Balance de ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>
:ise
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nd!ce de ta-,a.
8a/la $ Propiedades 16sicas del cido acr6lico ?:@, *+*A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>8a/la *$ Capacidad calor61ica del cido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>
8a/la 0$ Propiedades u6micas del cido acr6lico ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>8a/la 2$ Puntos de e/ullici3n del a#ua para di1erentes presiones ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$>8a/la 4$ Propiedades 16sicas del a#ua ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>8a/la -$ Capacidad calor61ica del a#ua$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la =$ Propiedades u6micas del a#ua ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la 7$ Propiedades 16sicas del @;i#eno ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la >$ Capacidad calor61ica del @;6#eno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+8a/la +$ Propiedades 16sicas del Propileno ?immel/lau, >=2A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8a/la $ Capacidad calor61ica del Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8a/la *$ Propiedades u6micas del Propileno ?immel/lau, >=2A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$8a/la 0$ Propiedades 16sicas de la acrole6na ?:ean, >>7A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*8a/la 2$ Capacidad calor61ica de la acrole6na$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*8a/la 4$ Propiedades u6micas de la acrole6na ?aDs, >>>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*8a/la -$ :atos e;perimentales de la producci3n de cido acr6lico ?Jap3n Patente n==4,*7-, >=>A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ -
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nd!ce de /!"$ra.
Fi#ura $8ecnolo#6as para la producci3n de cido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7Fi#ura *$ Molcula de cido acr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$7Fi#ura 0$ Molcula del '#ua$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$>Fi#ura 2$ Molcula de @;6#eno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$+Fi#ura 4$ Molcula del Propileno$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$Fi#ura -$ Molcula de la 'crole6na$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*Fi#ura =$ :ia#rama de Flujo para la producci3n de %cido 'cr6lico$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$2Fi#ura 7$ E1ecto de la adici3n de 's*@0 al catalizador compuesto de 4$0>-G H/a@i,
0-$7G Mo+0, and Si+* ?Camp/ell, >=+A$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$=Fi#ura >$ :ia#rama para el Balance de Ener#6a$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$**
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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
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-
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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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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#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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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
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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
K prod reactHr Hf Hf=
( ) ( )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
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!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$
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=
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=!"
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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
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>
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$o ==
El 1lujo inicial del propileno
49.544
88.4720.8 0.7
propileno
mol
mols!s
= =
El 1lujo &olumtrico en el reactor
3
3
8.314 598 2.5 88.472
2.4438450 10
J molK
mmol K s"Pa s
= =
)
tilizando la ecuaci3n de dise
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20/31
*+
:e la ecuaci3n
( )
hallamos la constante de &elocidad
3108 10
38.314 533
10 4
3 10 7.82 10
J
molJ
Kmol K
L m
k emol s s mol
= =
El 1lujo inicial del acrolina
49.544
70.7770.7
acrolina
molmols!
s= =
El 1lujo &olumtrico en el reactor
3
0.71
0.81.307
nR T !m
"P s
+ = =)
!a concentraci3n inicial de acrolina
0 3101.515
P molC
R T m= =
El 1actor de e;pansi3n &olumtrica
1
1 20.267
0.7 11
0.8
= =
+
tilizando la ecuaci3n de dise
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*
D!.e5o de reactor no !.otrm!co
2a,ance de ener"#aEl /alance de ener#6a se realiza partiendo de la ecuaci3n de la conser&aci3n de la
ener#6a$
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
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**
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 = $
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*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" )
=
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*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
K prod reactHr Hf Hf=
( ) ( )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
+ + + =
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*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=
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*-
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
K prod reactHr Hf Hf=
( ) ( ). .533 329 90.4 239.4ac acr
KkJHr
mol= =
:el /alance para un reactor PFR no isotrmico y considerando un sistema adia/tico
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*=
( ) ( )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 + +
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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% &
= =
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*>
Cant!dad de reactore.
Se necesita solo reactor para cada reacci3n$
D!.c$.!0n de re.$,tado.
El primer clculo para del dise
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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$'apn Pa7en7e nA ==289.
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0
Sood, '$ ?>>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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