Nivel 3: ESTRUCTURA DE RECICLO DEL FLOWSHEET

La distribución del producto domina el diseño y por ello el sistema de reactores es importante estudiar.

3.1 Las decisiones que se deben tomar en este nivel son:

1. ¿Cuántos sistemas de reactores se requieren? y si2. ¿Existen sistemas de separación entre reactores?3. ¿Cuántos flujos de reciclo se requieren?4. ¿Deseamos un exceso de reactivos a la entrada del reactor?5. ¿Se requiere un compresor de gas? ¿Cuál es su costo?6. ¿Debe operar el reactor adiabáticamente, con calentamiento directo o enfriamiento, o

se requiere un diluyente o portador de calor?7. ¿Deseamos mover la ecuación de equilibrio? ¿Cómo?

3.1.1 Número de sistemas de Reactores Se utiliza un sistema de reactores, cuando las reacciones se producen a diferentes temperaturas o presiones y si se requieren catalizadores diferentes.

Ejemplo: Producción de anhídrido Acético

Acetona Queteno + CH4 Queteno CO +1/2C2H4

Queteno + ácido acético Anhídrido Acético 80ºC y 1atm

3.1.2 Número de flujos de Reciclo

Se asocia las corrientes de alimentación con el número de reactor en donde los componentes reaccionan o son reactantes.

De forma similar se pueden evaluar los componentes en corrientes de reciclo con el numero de reactantes en donde los reactantes reaccionan.

Para asociar las corrientes, se elabora una lista de los componentes que salen del reactor luego se ordena por su punto de ebullición normal y se indica el numero de reactor y el código de destino para cada flujo de reciclo

A continuación se agrupan los componentes que tienen puntos de ebullición cercanos si tienen el mismo reactor como destino

Luego: Nº de flujos de reciclos = Nº de grupos formados

Regla Heurística: “No es conveniente separar los componentes, luego mezclarlos a la entrada del reactor”.

3.1.2.1 Reciclo Gaseoso

Se reciclan los componentes gaseosos si tienen su punto de ebullición menores a -47ªC (punto de ebullición del propileno). El reciclo gaseoso es estudiado con mayor frecuencia

700ºC y 1atm

por que utilizan equipos como: compresores, hornos, columna de destilación, etc. Los cuales son más costosos.

3.1.2.2 Reciclo Liquido

No se estudia en diseño preliminar por los costos de los equipos son de menor costo (bombas, tuberías, etc.)

Ejemplo 1: Considerar los siguientes componentes y sus destinos los cuales están ordenados de acuerdo a su punto ebullición.

A.- Subproducto residual AB.- Subproducto residual B C.- Reactivo-reciclar a R1 C (Reactor1)D.- Subproducto combustible DE.- Subproductos combustible EF.- Producto primario FG.- Reactivo-Reciclar a R2 GH.- Reactivo-Reciclar a R2 H I.- Reactivo-Reciclar a R1 I (Reactor 1)J.- Subproducto Valioso J

Ejemplo 2: Producción de anhídrido acético

Acetona Queteno + CH4 Queteno CO + 1/2C2H4

Queteno + Ácido Acético Anhídrido Acético 80ºC y 1 atm

Componente Punto de Ebullición ºC Código de DestinoCO -191 CombustibleCH4 -161 CombustibleC2H4 -104 CombustibleQueteno -42 Reactivo inestable-conversión completaAcetona 50 Reactivos-reciclan a R1-liquidoÁcido acético 118 Reactivo Reciclan a R2-liquido

Reciclo ácido acético

ReactorR1

ReactorR2

Alimentación de ácido acético

Reciclo acetona

Alimentación de acetona

G+H (Reactor 2)

3 flujos de reciclo

4 flujos de producto

A+B

D+E

700ºC y 1 atm

Anhídrido acético 139 Producto primario

Existen dos flujos de productos:1.- CH4 + CO + C2H4

2.- Anhídrido acético

Existen dos flujos de reciclas líquidos1.- Acetona reciclan a R12.- Ácido acético a R2

Estructura de Reciclo de Anhídrido Acético

3.1.3 Reactantes en Exceso

Casos en que se utiliza exceso de reactivo.

a) Para desplazar la distribución de productos

Ejemplo: Modelo simplificado para la producción de isobutano vía alquilación de butano

Butano + Isobuteno Isoocctano (gasolina)

Butano + Isooctano C12

Si la cinética concuerda con la estequiometria, entonces el uso de un exceso de isobuteno lleva a aumentar la selectividad para producir isooctano.

Condiciones

Mientras mayor es el exceso mayor es la selectividad. Sin embargo existe mayor costo de recuperación y reciclo de isobutano.

El exceso óptimo se obtiene de un análisis económico.

b) Para forzar a otro componente a una conversión completa

Ejemplo: Producción de fosgeno

CO + Cl2 COCl2

Separador

Reciclo ácido acético

ReactorR1

ReactorR2

Ácido acético

Reciclo acetona

Acetona

CO, CH4, C2H4

Anhídrido Acético

El fosgeno es un compuesto intermedio en la producción de disocianato se usa un exceso de CO para forzar el Cl2 a convertirse casi completamente.

c) Para Mover La Conversión De Equilibrio

Ejemplo: Producción de coiclohexano

Benceno + 3H2 CiclohexanoPunto ebullición 353,26 K 353,90 K

Un exceso de H2 mueve la conversión hacia la derecha y se logra una alta conversión de benceno y con esto se logra evitar la separación entre el benceno y ciclohexano (punto de ebullición muy cercano).

La cantidad óptima de exceso es un compromiso económico entre los beneficios, costo de recuperación y reciclo de exceso. Entonces a menudo se necesitan efectuar un análisis económico en función de la variable adicional de diseño “Razón Molar”a la entrada del reactor.

3.1.4 Balance de Materia del Reciclo

Antes de realizar el balance de materia para el reciclo se debe especificar el sistema de separación como si fuera una “caja negra”. Como se necesita lo mas rápido posible los flujos de reciclo (sin realizar cálculos rigurosos), se supone que la recuperación son superiores al 99% o son equivalentes a 100% de recuperación. Esta suposición o aproximación introduce solo pequeños errores en los cálculos.

3.1.4.1 Reactivo Limitante

Si se alimentan reactivos a un reactor siguiendo a una razón estequiometrica, y la reacción es completa todos los reactantes se habrán consumido.

Un reactivo es limitante si se encuentra si se encuentra presente en una proporción menor que la estequiometrica respecto a otros reactivos (es el reactivo que desaparece primero en una reacción); a los cuales se les denomina reactivo en exceso.

Ejemplo: Producción de Etanol

CH2CH2 +H2O CH3CH2OH2 CH3CH2OH (CH3CH2)2 + H2O (1)

El reactivo limitante es el H2O

Supongamos que deseamos producir 783 mol/h del azeotropo EtOH-H2O, que contenga 85,4 % mol EtOH, la alimentación de etileno contiene 4% CH4 y agua pura.

Reciclo de agua y dietil eter (diagrama de flujo)

1 Balance de Materia Total:

1.1 Velocidad de Producción de azeótropo:

P = Azeotropo 783mol/h (2)

1.2 Contenido de Etanol:

PEtOH = Yagua*PaguaPEtOH = 0.854(783) = 669 molETOH/h (3)

1.3 Contenido de agua en la corriente del productos:

PH2O = Pazeo-PEtOH = 783 - 669 =114 mol/h (4)

1.4 La velocidad de alimentación de H2O (Reactivo Limitante) es:

FH2O = Yazeo Pazeo+ (1-Yazeo)Pazeo = 669 + 114 = 783 mol/h (5)

1.5 La cantidad de agua que sale con el producto: FW,P

1.6 La cantidad de agua fresca requerida es: FW,R

2 Balance Para el Agua: del diagrama anterior:

b.1) La cantidad de agua que ingresa al reactor es Fwb.2) La cantidad de agua que sale del reactor es: FW(1-X)b.3) La cantidad de agua que se recicla: FW(1-X) –FW,P

EtOH-H2OPazeo=Azeotropopo (783 mol/h)Yazeo= 85.4% mol EtOH

C2H4, CH4

Etileno 9%

Reactor Sistema de Separación

ETER

H2O

H2O pura

C2H4, CH4

FW

Reactor SeparadorFW,P+ FW.R

FW (1-X)

FW (1-X) - FW.P

FW,P

3 Balance de materia en el Punto de Reciclado antes de ingresar al reactor

(10)

d.2.2 Otros Reactantes Después de haber estimado el flujo del reactivo limitante, se usa una

razón molar a la entrada del reactor para calcular los flujos de reciclo de los componentes.

d.2.3 Reglas Heurísticas de Diseño- No existe regla heurística para seleccionar un valor de “x” para el caso

de reacciones complejas.- No existe regla heurística para seleccionar la composición de purga “Y”

y Razón Molar(RM).- Para reacciones simples un valor razonable es:

X = 0.96 o X = 0.98Xequivalente

d.2.4 Sub Productos ReversiblesSi reciclamos un subproducto formado por una reacción reversible y

dejamos que se acumule hasta la concentración de equilibrio, entonces se puede encontrar el flujo de reciclo usando la relación de equilibrio.

d.3 Efectos Energéticos del ReactorEn esta parte de nivel se toma decisión respecto a como opera el reactor

- Adiabaticamente- Con calentamiento- Enfriamiento directo- Necesita diluyente- Necesita Portador de Calor

Para decidir como operara el reactor se determina la caja térmica y la temperatura adiabática.

d.3.1 Caja Térmica del Reactor:Para reacciones simples toda la alimentación fresca del reactivo

limitante usualmente se convierte en el proceso (solo se pierde pequeñas cantidades) Carga Térmica del Reactor=Calor reacción*Flujo de alimentación Fresca

QR =ΔHR*FF (1)Donde: ΔHR debe calcularse a las condiciones de operación del reactor.

Ejemplo: Deshidrogenacion del Isopropanol para producir acetona(CH3)2CHOH (CH3)CO+ H2

PA= 25000 tnacetona/año = 51.3 lbmol/hFisopropanol = 51.3 lbmol/hΔH = 25800 BTU/lbmol (570ºF y 1atm)

A consecuencia de introducir un componente se debe cambiar los bances de materia total y del reciclo

Aplicando la formula QR=ΔHR.FF

La reacción es endotérmica y se consume calor en el proceso.

d.3.2 Temperatura AdiabáticaUna vez que se ha determinado la carga térmica temida del reactor y

del flujo a través del mismo en función de las variables de diseño que estima el cambio de temperatura adiabática.

QR=F.Cp.(TE,P-TR,S) (2)

Ejemplo: Proceso IPA (Isopropanlo Acetona) Una alimentación del isopropanol agua azeotropo (70%mol IPA)

ingresa al reactor; se recicla la mezcla azeotropica, entonces ingresa 22.0mol/h de agua en la alimentación. Si en el reactor se convierte el )96% el reciclo debería tener 2.1lbmol/h de IPA y 0.91lbmol/h de agua. Cuál será la temperatura de salida si de entrada es 572ºF

Solución:QR = 1.324*106 BTU/h

Reaplazando datos:

Luego:

Este valor no es componente. En lugar de usar reactor adiabático, se utiliza operación isotérmica suministrando calor de proceso.

d.3.3 Reglas Heurísticas Para Carga Térmica Del reactorSi no se puede aplicar operación adiabática, tal como el ejemplo

anterior entonces aplicar calor directo o enfriamiento. Siempre verificar el área superficial de transferencia de calor que sea de acuerdo para el tipo de reactor.

Para reacciones en fase gas a elevadas temperaturas se supone.

y

Para una carga de calor de RR1*106BTU/h se debe determinar el área de transferencia.

A calcular

Esta área es muy pequeña, por que la máxima área de transferencia de calor que es capaz de transferir en un intercambiador de calor de cabeza flotante en la causa esta en el rango de 6000-8000pie2 (600-800m2). La carga de calor mínima para remover o aplicar calor a un reactor utilizando un simple intercambiador esta limitado a un rangote 6-8*106 BTU/h.

Regla Heurística: “El rango típico de intercambiadores de calor se encuentran en el rango de 600-800m2”

d.3.4 Flujos de Los Portadores de CalorLa carga de calor al reactor es frecuentemente fijado por la velocidad

de alimentación fresca del reactor limitante. L temperatura diabética cambiara dependiendo del flujo a través del reactor. Entonces el cambio de temperatura en el reactor se incrementa con la velocidad de flujo.

Si queremos cambiar moderadamente la temperatura se prefiere reciclar más de un reactantes o por reciclo de un producto o subproducto. Cuando esto no es posible podemos adicionar componentes extraños que aporten calor teniendo en cuenta que estos puedan perjudicar el sistema de separación haciéndoles mas complejo.

d.4 Limitaciones de EquilibrioEn muchos procesos industriales las limitaciones de equilibrio son

importantes por su condición de reacción.

d.4.1 Conversión de EquilibrioLos flujos de determinan en función de las variables de diseño (X,

RM, etc.). Si se remplaza los flujos en la relación de equilibrio veremos que la conversión seleccionada se encuentra sobre o bajo el valor de equilibrio. Si la conversión de equilibrio excede el resultado no tiene significado. En muchos casos es necesario determinar el valor exacto del convecino de equilibrio x en función de las variables de diseño, lo cual aparece en el modelo cinético que se utiliza para determinar el tamaño del reactor.

d.4.2 Reactores SeparadoresSi uno de los productos puede ser removido mientras la reacción

sucede, entonces, una reacción aparentemente limitada por el equilibrio puede ser forzada a una conversión completa.Ejemplo: Producción de Acetona

Isopropanol Acetona +H2

En la fase líquida o en la fase gas a 300ºF la conversión en equilibrio es cerca de 32% (Xeq=0.32). Sin, embargo, el catalizador puede soportar un elevado punto de ebullición de un solvente y se puede operar entonces el reactor sobre el punto de ebullición de la acetona con lo cual el H2 y Acetona pueden ser removidas en forma de vapor. De esta forma, la conversión de equilibrio es desviado a la derecha. Una será de tres reactores

agitados, con sistemas de calentamiento para suministrar calor endotérmico a la reacción se puede usar en el proceso.

d.4.3 Reacciones Exotérmicas Reversibles Varias reacciones industriales son reversibles y exotérmicas.

Ejm: 1) Proceso de Ácido sulfúricoSO2 + 1/2O2 SO3

2) Síntesis de AmonioCambian agua a gas: CO+H2O CO2+H2Síntesis amonio: N2+3H2 2NH3Para altas temperaturas los reactores tienen pequeños volúmenes;

entonces en estas reacciones la conversión de equilibrio decrece al aumentar la temperatura en el reactor. Es por ello, en estas reacciones frecuentemente se retiran calor mediante una serie de lechos adiabáticos o intercambiadores de calor, enfriando los gases o mediante bypass de alimentación en frió para bajar la temperatura entre los lechos.

d.4.4 DiluyentesPara cambiar la conversión de equilibrio se puede usar la T, P y RM.

Así mismo en algunos caso un componente extraño (diluyente) se adiciona para variar la conversión de equilibrio.

Ejm: producción de estireno Etilbenceno Estireno H2Etilbenceno Benceno + EtilenoEtilbenceno Tolueno + Metano 1100ªF, 20psia

La adición de vapor (o metano) al ingreso del reactor baja la presión parcial del estireno e H2 y así disminuye la velocidad de la reacción reversible primero. El vapor sirve en parte como un transportador de calor para suministrar calor endotérmico a la reacción.

d.5 Diseño del compresor y costo

d.6 Diseño de Reactor d.7 Evaluación Económica de reciclo.