Asignación62

7/23/2019 Asignacin62

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Asignacin 6Produccin de acetato de metilo.

Ingeniera de procesos I.25 de marzo de 2015

Carlos Enrique lano !erna Cd." #1052$

Objetivo general: %ise&ar un reactor ' un destilador acoplados para produciracetato de metilo puri(cado) usando el programa Aspen plus) ' losconocimientos adquiridos anteriormente.

Objetivos especfcos:

*ortalecer el mane+o de la ,erramienta aspen plus para el c-lculo deprocesos qumicos que adem-s de una reaccin inclu'an la puri(cacinuna del producto.

Consolidar ' agrupar los conocimientos adquiridos posteriormente sorelos dise&os de reactores qumicos ' torres de destilacin.

Introduccin

El acetato de metilo es un lquido incoloro utilizado como disol/ente enreacciones) se emplea como disol/ente para la produccin de materiales dere/estimiento) nitrocelulosa) acetato de celulosa) teres de celulosa) 'celuloide. amin se utiliza con una amplia /ariedad de resinas) plasti(cantes)lacas ' ciertas grasas. !u otencin se realiza mediante esteri(cacin del

-cido actico con el metanol

354

. Por otro lado el acido actico o como tamines llamado acido atanoico) acido etlico entre otros) es un liquido incoloro) conun olor similar al de /inagre) cu'a produccin comercial generalmente seeecta mediante la reaccin entre el metanol ' el mon7ido de carono enpresencia de un catalizador) ' se utiliza para la produccin de an,idridoactico) acetato de /inilo) esteres acticos) pl-sticos) tintes) cauc,os) tamiense usa en antiiticos) compuestos organicos) ' como aditi/o en alimentos3como acidulante4364.

En esta asignacin se realiz por medio un reactor C!8 ' se uso una torre dedestilacin para su puri(cacin) con el (n de producir 5 toneladas9da de

acetato de metilo con una pureza del :5 ;) realizando los alance 'dimensionamiento necesarios) en la industria actualmente se usa a tra/s dedestilacin reacti/a donde se compro una ma'or e(ciencia 'a que mientrasreacciona se realiza la e7traccin en/iando el equilirio ,acia los productos.


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Clculos.

Para estimar la cantidad de metil acetato a producir en el reactor) se tendr- encuenta que el 5 ; restante de la composicin del producto) es decir deldestilado) corresponde a agua) para esto primero se calcula el peso molecularpromedio de la mezcla de metil acetato ' agua) ' luego se encontrara el ?@g9mol P=A>1$g9mol

PMprom=P MMAXDMA+P MAXDA

PMD=74 gmol0.95+

18 gmol0.05=71.2

gs

5 tondia

1000Kg

ton 1000g

Kg 1dia

24h 1h

3600 s =57.87

gs

D=

57.87 gs 1mol

71.2g =0.813

mols =48.78

molmin

Por lo tanto) como la raccin molar de metil acetato es de 0):5) la cantidadque se necesita producir de este ser- de"

FMA=D0,95=48.78molmin

0,95=46,341molmin

%ise&o del reactor

!e empleara un reactor continuo de mezcla completa 3C!84) para realizar lareaccin de esteri(cacin la cual se produce en ase liquida. a reaccin deesteri(cacin que se lle/ara a cao es"

=etanol Bcido actico Acetato de =etilo Agua


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Para el c-lculo del reactor se parte de las siguientes ecuaciones"Ecuacin de dise&o de C!8

V=FA 0FA

rA =

FA0XArA

Cintica de la 8eaccin314

rA=kf[CA CBCCCDkEq]

En donde las constantes cinticas se de(nen como"

kfo=3x 108 (WC)+8x 10

7

kf=kfo exp(Ea/RT)

molmin

Ea=62721!/mol Trxn=323.15K

c> 0.12$$ mol9

%onde c es la concentracin del catalizador es la mezcla) es decir acidosulrico) el /alor de este par-metro se tomo segn la iliograa consultada314. Da que la reaccin se realiza en estado lquido ' no ,a' camio de ase) sesupone que la densidad es constante) por lo que el camio de /olumen en lareaccin se considera insigni(cante) por lo tanto se asume que"

"0="

#0=#

a estequiometria de la reaccin es"

Ci=Fi#

Para determinar las concentraciones a la salida del reactor es necesarioplantear la tala estequiomtrica en uncin de la con/ersin de =etanol.

Especie Alimentacin al reactor

camio dentro delreactor

tasa de e *A031F4


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G *G0> *A0HG *A0F *G> *A03HG F4

C *C0> *A0Hc *A0F *C> *A03Hc F4

% *%0> *A0H% *A0F *%> *A0 3H% F4ala 1. ala estequiomtrica.

%nde"A > =etanol.G > -cido actico.C > acetato de =etilo.% > Agua.

i=Fi0FA0

=Ci 0#0CA0#0

=Ci0CA0

!iendo i" G) C ' %

Entonces"

CA=FA#0

=FA0(1XA)

#0

=CA0(1XA)

CB=FB

#0

=FA0(BXA)

#0

=CA0(BXA)

CC=FC#0

=FA0(CXA)

#0

=CA0(C+XA)

CD=FD

#0

=FA0(DXA)

#0

=CA0(D+XA)

CT=CA+CB+CC+CD

Aplicando la estequiometria) se otiene la cintica en uncin de la con/ersin"

rA=kf [CA0(1XA )CA0 (CXA)CA0 (C+XA )CA0(D+XA)K$q ]

Igualmente aplicando la estequiometria a la ecuacin de dise&o se otiene"

V=FA0XArA


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=V

#0

!egn la literatura) las reacciones de esteri(cacin se lle/an a cao a presionesatmosricas) ' a temperaturas entre #10 ' #25 ) en ase liquida ' catalizada

por acido sulrico o resina de intercamio inico354

) adem-s se aconse+antiempos de residencia entre 5 a 50 minutos para otener uenos resultados 324)con ase a lo anterior se eli+e operar el reactor a 50 JC 3#5#)15 4) ' con untiempo de residencia de 50 min Por lo tanto se tiene que"

#0=

V

=

V

50min

las constantes cinticas calculadas segn las condiciones de operacin son"

kfo(W%=0.1288mol)=1,186108 molminkf(T=353,15K)=0,008629

molmin

kEq=5,07

Inicialmente se estima que no se alimentan ninguno de los productos) por lotanto se tiene en cuenta que"

Fag&a 0=FM ' a%$tato0=0

a con/ersin de equilirio para esta reaccin segn algunos estudios 314) es de0)6:) por lo que supondr- esta con/ersin) para determinar la cantidad dereacti/o que se dee alimentar al reactor) el c-lculo se muestra a continuacin"

XA=0,69=FAoFA

FAo

XA=0,69=46.328

FAo

FAo=46,328

0,69=67,14mol

min

Adem-s para otener uenos resultados) se sugiere lle/ar a cao esta reaccincon un e7ceso de acido actico 324) por consiguiente los


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FA0=FM$tanol0=67,14mol

min

FB0=F(' a%$ti%o0=80,00mol

min

Por lo tanto se tienen las siguientes ecuaciones a resol/er"

V=FA0XArA

rA=kf#0

2 [FA0 (1XA )FA0(FB0FA0XA)FA0 (XA )FA0(XA)

K$q ]#0= V50min

8esol/iendo para el /olumen) segn las constantes '


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Balance de materia Global

F=D+W

%onde"

D=48,78mol

min

=0,813mol

s

F=FAg&a+FM 'a%$tato=(246,3266 molmin )=92,652molmin

=1,5442mol

s

Entonces

W=FD=1,5442mol

s 0.813

mols

W=0,7312mol /s

Balance de materia por componente para el agua

F XF) A=D XD) A+W XW ) A

Con"XD ) A=0,05 D=0,813mol /s

W=0,7312mol /s F=1,5442mol /s

XF) A= 46.32mol/min(46.32+46.32 )mol /min=0,5

8eemplazando en el alance de materia por componente"

1,5442mol

s 0,5=0,050.813

mols +XW ) A0,7312

mols

XW ) A=1,00034*1

Calculo reujo etapas

as operaciones para separar las mezclas de acetato de metilo) agua) metanol' acido actico) por destilacin) generalmente se lle/an a cao a una presinentre 10 a 20 psi 30)6$0@6 a 1)#60:2 atm4 ' a unas temperaturas de @0 a 1#0JC 324. Por otro lado Para el c-lculo del re


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presin a la que se realizara la destilacin) el diagrama se muestra acontinuacin"

*igura 1. Equilirio metil acetato K agua.

!e calculo primero el re


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*igura #. Calculo nmero mnimo de etapas.

El re


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*igura @. Calculo etapas tericas.

!egn la literatura la temperatura a la que se lle/a a cao la destilacin aloperar a presin atmosrica es de ?5 JC a :0 JC) ' usan un destilador de @?platos) por lo que aqu igualmente se usara un destilador de platos 3#4.*inalmente no se ,ar- un precalentamiento de la alimentacin) pues latemperatura a la cual entra el alimento a la columna) es decir el


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Con"R=1,091D=0,813mol /s

+ ,ag&aVap=40,65

K!mol

+ ,MAVap=17,90K!/mol

+ ,prom=29,31K!/mol

-C=0,813mol

s (1,091+1 )(29,31 K!mol )=49,8265 K!s =49826,5!s

Balance de energa en la torre de destilacin:

Entra=.al$

F hF+-R=D hD+W hW+-C+-/..

%onde"hF=Entalpia d$$ntrada'

hD=Entalpia d$l D$stilado'

hW=Entalpiad$ Fondos '

-%=Calor d$l%ond$nsador=49,826K!/s

-//.=Calor p$rdido $n laTorr$ *0

-R=Calor d$lh$r#idor .

Para el c-lculo de las entalpias) se calcularon las capacidades calor(cas) segnla siguiente ecuacin"

Cp=A+BT+C T2+D T3

Con la emperatura en el/in) ' Cp en N9mol ) los coe(cientes de la ecuacinest-n en la tala 2.

coe(cie =etil agua


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nte acetatoA ?6)12: :2)05#G 0)@#2?? 0)0#::5#

C

0)001#6:

@

0)000211

0#%

0)0000021$5

5)#5E0?

ala 2.Coe(cientes para calculo de Cp.

Para calcular las entalpias se tomara como temperatura de reerencia 20 JC32:#)15 4) las entalpias de las mesclas se calculan segn la siguiente ormula.

,AB=x1 T r$f

T

CpA dT+(1x1)Tr$f

T

CpB dT

Entalpia del destiladoPara el c-lculo de las entalpias se toma como temperatura de reerencia2:#)15 ) la entalpia del destilado se calcula segn la siguiente rmula"

hD=xD) MATr$f

T

CpMA dT+ (1xD ) MA )T r$f

T

CpA dT

TD=750 C=348,15K xD) MA=0,95

hD=0.954139,25 !

mol+0.058047,59

!

mol

hD=4334,67 !mol

Entalpia de la alimentacinOa' que tener en cuenta que las entalpias de la alimentacin ' los ondos) secalculan teniendo en cuenta solo el acetato de metilo ' el agua.

hF=xF) MATr$f

T

CpMA dT+ (1xF ) MA )T r$f

T

CpA dT

TF=80

0 C=353,15

K xF )MA=0,5

hF=0,54515,07 !mol

+0,58816,15 !mol

hF=6665,61 !mol

Entalpia de los ondos


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h1=xF) AT r$f

T

CpMAdT

TW=900 C=363,15K xF ) A=1

h1=15267,63 !mol

h1=5267,63 !mol

%eido que para los alances de energa no se tu/ieron en cuenta el acidoactico ni el metanol) se usan los


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usar dos torres de destilacin) pues el sistema presenta dos azeotropos) quedi(cultaan la otencin del acetato de metilo a la pureza deseada.

#igura $. %iagrama de ujo.

En la (gura 6) se encuentran las condiciones de alimentacin) en donde comose dice m-s arria se alimenta acido actico en e7ceso) ' adem-s se suponeque el


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#igura ). Condiciones del reactor.

El


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#igura +. Condiciones destilacin ,.

#igura (-. !tapas de alimentacin destilacin ,.

esultados

as condiciones de los


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racc /ap 0 0 0 0 1 0 0 0 0


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3nlisis /ermodinmico.

sando el programa Aspen plus se calcularon las entalpias de ormacin 'energas lires de Ris) tanto para los reacti/os como para los productos de la

reaccin de esteri(cacin) para calcular as las entalpias ' energas lires deRis de reaccin a 1 atm de presin) las gra(cas otenidas se pueden /er acontinuacin"

20 25 #0 #5 @0 @5 50 55

#@$00

#@600

#@@00

#@200

#@000

##$00

##600

##@00

##200

##000

#2$00

!ntalpia de reaccin contra temperatura.


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20 25 #0 #5 @0 @5 50 55

1#550

1#500

1#@50

1#@00

1##50

1##00

1#250

1#200

1#150

!nerga libre de Gibbs contra temperatura.

En la gra(ca de la entalpia de reaccin) se puede /er que esta reaccin ese7otrmica) pues los /alores de la entalpia de reaccin son negati/os) por lotanto) deido que al lle/arse a cao esta reaccin se genera energa) esta sea/orecer- mas al darse a a+as temperaturas. Oa' que tener en cuenta que laconstante cintica) es decir la /elocidad de reaccin) aumenta al aumentar latemperatura) por esta razn no es mu' /iale tampoco utilizar condiciones detemperatura mu' a+as para esta reaccin.

a energa lire de Ris de esta reaccin como se /e en la (gura) tienen/alores mu' negati/os) por consiguiente la actiilidad de que se de estareaccin es mu' alta. Esta energa lire de Ris en este caso aumenta con latemperatura) por tal razn es recomendale no realizarla a temperaturas mu'altas.

3nlisis de !4uilibrios de 5ases.

Por medio del programa aspen plus se calcularon los equilirios inarios) paralas mezclas acetato de metilo K agua ' acetato de metilo K metanol) adem-s

del equilirio terciario para la mezcla Agua K =etanol Acetato de metilo) a unapresin de 1 ar.

En los equilirios inarios como ternarios) se puede /er que en este sistema seorman dos azeotropos) acetato agua ' acetato K metanol) el primeroapro7imadamente a una composicin molar de acetato de 0)66: mientras queel segundo a una composicin de 0):5:) por lo tanto el metil acetato a estascondiciones no se podr- separa mas a partir de estos puntos. Amos


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azeotropos son adem-s de mnima temperatura de eullicin) siendo el demenor el azeotropo metanol K acetato de metilo) por lo que a estas condicionesse puede esperar una alta presencia de este azeotropo en el


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!4uilibrio ternario de la me6cla agua9metanol9acetato de metilo.

Conclusiones

!e logro otener un


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mismas mezcla) en otro proceso) en donde utilizan mas etapas 3#4) no seutilizaron mas etapas pues no se noto un gran camio en la composicinde salida de los

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