UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO HYSYS PARA LA PRODUCCIÓN DE PROPIL-GLICOL EN UN REACTOR

CSTR

CÁTEDRA : ANALISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS

CATEDRÁTICO : Ing. GUEVARA YANQUI PASCUAL VICTOR

ALUMNOS :

GAGO ALBERTO SINDY MILAGROS

ROMAN CHAMBERGO RIVER

SEMESTRE : IX

Fecha de Presentación: 13/06/2012

HUANCAYO –PERÚ

2012-I

OBJETIVOS GENERAL:

Simular en estado estacionario con Hysys aplicando al caso de una planta de

propilen glicol.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Realizar el balance de materia y energía para la obtención del Propilen glicol a

partir del óxido de propileno y el agua.

Simular el proceso de producción del Propilenglicol en estado estacionario con

HYSYS.

Comparar los resultados obtenidos de los objetivos anteriores.

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO CON HYSYS APLICANDO AL

CASO DE UNA PLANTA DE PROPILEN GLICOL

1. Descripción del Problema

Propilenglicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua

(H2O). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la

Tabla 1.

Tabla 1: Condiciones de alimentación

Nombre Óxido de

Propileno

Agua

Temperatura (ºF) 75 75

Presión 1,1 atm 16,16 psi

Flujo molar 150 lbmol/h

Óxido de propileno Fracción molar: 1,0 Flujo másico: 0,0 lb/h

Agua Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 11000,0 lb/h

Propilen glicol Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 0,0 lb/h

Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente

resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura

constante y presión atmosférica. La reacción, que se describe en Tabla 2, ocurre en fase

líquida. El reactor tiene un volumen de 280 ft3, se supones caída de presión nula y

mantiene un nivel de líquido de 85 %.

Tabla 2: Reacciones químicas y datos cinéticos

C3H6O( l )+H2O( l )→C3 H8O2(l )

r=1,7 x1013 e(−32 000

RT )CC3 H 6O

Nota: Las velocidades de reacción están dados en lbmol/ft3.h.

Las energías de activación están dados en Btu/lbmol .

Estado estacionario:

A. Resuelva el balance de materia y energía asociado al proceso del proceso y

presente los resultados (condición y composición de todas las corrientes) en

forma de tabla.

2. DIAGRAMA DE FLUJO

Figura 1: Diagrama de flujo del Problema

Figura 2: Diagrama de flujo del Problema con flujo de energia

Donde:

Las corrientes de flujo de materia

A: Alimentación del Óxido de Propileno.

B: Alimentación de Agua.

F: Mezcla de alimentación al reactor.

P: Productos finales a la salida del reactor.

Venteo: Corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la

reacción.

Las corrientes de flujo de energía (color rojo):

Qr: Carga térmica del reactor.

MEZCLADOR

A

B

F

3. Balances de materia y energía

3.1 Mezclador

Figura 2: Mezclador

A. Balance de materia

Entrada−Salida+Generación=Acumulación …[1]

Consideraciones:

Estado estacionario (Acumulación = 0).

No existe reacción química (Generación =0)

Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.

Entrada=Salida

A+B=F …[2]

Se utilizará las unidades inglesas como base, y las corrientes están en

lbmol/h.

Cálculo de la corriente A:

De la tabla 1:

A = 150 lbmol/h

Cálculo de lacorriente B:

De la tabla 1:

B=11 000lbh ( 1 lbmol

18 .0152 lb )=610 .5954 lbmol /h

Cálculo de la corriente F:

Reemplazando los valores anteriores en [2]:

F=150+610 .5954=760.5954 lbmol /h

Tabla 3: Resumen del balance de materia en el mezclador

Especie i A ,

lbmol/h

B , lbmol/h F ,

lbmol/h

xi, fracción molar en F

Oxido de Propileno 150 0 150 0,197

Agua 0 610.5954 610.5954 0,803

B. Balance de energía

Qo

−Wo

=ΔEcinética+ΔEpotencial+ΔU+ ΔPρ

+F…[3]

Consideraciones

Estado estacionario (Acumulación = 0).

No existe considerable generación de energía y trabajo de eje (Wo

=0 ).

Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.

Las pérdidas de energía por las tuberías y accesorios son despreciables (

F≈0 ).

Las variaciones de energía cinética y potencial, de trabajo de flujo son

despreciables (ΔEcinética≈0 , ΔE potencial≈0).

El calor de mezclado es despreciable por la rapidez que ocurre en el proceso (

Qo

=0 ).

Finalmente:

ΔU=0

El proceso es isotérmico.

Tabla 4: Condiciones físicas de la mezcla a la salida del mezclador

Parámetros Corriente A Corriente B Corriente F

Temperatura, ºF 75 75 75

Presión, psia 16,17 16,16 16,16

Flujo molar, lbmol/h 150 610.5954 760.5954

Fracción molar de 0 0 0

vapor

3.2 Reactor CSTR

Figura 3: Reactor CSTR

Donde:

V: Corriente de Venteo

P: Corriente Producto

A. Balance de materia

Entrada−Salida+Generación=Acumulación …[4]

Consideraciones:

Estado estacionario (Acumulación = 0).

La reacción ocurre en la fase líquida, por lo tanto no existe aumento de

volumen.

La composición de la salida del reactor es la misma que se origina dentro del

equipo por la agitación constante y completa.

La presión de operación es la atmosférica (14,7 psia) y a una temperatura

constante de 140 ºF (isotérmico).

El reactivo limitante es el óxido de propileno por encontrarse en menor

proporción que la cantidad estequiométrica.

Entrada−Salida+Generación=0

F A0−F A+rAV=0

F A0−F A0 (1−X A )+rAV=0

FV

REACTOR CSTR

P

X A=(−rA )VF A0 …[5]

Cálculo de la velocidad de reacción:

De la ley de velocidad:

−rA=kC A …[6]

Donde:

k=1,7 x1013 e(−32 000

RT )h−1

C A=CÓxido de propileno=F A0 (1−X A )ν 0

ν0 : Caudal de a limentación , ft 3 /h

Cálculo del volumen de la mezcla reaccionante:

Viene a ser el 85% del volumen del reactor:

V=0 ,85V reactor=0 ,85 ( 280 ft 3)=238 ft3

Reemplazando estos valores en [5]:

X A=(k FA 0 (1−X A )

ν0) V

F A0

X A=k (1−X A ) Vν0

Despejando la conversión:

X A=kV

ν0+kV …[7]

Cálculo del caudal volumétrico de alimentación:

ν0=νagua+νóxido de propileno

Datos tomados del DATABANK

ρH 2O=0.998g

cm3 ( 1lb453.6g )( 28320cm3

1 pie3 )=62.3089lbpie3

ρC3 H 6O=0.790g

cm3 ( 1lb453.6g )( 28320cm3

1 pie3 )=49.3227lbpie3

Caudal volumétrico inicial de agua:

νagua=610 .5954lbmolh (18 .0152 lb

1lbmol )( 1 ft3

62 .3089 lb )=176 .5397ft3

h

Caudal volumétrico inicial del óxido de propileno:

νóxido de propileno=150lbmolh (58 .080 lb

1lbmol )( 1 ft 3

49.3227 lb )=176 .6326ft3

h

Finalmente:

ν0=176 . 5397+176 .6326=353. 1723ft 3

h

Reemplazandoen (7) todos los valores calculados a una temperatura de 140ºF

(600 R):

Donde:

R=1.9859Btu

lbmol° R

X A=238(1,7 x 1013 e

(−32 0001 .9859 x600 ))

353 .1723+238(1,7 x1013e(−32 000

1.9859 x 600))X A=0 ,9613

Cálculo de los flujos molares de los productos de reacción:

Fóxido de propileno=F A 0−F A0 X A=150−150 (0 ,9613 )=5 . 805lbmolh

Fagua=FB0−F A 0 X A=610 .5954−150 (0 ,9613 )=466 . 4004lbmolh

F propelinglicol=FC 0+F A0 X A=0+150 (0 ,9613 )=144 .195lbmolh

P=5 .805+466 . 4004+144 . 195=616 . 4004lbmolh

Tabla 5: Resumen del balance de materia en el reactor

Especie i F , lbmol/h

xi,fracción molar en

F

P , lbmol/h

xi,fracción molar en P

Oxido de Propileno

150 0,197 5.805 0,01

Agua 610.5954 0,803 466.4004 0,76Propilen glicol 0 0 144.195 0,23

B. Balance de energía

Qo

−Wo

=∑i=1

n

∫T i0

TFi 0CpidT +ΔH Rx (T ) F A0 X A

…[8]

Consideraciones

Estado estacionario (Acumulación = 0).

No existe trabajo de eje (Wo

=0 ).

Los calores específicos son constantes en el intervalo de integración.

El calor de reacción debe evaluarse a la temperatura de operación del reactor,

la temperatura de referencia para las entalpías de formación es de 68 ºF.

Qo

=∑i=1

n

F i 0Cpi (T−T i 0)+ΔH Rx (T ) F A0X A…[9]

Cálculo de las capacidades específicas:

Del texto: Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, H. ScoutFogler,

tercera edición – página 446:

Cpagua=18BTUlbmol .ºF

Cpóxido de propileno=35BTUlbmol . ºF

Cppropilenglicol=46BTUlbmol . ºF

Cálculo del calor de reacción a la temperatura de operación:

ΔH Rx (140 ºF )=ΔHRxo (68 ºF )+ΔCp (140−68 ) …[10]

Cálculo del calor de reacción la temperatura de referencia (68ºF): Las entalpías de

formación se obtuvieron del texto Elementos de Ingeniería de las reacciones

químicas, H. ScoutFogler, tercera edición – página 447:

ΔH agua , fo =−123 000

BTUlbmol

ΔH óxido de propileno , fo =−66 600

BTUlbmol

ΔH propilenglicol , fo =−226 000

BTUlbmol

ΔH Rxo (68 ºF )=−226 000−(−123 000 )−(−66 600 )=−36 400

BTUlbmol

ΔCp=46−18−35=−7BTUlbmol

Reemplazando en (10):

ΔH Rx (140 ºF )=−36 400+ (−7 ) (140−68 )=−36 904BTUlbmol

Cálculo de la carga térmica del reactor

Reemplazando todos los valores calculados en (9):

Qo

= [150 (35 )+611 ,1 (18 ) ] (140−75 )+ (−36 904 ) (150 ) (0 ,959 )

Q = -7.48 * 107BTU/h

4. Resumen de los resultados obtenidos en los balances

Tabla 3: Resumen del balance de materia en el mezclador

Especie i A

lbmol/h

B

lbmol/h

F

lbmol/h

xi

fracción molar en F

Oxido de Propileno 150 0 150 0,197

Agua 0 610.5954 610.5924 0,803

Tabla 5: Resumen del balance de materia en el reactor

Especie i F

lbmol/h

xi

fracción molar en

F

P

lbmol/h

xi

fracción molar en

P

Oxido de Propileno 150 0,197 5.805 0,01

Agua 610.5954 0,803 466.4004 0,76

Propilen glicol 0 0 144.195 0,23

Tabla 6: Condiciones físicas y composiciones de las corrientes

Parámetros Corriente

A

Corriente B Corriente

F

Corriente P

Temperatura, ºF 75 75 75 140

MEZCLADORREACTOR CSTR

A

FP

V

B

Presión, psia 16.17 16,16 16,16 16,16

Flujo molar, lbmol/h 150 610.5954 760.5954 616.4004

Fracción molar de vapor 0 0 0 0

DIAGRAMA DE BLOQUES PARA PRODUCIR PROPILENGLICOL:

A: Alimentación del Óxido de Propileno.

B: Alimentación de Agua.

F: Mezcla de alimentación al reactor.

V: Venteo, corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la

reacción.

P: Productos finales a la salida del reactor.

COMPOSICIONES DE LAS CORRIENTES

Especie i Corriente

A ,lbmol/h

Corriente

B ,lbmol/h

Corriente F, ,

lbmol/h

Producto P,

lbmol/h

Oxido de Propileno 150 0 150 5.805

Agua 0 610.5954 610.5954 466.4004

Propilen glicol 0 0 0 144.195

Total 150 610.5954 760.5954 616.4004

BIBLIOGRAFIA

CONSTRUCCION DEL PROGRAMA DE LA PRODUCCION DE PROPILEN GLICOL EN HYSYS

http://avibert.blogspot.com/2011/12/propilenglicol-simulacion-en-hysys.html

MANUAL DE HYSYS:

http://www.scribd.com/mmonjard/d/61992545/3-Unidad-de-produccion-de-propilenglicol

INFORMACION DE LA PRODUCCION DE PROPILEN GLICOL

VER PAG 447

http://books.google.com.pe/books?id=tEZ1yPBnxBkC

&

pg=PA444

&

lpg=PA444

&

dq=produccion+de+propilenglicol&source=bl&ots=m92tHR9sEz&sig=YyWM3zL0rouqwERBzPGej8-qmBc&hl=es-419&sa=X&ei=wgxZT4vmKcSRgQf835miCw&ved=0CDEQ6AEwAw#v=onepage&q=produccion%20de%20propilenglicol&f=false

VER PAG 100-199

http://www.scribd.com/doc/52351807/11/Simulacion-en-diseno-y-operacion-de-procesos-Aplicaciones