+ + O2 - Diquima

Tecnología Química Industrial
PROBLEMAS PROPUESTOS
6. ETILENO, PROPILENO Y DERIVADOS
6.2. En una fábrica de óxido de etileno por oxidación del etileno con aire, la corriente
entrante al reactor primario tiene la siguiente composición: etileno, 5,0 %; O2, 6,0 %; N2,
81,2 %; EO, 0,05 %; CO2, 7,55 %; vapor de agua, 0,2 % (v). La conversión del etileno en
este reactor es del 30 %, con una selectividad para la oxidación a óxido de etileno del 70
%. El otro 30 % da lugar a CO2, por combustión total.
Se pide: a) Calcular la composición de los gases a la salida del reactor y la cantidad de
calor que hay que eliminar por kmol de etileno en la alimentación. Despreciar la
formación de acetaldehído. b) Calcular la longitud de los tubos del reactor (diámetro = 32
mm), sabiendo que la velocidad aparente del gas en las condiciones de entrada es 10,55 m/s
y que la velocidad espacial es 5000 h-1. c) Calcular el flujo medio de calor por unidad de
superficie (suponer que el gas se comporta como gas perfecto).
Datos:
•
•
•
•
•
Capacidad calorífica media entre 18-260 ºC [kcal/kmol ºC]:
C2H4: 19,00
O 2:
7,25
7,00
EO: 21,00
N2:
9,40
H2O:
8,25
CO2:
Temperatura de entrada al reactor:
250 ºC
Temperatura de salida:
270 ºC
Presión de entrada:
20 atm
Calores de reacción [kcal/kmol]:
H2C
H2C
O
CH2
CH2
+
+
O
1/2 O 2
∆H = -25.000
3 O2
+ 5/2 O2
2 CO2
2 CO2
+
+
2 H2O
∆H = -317.000
2 H2O
∆H = -292.000
a) Calcular la composición de los gases a la salida del reactor y la cantidad de calor que
hay que eliminar por kmol de etileno en la alimentación. Despreciar la formación de
acetaldehído.
Para conocer la composición de los gases a la salida del reactor, se realiza un balance de materia
al reactor. Tomando 100 kmol de alimentación como base de cálculo, la cantidad de etileno
alimentado será de 5 kmol.
Parte de esa cantidad de etileno (conversión 30%) reacciona, para dar óxido de etileno
(selectividad del 70%):
H2C
CH2
+
1/2 O 2
O
C2H4(reacción 1) = 0,30·0,70·5,0 = 1,05 [kmol]
El resto de etileno consumido (30%) sufre combustión a CO2:
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H2C
CH2
+
3 O2
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2 CO2
+
2 H2O
C2H4(reacción 2) = 0,30·0,30·5,0 = 0,45 [kmol]
El balance de materia queda:
Entrada
5,00
6,00
81,20
0,05
7,55
0,20
100
C2H4
O2
N2
EO
CO2
H2O
TOTAL
Reacción 1
-1,05
-0,525
+1,05
-
Reacción 2
-0,45
-1,35
+0,90
+0,90
Salida
3,50
4,125
81,20
1,10
8,45
1,10
99,48
%v
3,52
4,15
81,63
1,11
8,50
1,11
Para determinar la cantidad de calor a eliminar, se realiza un balance de entalpía:
Q = HS – HE + HR
A partir de las composiciones y de las capacidades caloríficas, se determina la entalpía de las
corrientes de entrada (250ºC) y de salida (270ºC):
HE = 175.628 [kcal]
HS = 190.221 [kcal]
En cuanto a la entalpía de reacción, en la reacción 1 se consumen 1,05 kmol de etileno, y en la
reacción 2 se consumen 0,45 kmol:
H2C
H2C
CH2
CH2
+
+
1/2 O 2
O
∆H = -25.000
3 O2
2 CO2
+
2 H2O
∆H = -317.000
HR = -168.900 [kcal]
Del balance de entalpía, resulta Q = -154.307 kcal, para 5 kmol de etileno de alimentación. Por
lo tanto, el calor que hay que disipar por cada kmol de etileno de alimentación será:
Q = -30.861 [kcal/mol]
b) Calcular la longitud de los tubos del reactor (diámetro = 32 mm), sabiendo que la
velocidad aparente del gas en las condiciones de entrada es 10,55 m/s y que la velocidad
espacial es 5000 h-1.
La velocidad aparente y la velocidad espacial se definen como:
vaparente =
caudal
A
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vespacial =
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caudal
V
A partir de la velocidad aparente puede determinarse el caudal, sabiendo que el diámetro de
cada tubo es de 32 mm:
caudal
= 10, 55 [m/s]
A
vaparente =
A = π·(d/2)2 = 8,042·10-4 [m2]
caudal = 30,55 [m3/h]
A partir del caudal, y de la velocidad espacial, puede deducirse el volumen y por tanto la
longitud de cada tubo:
vespacial =
caudal
= 5.000 [h -1 ]
V
V = 6,11·10-3 [m3]
L = 7,596 [m]
c) Calcular el flujo medio de calor por unidad de superficie (suponer que el gas se
comporta como gas perfecto).
El flujo medio de calor se calcula como:
flujo =
Q ⋅ caudalmolar
Atubos
A partir del calor a eliminar por kmol de etileno en alimentación (-30.861 kcal/kmol) calculado
en el apartado a), se calcula el calor por cada kmol de alimentación (5% de etileno):
Q = 1.543 [kcal/kmol]
El caudal molar se calcula como:
caudalmolar =
caudal
Vespecifico
Donde el caudal de alimentación se ha calculado en el apartado b) (30,55 kmol/h). El volumen
específico de la alimentación se calcula suponiendo un comportamiento ideal (250 ºC, 20 atm):
Vespecifico =
R ⋅ TE
= 2,145 [m 3 /kmol]
P
La superficie de los tubos es:
Atubos = π·d·L = 0,7636 [m2]
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Con lo que el flujo medio de calor resulta:
flujo = 28.776 [kcal/h·m2]
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