esiqie diseño de proceso tarea

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  • Tarea 2. Febrero 2001

    1 La produccin de la anilina a partir de benceno sigue las reacciones

    a) Benceno + Acido ntrico Nitrobenceno + Agua (C6H6) + (HNO3) (C6H5.NO2) + H2O

    b) Nitrobenceno + Hidrgeno Anilina + Agua (C6H5.NO2) + H2 (C6H5.NH2) + H2O

    En la reaccin (a) se usa una mezcla de cido sulfrico y cido ntrico para dar un rendimiento molar de 95

    a 98%. Del efluente del reactor se separa el cido para su reuso en otra parte del proceso y el nitrobenceno

    crudo es hidrogenado en un segundo reactor de lecho cataltico fluidizado con un rendimiento molar de

    98%. El efluente del segundo reactor se condensa para dar dos fases: una fase orgnica que contiene

    principalmente anilina y la fase acuosa contiene agua y algo de anilina disuelta. La fase orgnica se enva a

    una seccin en la que por destilacin se separa la anilina del agua y trazas de componentes que se forman.

    La anilina de la fase acuosa se recupera junto con el nitrobenceno y este ltimo es reciclado al segundo

    reactor.

    Elabore el diagrama del proceso.

    2. En una planta petroqumica se proponen cuatro alternativas de tratamiento y reuso de materias primas recuperadas de varios procesos. Los criterios de evaluacin son:

    C1: Costo de la inversin,

    C2: Las condiciones de operacin,

    C3: Riesgo y peligrosidad,

    C4: Eficiencia,

    C5: Indice de contaminacin y

    C6: Uso de equipos especiales costosos.

    Las calificaciones de las alternativas con los pesos de los criterios se dan a continuacin.

    Alternativa C1 C2 C3 C4 C5 C6

    A1 9 6 4 8 7 8

    A2 6 4 5 4 4 4

    A3 8 9 6 5 8 9

    A4 7 7 8 7 6 6

    Pesos 3 3 2 1 2 1

    Use el mtodo Electra para jerarquizar las alternativas y elegir la ms apropiada.

  • Solucin

    1.

    2.

    Alternativas

    Criterios Pesos A1 A2 A3 A4

    C1: Costo de la inversin 3 9 6 8 7

    C2: Las condiciones de operacin 3 6 4 9 7

    C3: Riesgo y peligrosidad 2 4 5 6 8

    C4: Eficiencia 1 8 4 5 7

    C5: Indice de contaminacin 2 7 4 8 6

    C6: Uso de equipos especiales 1 8 4 9 6

    Mtodo electra

    C1 C2 C3 C4 C5 C6

    A1 9 6 4 8 7 8

    A2 6 4 5 4 4 4

    A3 8 9 6 5 8 9

    A4 7 7 8 7 6 6

    W 3 3 2 1 2 1

    Matriz de concordancia

  • A1 A2 A3 A4

    A1 - 10 4 7

    A2 2 - 0 0 p = 7

    A3 8 12 - 9

    A4 5 12 3 -

    Matriz de discordancias

    A 1 A2 A3 A4

    A1 - 1 3 4

    A2 4 - 5 3 q = 3

    A3 3 0 - 2

    A4 2 0 3 -

    Dominancia hacia (comparacin por filas)

    Alternativas que dominan dominancia posible dominancia real

    A1 A2, A4 A2

    A2 -- --

    A3 A1, A2, A4 A1, A2, A4

    A4 A2 A2

    Dominancia desde (comparacin por columnas)

    alternativas que dominan dominancia posible dominancia real

    A1 A3 A3

    A2 A1, A3, A4 A1, A3, A4

    A3 -- --

    A4 A1, A3 A3

    TABLA DE DOMINANCIAS

    DOMINA A ... ALTERNATIVA ES DOMINADA POR ...

    A2, A4 A1 A3

    -- A2 A1, A3, A4

    A1, A2, A4 A3 --

    A2 A4 A1, A3

    SECUENCIA JERARQUICA

    A3 A1, A4 A1, A4 A2

    La alternativa A3 es la mejor opcin

    C12 = 3(9>6) + 3(6>4) +

    0(44) + 2(7>4)

    + 1(8>4) = 10

    8 9 6 5 8 9

    -7 -7 -8 -7 -6 -6

    D43: 1 2 -2 -2 2 3

    A4 domina a A2

    CA4/A2 =12 > p =7

    A1 es dominada por A3

    DA1/A3 = 3 q = 3

  • Ingeniera de Procesos I

    Tarea 3. Febrero, 2001.

    SOLUCION

    1. Al balancear las reacciones resulta:

    OHOHCOHC 2243223

    63 Reaccin 1.

    OHCOOHCOHC 22242225

    63 Reaccin 2.

    OHCOOHC 22229

    63 33 Reaccin 3.

    Flujo del propileno:

    hHCkmolHCkmolacrackmol

    hacrackmoln HC /6311.111

    )63/..8.0)(90.0(

    /.80063

    Flujo del oxgeno:

    A la entrada del reactor como se requieren 2 moles de oxgeno por cada una de propileno

    entonces nO2,0 = 2*111.11 = 222.22 kmol/h.

    Ala salida se tiene:

    ])[( 2/6329

    ../6325

    ./&323

    63

    0

    63

    0

    22 COHCacetacHCacrachCHCHCOO SSSxnnn

    hkmolnO /723.22)]15.0()05(.)8.0()[9.0(11.11122.222 29

    25

    23

    2

    Flujo de agua: a la entrada se tiene 3*111.11 = 333.33 kmol/h

    A la salida se tiene:

    ])1(3)[( ../63./&3../63./&3630

    63

    0

    22 acetacHCacrachCacetacHCacrachCHCHCOHOH SSSSxnnn

    hkmoln OH /333.463]05.08.0)05.08.1(3)[9.0(11.11133.3330

    2

    Flujo del dixido de carbono:

    ]3)[( 2/63../63630

    63

    0

    22 COHCacetacHCHCHCCOCO SSxnnn

    hkmolnCO /999.49)]15.0(3)05)[(.9.0(11.11102

  • Flujo del cido actico:

    ])[(0 ../63630

    63.. acetacHCHCHCacetac Sxnn

    hkmoln acetAc /999.4)]05)[(.9.0(11.1110..

    Flujo del nitrgeno: hkmolnN /88.8882.0

    8.022.2220 2

    La siguiente tabla resume los flujos de los materiales en moles y masa.

    Compuesto Frmula P.M. Entrada,

    kmol/h

    Salida,

    kmol/h

    Entrada,

    kg/h

    Salida,

    kg/h

    Propileno C3H6 42.02 111.11 11.11 4,668.84 466.88

    Nitrgeno N2 28.01 888.88 888.88 24,897.53 24,897.53

    Oxgeno O2 32 222.22 22.723 7,111.04 727.136

    Bixido de carbono CO2 44 0.0 49.999 0.0 2,199.99

    Agua H2O 18.02 333.33 463.333 6,006.607 8,349.26

    Acido actico C2H4O2 60.05 0.0 4.99 0.0 294.245

    Acido acrlico C3H4O2 72.06 0.0 80.0 0.0 5,764.8

    42,684.017 42,699.84

    La diferencia en los flujos de kg/h entre la entrada y salida se debe al redondeo de cifras en los

    clculos.

    b)

    Estructura de entrada y salida:

    Agua Gas combustible

    Aire Agua

    A Acido actico

    Propileno Acido acrlico

    Estructura de Reciclo:

    El propileno , el aire y el CO2 forman un gas del cual es muy difcil separar el propileno

    por lo que se recomienda no reciclar. Este gas se usa como combustible.

    Sistema de separacin:

    PROCESO

  • Reactor

    Separador

    de fases

    Separador

    de lquidos

    Recuperacin

    de lquidos Aire

    Acido acrlico

    Propileno

    Acido actico

    Agua

    Incondensables

    Gases

  • Solucin al problema 5.4-3 del libro de Douglas.

    Datos:

    Componente Teb, F P.M. Costo, $/mol

    CO - 312.6 Como combustible

    CH4 - 258.6 Como combustible

    C2H4 - 154.8 Como combustible

    Queteno - 42.1 ----

    Acetona 133.2 15.66

    Acido actico 244.3 15.00

    Abhidrido actico 281.9 44.41

    El costo del gas combustible es $4/106 Btu.

    Potencial econmico =P.E.

    P.E. = Abhidrido producido*costo Acetona requerida*costo cido actico requerido*costo + Combustible producido*costo

    A partir de la selectividad S y la conversin, x. Se tiene:

    Acetona requerida = anhidrido producido/S

    Acido actico requerido = anhidrido producido

    Metano producido = anhidrido producido/S

    Monxido producido = anhidrido producido(1-S)/S

    Etileno producido = anhidrido producido(1-S)/S/2

    Los clculos se efectan con Excel para valores de conversin desde 0.1 hasta 0.8, ver la

    siguiente pgina.

    Estructura de entrada y salida

    Acetona: Reciclar

    Acetona Acido actico: Reciclar Queteno: Convertir 100% Anhidrido actico: extraer

    Acido actico Etileno : Gas combustible Metano: Gas combustible

    CO: Gas combustible

    Estructura de reciclo.

    El queteno reacciona rpidamente, no separar entre los reactores.

    Proceso

  • R

    1

    R

    2

    Acido actico

    reciclo de cido actico

    SEP

    CO, CH4, C2H4

    Anhidrido

    actico

    Reactor

    1

    Reactor 2

    Flash

    Recuperacin

    De vapores

    Separacin

    De lquidos

    Anhidrido

    Actico

    CO, CH4, C2H4

    Alimentacin

    De cido actico

    Alimentacin de

    Acetona

    Acetona

    Reactor 1

    Reciclo de cido actico

    Reciclo de cido actico

  • React

    1

    React

    2

    Flas

    h

    Aceton

    e

    HA

    c

    Acetone

    Recycle

    Anhydrid

    e

    Product

    S

    T

    I

    L

    L

    S

    T

    I

    L

    L

    A B

    S

    O

    R

    B

    Inert

    s

    HAc

    Recycle

    HAc

    Fee

    d

  • 1

    INGENIERIA DE PROCESOS I

    Tarea 4. Febrero, 2001

    1. El siguiente diagrama muestra los principales equipos del proceso para producir buteno, C4H8 y butadieno, C4H6, a partir de butano, C4H10, de acuerdo a las reacciones:

    C4H10 C4H8 + H2 C4H10 C4H6 + 2H2

    El 40% del butano que se alimenta al reactor R-1, se convierte a productos. La selectividad del

    butano a buteno es de 80 %. La eficiencia de separacin en los tres separadores es de acuerdo a la

    siguiente tabla.

    Componente Corriente 3 a 5 Corriente 4 a 7 Corriente 7 a 8

    H2 1.0 1.0 1.0

    C4H6 0.01 0.99 0.99

    C4H8 0.005 0.98 0.02

    C4H10 0.001 0.02 0.01

    a) Cuanto buteno y butadieno se produce por mol de butano que se alimenta al proceso? b) Cul es la pureza de las corrientes de productos?

    C4H10

    M-1

    R-1

    S-1

    S-2

    S-3

    1 2

    3

    6

    5

    4

    7

    8

    9

    H2

    C4H6

    C4H8

  • 2

    2. El anhidrido maleico, C4H2O3, se puede fabricar por dos rutas diferentes de reaccin. Por oxidacin del butano o por oxidacin del benceno. La qumica de la ruta de butano es:

    C4H10 + 3 O2 C4H2 O3 + 4 H2O

    C4H10 + 6 O2 4 C O2 + 5 H2O

    C4H10 + 4 O2 4 CO + 5 H2O

    T = 500 C, P = 1 atm, catalizador: V2O5 P2O5 sobre slica almina

    La conversin del butano es de 80 % y la selectividad a anhidrido maleico, (AM), es de 70%.

    La qumica de la ruta de oxidacin del benceno es:

    C6H6 + 4 O2 C4H2 O3 + 2 CO2 + 2 H2O

    C6H6 + 4 O2 6 C O + 3 H2O

    C6H6 + 7 O2 6 CO2 + 3 H2O

    T = 38 C, P = 1 atm, catalizador: V2O5 MoO3 sobre slica almina

    La conversin del benceno es de 99 % y la selectividad del AM es de 73%.

    Para ambos procesos la fraccin de recuperacin del AM como producto en el sistema de

    separacin es de 96%. El oxgeno se toma del aire con 21 % de oxgeno.

    a) Explique si alguna de las dos rutas de reaccin requiere puga de vapores y reciclo b) Para cada ruta de reacciones calcule los flujos de las materias primas requeridas para producir

    100*106 lb/ao de AM. Suponga que la planta opera 8,000 h/ao. Suponga tambin que las

    selectividades de CO y CO2 son iguales (por ejemplo, 15 % en la ruta del butano).

    c) Calcule el potencial econmico de acuerdo a los siguientes precios de los materiales.

    Componente Precio, $/lb

    AM 0.60

    n-C4 0.10

    Benceno 0.21

    d) Todas las reacciones de ambas rutas de reaciones son altamente exotrmicas. Que tipo de reactor recomienda. Justifique su respuesta.

    e) El AM se recupera del efluente del reactor con un absorbedor que usa agua. Inevitablemente se producen pequeas cantidades de cido fumrico y de otros compuestos. Dibuje el

    diagrama de la estructura de reciclo para las dos rutas de reaccin.

  • 3

    Datos.

    Compuesto P.M. Teb, C

    Butano 58 -0.6

    Benceno 78 80.1

    AM 98 202.0

    Acido fumrico 116 290.0

    CO 18 -192

    CO2 44 -78.5

    H2O 18 100.0

    O2 32 -183.0

    N2 28 -196.0

  • 4

    Tarea 4. Febrero, 2001

    SOLUCION

    Definicin de nomenclatura.

    Mi,j = Flujo del componente i en la corriente j.

    Di = Desaparicin o formacin del componente i en el reactor.

    Fk,i = fraccin del componente i que se recupera en el domo del separador k.

    X = conversin del butano

    Balances de materiales alrededor de cada equipo:

    M-1: Mi,2 = Mi,1 + Mi,6

    R-1: Mi,3 = Mi,2 + Di

    S-1: Mi,5 = f1,i * Mi,3 ; Mi,4 = (1-f1,i )* Mi,3

    S-2: Mi,7 = f2,i * Mi,4 ; Mi,6 = (1-f2,i )* Mi,4

    S-3: Mi,8 = f3,i * Mi,7 ; Mi,9 = (1-f3,i )* Mi,7

    El butano es el componente clave puesto que la conversin y la selectividad se especifican con

    respecto a l. (para el butano i=4, de acuerdo a la lista en la tabla de componentes).

    Empezar con el flujo del butano a la entrada del reactor (corriente 2), Balance de moles en M-1.

    Se sustituyen los valores de flujos de Mi,6, Mi,4 y Mi,3 para obtener:

    Mi,2 = Mi,1 + Mi,6

    = Mi,1 + (1-f2,i )* Mi,4 = Mi,1 + (1-f2,i )* (1-f1,i )* Mi,3

    = Mi,1 + (1-f2,i )* (1-f1,i )* (Mi,2 + Di)

    Para el butano D4 = -X *M4,2

    Al resolver para M4,2 se obtiene: M4,2 = M4,1 / [1- (1-f2,4 )* (1-f1,4 )* (1-X)]

    Se busca la distribucin de componentes para 1 mol de butano procesado, es decir M4,1 = 1.

    Entonces al sustituir los datos se obtiene:

    M4,2 = 1.0/[1 (1-0.001)(1-0.02)(1-0.4)] = 1/[1-0.5874] = 2.424 mol/h.

    Los flujos de los productos generados por este flujo del reactante se obtienen con:

    reacciones

    n

    lini xnS 0/, donde Si/l = Selectividad de l con respecto a i.

    Por cada 2.424 moles de butano que entran al reactor se producen:

    D3 = (0.4)(0.8)(2.424) = 0.7756 mol/h de buteno,

    D2 = (0.4)(0.2)(2.424) = 0.1939 mol/h de butadieno y

  • 5

    D1 = 0.7756 + 2(0.1939) 1.1634 mol/h de hidrgeno.

    A partir de los valores de Di de los componentes no clave se calculan los flujos en todas las

    corrientes, empezando por el flujo en la corriente 2. Se procede como en el caso del butano a

    sustituir los trminos de los flujos a la salida de cada equipo, para obtener:

    Mi,2 = [Mi,1 + (1-f2,i )* (1-f1,i )*Di]/[ 1- (1-f2,i )* (1-f1,i )]

    Para el buteno i = 3, se obtiene M3,2 = [0 + (1-0.005 )* (1-0.98 )* 0.7756]/[1-(0.995)(0.02)] =

    0.01575. La cantidad de buteno en la corriente 3 es 0.01575 + 0.7756 = 0.7913; en la corriente 4

    se tiene (0.995)(0.7913) = 0.7874; en la corriente 7, el flujo es (0.98)(0.7874)=0.7716, las

    corrientes 8 y 9 llevan (0.02)(0.7716) = 0.154 y (0.98(0.7716)=0.7562 mol/h respectivamente.

    Para el butadieno i = 2, se obtiene M2,2 = [0 + (1-0.01 )* (1-0.99 )* 0.1939]/[1-(0.99)(0.01)] =

    0.00194. La cantidad de butadieno en la corriente 3 es 0.00194 + 0.1939 = 0.1958; en la corriente

    4 se tiene (0.99)(0.1958) = 0.1939; en la corriente 7, el flujo es (0.99)(0.1939)=0.1919, las

    corrientes 8 y 9 llevan (0.99)(0.1919) = 0.1900 y (0.01(0.1919)=0.00192 mol/h respectivamente.

    Todo el hidrgeno sale en la corriente 6 por lo que slo el butano permanece como impureza en

    las corrientes de productos. La cantidad de butano en la corriente 3 es 2.424*(1-0.4) = 1.4544; la

    cantidad en la corriente 4 es (1-0.02)(1.4544) = 1.4253; en la corriente 7 se tiene (0.02)(1.4253) =

    0.0285; en la corriente 8 se tiene (0.01)(0.0285)=0.00029; y en la corriente 9 (0.99(0.0285) =

    0.02822 mol/h.

    La siguiente tabla resume los flujos en las corrientes de productos (8 y 9).

    Componente Corriente

    8,mol/h

    Corriente 8,

    % mol

    Corriente 9,

    mol/h

    Corriente 9,

    % mol

    Butano 0.0154 7.49 0.7562 96.17

    Butadieno 0.1900 92.36 0.0019 0.24

    Buteno 0.0003 0.15 0.0282 3.59

    Total 0.2057 100.00 0.7863 100.00

    La pureza de la corriente de butadieno producto es 92.4% mientras que la del buteno es 96.2%.

    2.

    (a) Es muy obvio que la ruta del benceno no requiere ni purga ni reciclo ya que la conversin es

    casi total, 99%. Para la ruta del butano esto no es tan obvio. Sin embargo, puesto que el butano es

    muy barato, costo $0.10/lb se puede usar como combustible en vez de reciclar.

    (b) Se deben producir 100 millones de libras anualmente de AM o 100*106 /8,000=12,500lb/h o

    12,500/98 = 127.55 lbmol/h de AM. Pero hay una prdida de 4% en el sistema de separacin, por

    lo que se deben producir 127.55/0.96 = 132.87 lbmol/h de AM.

    Para la ruta de butano, suponiendo que no hay reciclo:

  • 6

    Butano requerido = 132.87/[(0.70)(0.8)] = 237.27 lbmol/h o 13,761 lb/h

    Oxgeno requerido = (237.27)(0.8)[(3.5)(0.7)+(6.5)(0.15)+(4.5)(0.15)]=778.25 lbmol/h.

    El aire requerido = 778.25/0.21 = 3,705.9 lbmol/h o (3.705.9)(28.84) = 106,878 lb/hr.

    Para la ruta de benceno, suponiendo que no hay reciclo:

    Benceno requerido = 132.87/[0.73)(0.99)] = 183.85 lbmol/h o 14,340 lb/h.

    Oxgeno requerido=(183.85)(0.99)[(4.5)(0.73)+(4.5)(0.135)+(7.5)(0.135)]=892.77 lbmol/h.

    El aire requerido = 4,251.3 lbmol/h o = 122,607 lb/hr.

    (c) Para el butano:

    P.E. = (0.60 $/lb)(12,500 lb/h) -(0.10 $/lb)(13,761 lb/h) = 7,500 1,376 = $6,124/h O 6,124/12,500 = $0.49/lb de AM.

    Para el benceno:

    P.E. = (0.60 $/lb)(12,500 lb/h) -(0.21 $/lb)(14,340 lb/h) = 7,500 3,011 = $4,489/h O $0.36/lb de AM.

    La ruta del butano es la ms redituable aunque tenga la menor conversin.

    (d) Aunque se agrega una cantidad considerable de nitrgeno en el aire que provee el oxgeno,

    probablemente se requerir remover el calor generado en el reactor. Puesto que la reaccin es

    catalizada por slidos, se recomienda un reactor tubular empacado.

    (e)

    Agua

    Benceno o

    Butano

    A incineracin Aire Agua

    AM

    Residuos

  • Ingeniera de procesos I.

    Tarea 5. Marzo 2001.

    Se desea separar una mezcla de etano(a), propileno (b), propano (c), i-butano (d), n-butano (e) y

    n-pentano (f) a travs de columnas de destilacin en corrientes de los componentes

    aproximadamente puros. La carga de entrada tiene 9.1, 6.8, 9.1, 6.8, 6.8 y 6.8 kgmol/hr de cada

    componente en el orden dado. Las volatilidades relativas de componentes adyacentes son:

    a/b=3.5, b/c = 1.2, c/d=2.7, d/e =1.21 y e/f =3.0

    Usando secuencias de separacin con una entrada y dos salidas sin recirculaciones,

    i) Proponga al menos dos secuencias de separacin, las que considere mejores de acuerdo a la aplicacin de las reglas heursticas.

    ii) Seleccione la mejor de ellas con la estimacin del costo de separacin.

    Solucin.

    Separaciones difciles que se dejan al final: b/c y d/e.

    Separaciones fciles al principio: a/b y e/f

    Separacin con cargas balanceadas: abc/def

    i) Propuestas: Secuencia I: a/bcdef, bcde/f, bc/de, b/c, d/e.

    Secuencia II: abc/def, a/bc, de/f, d/e, b/c.

    Secuencia III: abc/def, a/bc, d/ef, e/f, d/c.

    ii)

    1

    2.1)(

    1

    2.1)(

    1

    2.1)(

    1

    2.1)(

    1

    2.1)(

    //

    /

    /

    /

    cbed

    dc

    fe

    ba

    I

    FcFbFbFeFdFd

    FeFdFcFbFcFb

    FfFeFdFcFbFdFcFbFa

    FfFeFdFcFbFaFaV

  • 12.1

    2.1)1.98.6(8.6

    121.1

    2.1)8.68.6(8.6

    17.2

    2.1)8.68.61.98.6(1.98.6

    10.3

    2.1)8.68.68.61.98.6(8.68.61.98.6

    15.3

    2.1)8.68.68.61.98.61.9(1.9IV

    VI = 305.6

    De igual manera se calculan VII y VIII con valores aproximados de 290.

    Por lo que cualquiera de las secuencias II o III es mejor que la secuencia I.

    T-2 SolucionesT-3 SolucionesT-4-SolucionesTarea-5 Soluciones