Reactor batch basado en el modelamiento y optimización para la producción de tributil citrato

Reactor batch basado en el modelamiento y optimización para la producción de tributil citrato

Presentado por:

Paola Góngora Garces

Nicol Chaves García

Presentado a :

Lady Rossana Palomino

Universidad Militar Nueva Granada

Balance de materia y energía

Ingeniería Ambiental

Cajicá

2019

El tributil citrato es un éster solvente y plastificante y en su  producción se utiliza azúcar como materia prima para los procesos fermentativos, en donde se produce  además citratos de sodio, magnesio,potasio y zinc, o también se utiliza melaza de la caña de azúcar para producción de alcoholes.

Esta producción se realiza por un lote sedimentado el cual tiene tres etapas:

1. Disolución del acido citrico en butanol
2. Reaccion de esterificacion
3. Purificación del producto

Una vez obtenida la disolución, se adiciona un catalizador (ácido metanosulfónico), y esto se transfiere a un reactor agitado y enchaquetado, el cual está unido a una columna de rectificación y un decantador y es alli donde ocurre la reaccion de esterificacion, en donde un ácido carboxílico reacciona con un alcohol para formar un éster y agua. Este proceso se lleva a cabo en tres reacciones donde se obtienen el monobutil citrato (MBC) y el dibutil citrato (DBC) como productos intermedios, además de agua como subproducto en cada etapa de esterificación para obtener el tributil citrato.

[pic 1]

Figura 1. Reacciones para la esterificación de ácido cítrico con butanol.

Las condiciones a las que se lleva a cabo la reacción es a una presión atmosférica (760  mm Hg) con calentamiento y adiciones de butanol. Para el calentamiento se genera un vapor compuesto de butanol-agua, este es llevado a la columna de rectificación para remover el agua generada en la reaccion, y recircular el exceso de butanol, para la formacion de productos. En la columna de destilación se obtiene una mezcla butanol-agua, la cual enfria para pasarla al decantador. En esta etapa ocurre la separación de dos fases líquidas, una está compuesta por agua (fase pesada), la cual es retirada del sistema y la otra rica en butanol, se utiliza como reflujo de la columna obteniendo como producto el butanol recuperado.

Para diseñar un reactor batch, se debe realizar un balance de los materiales, pero hay que tener en cuenta que este es intermitente, este no tiene entradas, ni salidas; en este tipo de reactor los reactivos se cargan, y se espera que la reacción termine durante un tiempo.

El mezclado es una operación importante en el reactor, debido a que esta se encarga de poner los reactivos y catalizadores en contacto, ya sean de la misma fase o en diferentes fases y se mejora la transferencia de calor en la reacción . Para esto existen varios tipos de agitadores entre los más comunes para una agitación de líquidos con viscosidad moderada se tiene los siguientes:

[pic 2]

Figura 2. Tipos de agitadores para viscosidades moderadas

El volumen del reactor es  importante para que la reacción se lleve a cabo, a nivel de laboratorio a mediana escala se usan volúmenes de 0,25 a 5 litros, estos vienen constituidos  de un sistema de calefacción y agitación, lo cual brinda una mayor amplitud de sus usos, la velocidad de agitación puede ir         de 0 a 2000 revoluciones por minuto, los materiales para su construcción a esta escala puede ser de vidrio o metal.

El equipo necesita tener una velocidad de reacción, la cual es la rapidez con la que se consume cierta cantidad de moles de un compuesto o elemento químico, por unidad de tiempo o por unidad de volumen. Para determinar esta variable hay que tener en cuenta la constante de equilibrio y que esta depende de la temperatura en la cual se da la reacción.

El reactor se encuentra alrededor de una chaqueta calefactora  del tanque de reacción está brindará las condiciones de temperatura necesarios para el estudio cinético de la reacción.  

La velocidad de la reacciones químicas y los mecanismos de reacción es denominado como la cinética de reacción; Para la esterificación de ácido cítrico con butanol fue modelada con base en expresiones de la forma ley de potencia, ecuaciones, tal y como se reportan en la literatura [1].

[pic 3] (1)

[pic 4]    (2)

[pic 5]      (3)

• V1,V2 y V3: Velocidades de reacción (min-1)
• X: Fracción molar
• Wc: Porcentaje de catalizador
• Kis y Kic : Factores cinéticos

Los subíndices en las expresiones indican cada uno de los componentes involucrados en el proceso: (1:ácido cítrico, 2:mono-butil citrato, 3: di-butil citrato, 4: tri-butil citrato, 5:butanol y 6:agua)

Los balances de materia global y por componente en el reactor son:

[pic 6]

[pic 7](4)

• 𝑁: Número total de moles acumuladas en el reactor en el tiempo t.
• 𝑣𝑖,𝑗: Coeficiente estequiométrico del componente i en la reacción j,
• 𝜌: Densidad molar del líquido,
• VL: Volumen de líquido en el reactor,
• 𝐹R y 𝐹V: Flujos molares de entrada y salida del reactor
•  𝐹𝑂𝐻:Adiciones puntuales de butanol.

Y el balance de energía correspondiente al reactor está descrito por:

[pic 8](5)

• : Entalpías específicas de cada corriente, las cuales dependen de su temperatura y composición.[pic 9]
• 𝑄:Carga de calor que es suministrada al reactor.

[pic 10]

Para calcular la corriente de vapor que sale del reactor se considera el equilibrio líquido-vapor para los elementos  que se encuentran en el reactor. Considerando que este se encuentr formado solomanente por butanol y agua, la presión dentro del reactor, y la composición de la fase vapor puede calcularse en cada instante de tiempo como[pic 11]

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