Taller: reacciones químicas

Ejercicio

El etileno es un compuesto de gran valor para la industria química. Su producción mundial asciende a más de 100 MT/año. El etileno se destina principalmente a la producción de polietileno de alta densidad y baja densidad (LDPE y HDPE). En cifras, el 57% del etileno producido a nivel mundial es destinado a la producción de LDPE y HDPE. El etileno restante es usado para otros productos, tales como, cloruro de vinilo (materia prima usada para producir PVC), óxido de etileno, acetaldehído, etilbenceno, estireno, etanol, acetato de vinilo, entre otros. Un grupo de investigadores de la Universidad de La Sabana ha estado estudiando, por mucho tiempo, la producción de etileno mediante la siguiente serie de reacciones complejas:

[pic 1]

[pic 2]

[pic 3]

Las constantes de velocidad en función de la temperatura están dadas de la siguiente manera:

[pic 4]

Donde A es el factor pre-exponencial y Ea (J/mol) la energía de activación, de cada una de las reacciones involucradas. El mismo grupo de investigación logró realizar experimentos de cinética química, y determinaron que las constantes son las siguientes:

[pic 5]

[pic 6]

Se desea modelar un reactor tubular (PFR) para procesar la siguiente corriente procedente de una refinería ubicada en la ciudad de Cartagena: 40 mol/s de etano, 0.4 mol/s de etileno, 0.8 mol/s de propileno y 29 mol/s de agua, con una temperatura de entrada de 680℃ y una presión inicial de 304 kPa. En adición, se sabe que es un sistema es altamente endotérmico, por lo que se dispone de un intercambiador para suministrar energía al sistema por medio de un aceite. Dicho aceite se encontrará disponible a una temperatura de 1100℃ y el intercambiador de calor cuenta con coeficiente global de transferencia de calor por unidad de área de 173 kJ m-2 K-1 s-1. Finalmente, se sabe que para modelar el reactor a las condiciones más reales posibles, es importante considerar la caída de presión a lo largo del reactor. La siguiente expresión representa dicha ecuación de la caída de presión:

[pic 7]

Donde:

• P: presión total de la mezcla reactiva (Pa)
• G: flujo másico de mezcla reactiva por unidad transversal de flujo (kg/(s m2))
• AC: área transversal de flujo en el equipo (m2)
• Fj: flujo molar de la especie j (kmol/s)
• Mm: masa molecular de la mezcla reactiva, [pic 8]
• Mmo: masa molecular de la mezcla reactiva en la alimentación
• T: temperatura de la mezcla reactiva (K)
• Dt: diámetro interno del tubo (m). Dt = 0.108 m.
• µ:  viscosidad de la mezcla reactiva (Pa s), , donde yj es la fracción molar de cada especie[pic 9]
• f: factor de fricción de Fanning, dado por la expresión

[pic 10]

Datos adicionales para el sistema de reacción se encuentran en la siguiente tabla:

[pic 12]

Teniendo en cuenta toda la información suministrada, se la ha pedido a usted como Ingeniero Químico:

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