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Deshidrogenación de i-propanol (B)
El diagrama representa un proceso de fabricación de acetona por deshidrogenación de isopropanol: CH 3 ‐CHOH‐CH 3 → CH 3 ‐CO‐CH 3 +H 2. La alimentación F es una mezcla de isopropanol (72% molar) con agua que, tras mezclarse con una corriente de recirculación, se evapora y calienta hasta 730 K introduciéndose en el reactor. La reacción es endotérmica y se alcanza una conversión del 55%. Los productos (B) se enfrían y se introducen en un separador de fases. La fase líquida que sale del separador (L1) contiene acetona, isopropanol y agua. La fase gaseosa (E), que contiene hidrógeno y acetona, se introduce en un absorbedor donde se recupera la acetona con agua. El gas que sale del adsorbedor contiene hidrógeno (99,8%) y algo de acetona y se usará en otros procesos. En el absorbedor se introduce una corriente de agua (L) con un flujo igual al de H2 que entra a la absorción y el agua con acetona (L2) se mezcla con (L1) para obtener una corriente C que se introduce en el destilador donde se separa toda la acetona que sale (P) con una pureza del 99%. El resto de los componentes se destilan en una columna de destilación 2 obteniendo agua (S) con 2% de isopropanol, que se retira, y una corriente (R) de composición azeotrópica con 72% de isopropanol que se recicla.
Determine, a) La composición de la corriente D. b) El flujo molar de la corriente B cuando el proceso trata 1000 moles/h de alimentación F. c) El rendimiento global en acetona si lo que sale por G se pierde. Nota: Todo el proceso se desarrolla a presión moderada y no se incluyen en la descripción detalles de otros equipos de calefacción, compresión, condensación que siendo necesarios no se precisan para la resolución.
REACCIÓN
ABSORCIÓN DESTILACION 1 DESTILACIÓN 2
SEPARACIÓN LV
G H2, 99,8% CH3-CO-CH3, 0,2%
F
CH3-CHOH-CH H2O
L H2O
R
CH3-CHOH-CH H2O
P
CH3-CO-CH3, 99% H2O, 1%
S
H2O, 98% CH3-CHOH-CH3, 2%
A B
C D
E
L
L
(PRUEBA 18/03/2014) SOLUCIÓN
El diagrama corresponde a un proceso de fabricación continuo con recirculación. Conviene tomar como base de cálculo una cantidad de una corriente del ciclo donde se conozca la composición para facilitar la resolución. Tomando como base de cálculo 100 mol de la corriente A se pueden resolver todos los flujos: ‐ B se calcula conociendo la conversión ‐ G se calcula sabiendo que todo el H2 sale y su composición. ‐ L tiene un flujo igual al de hidrógeno ‐ De un balance conjunto al separador + el absorbedor, se obtiene C ‐ En el destilador 1, se calcula primero P porque sabemos que sale la acetona y la concentración. Por diferencia se calcula D. ‐ En el destilador 2 hay dos componentes y es necesario plantear dos ecuaciones D=S+R, es decir, S+R=99, 32,40=S0,02+R0,
F A B L G C D P S R i‐ol ufm 0,72 0,72 0 0 0,02 0, h2 ufm 0 0 0 1 0 0 agua ufm 0,28 0,28 1 0 0,98 0, ona ufm 0 0 0 0 0 0
i‐ol mol 40,72 72,00 32,40 32,40 32,40 0,00 1,12 31, h2 mol 0,00 0,00 39,60 39,60 0,00 0,00 0,00 0,00 0, agua mol 15,84 28,00 28,00 39,60 67,60 67,20 0,40 55,04 12, ona mol 0,00 0,00 39,60 0,08 39,52 0,00 39,52 0,00 0, 56,56 100,00 139,60 39,60 39,68 139,52 99,60 39,92 56,16 43,
a) La composición de la corriente D De la tabla, (32,4/99,6) que es aproximadamente 32,5 % de isopropanol.
b) El flujo molar de la corriente B cuando el proceso trata 1000 moles/h de alimentación F. (139,6 mol A/56,56 mol F) * 1000 mol F/h = 2468,2 mol/h
c) El rendimiento global en acetona si lo que sale por G se pierde. (39,52 mol ona/40,72 mol F) = 0,97 ‐> 97%
SOLUCIÓN
Tomando como base de cálculo 100 mol de la corriente A se pueden resolver todos los flujos. Las corrientes L1, L2 no son necesarias para resolver el ejercicio. Desde A se calcula B conocida la conversión y a partir de ella G. Dado que todo el isopropanol en B continúa por C, se determinar agua en C. Un balance al separador+absorbedor juntos permite completar C y L P se calcula conociendo el rendimiento y concentración de salida del destilador 1, y D se obtiene por diferencia (balance en el destilador 1) Se opera igual en el destilador 2 y se obtienen S y R. F se calcula por balance en el punto de mezcla inicial.
F A B L G C D P S R
i‐ol ufm 0,72 0,72 0 0 0,5 0, h2 ufm 0 0 0 1 0 0 agua ufm 0,28 0,28 1 0 0,5 0, ona ufm 0 0 0 0 0
i‐ol mol 28,80 72,00 43,20 43,20 43,20 0,00 0,00 43, h2 mol 0,00 0,00 28,80 28,80 0,00 0,00 0,00 0,00 0, agua mol 11,20 28,00 28,00 15,20 43,20 42,91 0,29 26,11 16, ona mol 0,00 0,00 28,80 0,14 28,66 0,00 28,66 0,00 0, 40,00 100,00 128,80 15,20 28,94 115,06 86,11 28,94 26,11 60,
a) El flujo molar de la corriente G cuando el proceso trata 1000 moles de F/h. (28,94 mol G/40 mol F) * 1000 mol F/h = 723,5 mol/h
b) El flujo molar de la corriente A cuando el proceso trata 1000 moles de F/h. (100 mol A/40 mol F) * 1000 mol F/h = 2500,0 mol/h
c) El rendimiento global en acetona si lo que sale por G se pierde. (28,66 mol ona/28,8 mol F) = 0,
El problema se puede resolver con otros planteamientos. Por ejemplo, la tercera pregunta puede resolverse de un balance de materia a todo el sistema (hay reacción). Conocido el rendimiento global, se puede determinar la cantidad de H formada y que sale por G para resolver la primera pregunta. Resolver la segunda pregunta requiere balances a operaciones similares a los mostrados en la solución anterior.
