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Primer Examen del curso: diseño Básico de Procesos EXAMEN A Nombre_________________________________________________________Grupo_______________Septiembre 2016

La dietanolamina (HOCH2-CH2)2NH se obtiene a partir de óxido de etileno (C2 H4O), el cual a su vez se obtiene en la primera sección de la planta, por oxidación del etileno (C2 H4). En la segunda sección de la planta el óxido de etileno reacciona con amoniaco para dar una mezcla de aminas, las reacciones son: Primer reactor (T=240 ºC, P=12 atm): C2H4 + ½O2  C2H4O C2H4 + 3O2  2CO2 + 2H2O Segundo reactor (T=40 ºC, P=2.5 atm): C2H4O + NH3  (HOCH2-CH2)NH2 C2H4O + (HOCH2-CH2)NH2  (HOCH2-CH2)2NH C2H4O + (HOCH2-CH2)2NH  (HOCH2-CH2)3N La conversión del etileno es de 25% y la alimentación de oxígeno es el doble de lo requerido por la estequiometria. El oxígeno se toma del aire. La selectividad del óxido de etileno con respecto a las moles consumidas de etileno es de 0.95. El óxido de etileno a la salida del primer reactor se separa de los gases por medio de un absorbedor con agua. El 10% de los gases a la salida del absorbedor, C2H4, O2 y N2 se purgan y el resto se recicla al reactor. El óxido de etileno se separa del agua en una columna de destilación, el agua se reutiliza en el absorbedor (se agrega una pequeña cantidad para reponer pérdidas) y el óxido de etileno pasa a la segunda sección de la planta para mezclarse con amoniaco antes de entrar al segundo reactor. Todo el amoniaco que entra se consume en las reacciones del segundo reactor. Para su venta deben separarse la mono-etanolamina (MEA), di-etanolamina (DEA) y tri-etanolamina (TEA) del óxido de etileno no convertido, este último se recicla a la segunda sección de la planta. Las aminas y los gases de purga son los únicos efluentes de la planta. La conversión de óxido de etileno es 0.666 y las selectividades de las aminas son: S1=0.5 (mol de MEA/mol de óxido de etileno), S2=0.3 (mol de DEA/mol de óxido de etileno), S3=0.2 (mol de TEA/mol de óxido de etileno). Para una producción anual de 84,000 toneladas de DEA con un factor de servicio de 8,000 h/año, determine: a) El diagrama de bloques del proceso. Identifique las especies químicas de las corrientes y nombres de los equipos b) Los flujos en ton/año de los materiales en las corrientes de entrada y salida del proceso. Sin considerar el agua del absorbedor. c) El potencial económico en $/año. No considere el valor de los gases de purga. d) Los flujos de los materiales reciclados en kmol/h.

Especies P.M. Teb, ºC Costo, $/kg

NH3 17 -33 0.42

C2H4O 44 11 0.84

Agua 18 100 -

MEA 61 170 1.12

DEA 105 269 1.44

TEA 149 360 1.30

O2 32 -183 -

C2H4 28 -103.75 0.54

Solución Examen 1-A septiembre-2016. a) Purga

Aire

Reactor 1

Etileno

Oxido de Etileno

A b s o r b e d o r

Reactor 2

Sistema de Separadores

MEA DEA TEA

Amoniaco Agua

b) Base de cálculo:

84,000 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑎𝑎ñ𝑜𝑜 1000𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑥𝑥 𝑥𝑥 𝑥𝑥 = 100 𝑎𝑎ñ𝑜𝑜 8,000ℎ 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 105𝑘𝑘𝑘𝑘 ℎ

En el segundo reactor pasar las reacciones a paralelo:

C2H4O + NH3  (HOCH2-CH2)NH2 OE + AM  MEA C2H4O + (HOCH2-CH2)NH2  (HOCH2-CH2)2NH OE + MEA  DEA C2H4O + (HOCH2-CH2)2NH  (HOCH2-CH2)3N OE + DEA  TEA Pasando a reacciones a paralelo OE + AM  MEA S1 = 0.5, ξ1 = ? OE + ½ AM  ½ DEA S2 = 0.3, ξ2 = 100 OE + 1/3 AM  1/3TEA S3 = 0.2, ξ3 = ? Puesto que:

S1 ξ 1 = , se obtiene, ξ1 = (100/1/2)(0.5/0.3) = 333-333 kmol/hr y ξ3 =133.333 kmol/hr. S2 ξ2

Reacción neta:

333.333 (OE + AM  MEA) 200 (OE + ½ AM  ½ DEA) 133.333 (OE + 1/3 AM  1/3TEA) 666.667*OE + 477.777*AM  333.333*MEA + 100*DEA + 44.444*TEA

∆𝑛𝑛𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 1/2

Se comprueba = ∆𝑛𝑛𝑂𝑂𝑂𝑂 = 666.667 0.3 En el primer reactor: C2H4 + ½O2  C2H4O C2H4 + 3O2  2CO2 + 2H2O

∆nOE (reactor 2 ) = 666.667 kmol / hr = nOE ( producido en reactor 1) . Puesto que S OE ET = 0.95 , entonces, moles de etileno consumidas en las dos reacciones 666.667 / .95 = 701.7544 y las moles consumidas en la segunda reacción = 701.7544-666.667= 35.0878

Entonces en el primer reactor se tiene. 666.667(C2H4 + ½O2  C2H4O)

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35.0878(C2H4 + 3O2  2CO2 + 2H2O) Reacción neta: 701.7544*C2H4 + 438.5967*O2  70.1754*CO2 + 666.667*C2H4O + 70.1754*H2O o n ET n ET f n ET o nOX

= 701.7544 / 0.25 = 2807.0176 kmol / h 0 = n ET − ∆n ET = 2,807.0176 − 701.7544 = 2105.2456 kmol / hr n PET = 210.5245 kmol / h o = n ET − 0.9 * n ET = 2807.0176 − 0.9 * 2105.2454 = 912.296 kmol / h = 2 * 438.5967 = 877.193 kmol/hr

P nOX = 438.5967 kmol/hr nOX = 43.8597 kmol/hr f o nOX = nOX − 0.9 * nOX = 877.193 − 0.9 * 438.5967 = 428.456 kmol / h

Especies Etileno Oxígeno Nitrógeno Amoniaco CO2 Agua MEA DEA TEA

PM 28 32 28 17 44 18 61 105 149

Tabla de balances kmol/hr Entra Sale 912.296 210.52456 482.456 43.8597 1814.953524 1814.95352 477.777 0 0 70.1754 0 70.1754 0 333.333 0 100 0 44.444 Total:

Ton/año Entra Sale 204354.304 47157.5014 123508.736 11228.0832 406549.589 406549.589 64977.672 0 0 24701.7408 0 10105.2576 0 162666.504 0 84000 0 52977.248 799390.301 799385.924

c) P:E = 84000Ton 1440$ 162666Ton 1120$ 52977Ton 1300$ 64977kg 420$ 204352 540$ $ * + * + * − * − = 234,374,520 * 1ño año Ton año Ton año Ton hr kg Ton año

d) Reciclo de C2H4O: Reciclo de etileno

𝑟𝑟 = 𝑛𝑛𝑂𝑂𝑂𝑂

(1 − 𝑥𝑥)∆𝑛𝑛𝑂𝑂𝑂𝑂 = 333.3333 𝑥𝑥

r = 0.9 * n ET = 0.9 * 701.7544 = 1894.74 kmol / hr n ET

Reciclo de O2: n = 0.9 * nOX = 0.9 * 438.5976 = 394.74 kmol / hr r OX

r Reciclo de CO2: nCO 2 = 9 * ∆n CO 2 = 9(70.1754) = 631.5786 kmol / hr

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