Upload
marcel-chevalier
View
116
Download
13
Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA
CATERA:
SÍNTESIS DE PROCESOS QUIMICOS
PRESENTADO A:
ING. EUFRACIO ARIAS, WILDER EFRAÍN
REALIZADO POR:
BALDEON CARHUAMANTA, ELIAS
CHEVALIER SANTIVAÑEZ, Marcel Fernando
DE LA CRUZ YARASCA, Daniel
CHAMBERGO ROMAN, Cesar
VIDAL PEREZ, Rolfo
SEMESTRE: VIII
Ciudad Universitaria – Huancayo Perú
Junio del 2012
OBTENCION DE BUTILGLICOL: NIVEL 0 Y 1
NIVEL 0: INFORMACION DE ENTRADA:
1- INFORMACIÓN BÁSICA:
1.1. Información de las Reacciones y condiciones de operación:
a) Estequiometria de las Reacciones:
C H 2 C H 2+H 2O2 Si o SiTi→
C H 2C H 2O+H 2 O(EPOXIDACION )
C H 2 C H 2 O+C4 H 9 OH H−ZSM−5 zeolita→
C6 C H 14 O2(ALCOXIDACION )
b) Rango de Temperaturas y Presiones:
Para:
Reacción de Epoxidación: T = -30ºC
Reacción de Alcoxidación: T = 0ºC
Presión De Operación: entre 1 y 100 atm.
c) Fases del Sistema:
Las reacciones se llevan a cabo en sistema bifásico: LIQUIDO
d) Selectividad y conversión:
SELECTIVIDAD: Desconocida, no se conoce la velocidad de la reacción
CONVERSION: x1 = 0.95 (Epoxidación)
x2 = 0.85 (alcoxidación)
FUENTE: 403590 PATENTE
e) Catalizador:
En la reacción de epoxidación el catalizador es el silicato de titanio
de fórmula general: xTiO2 (1-x) SiO 2 donde se prefiere una composición entre
0.01 – 0.025.
El catalizador para la alcoxilación puede ser una zeolita acídica como la H-
ZSM-5 zeolita o H-B-Beta zeolita que se prepara con ácido bórico o
hidróxido de tetraetiilamonio.
1.2. Velocidad de Producción: (BUTILGLICOL)
P C4H10O2 = 48000 ton. de butilglicol/año
PButilglicol=48000ton
añ ox
1a ño355 d í as
x1d í a24 h
x1000 Kg
1 tonx
1 Kmol BG118 mol BG
x1 lb
0,4536 Kg
P C4H10O2 = 105.256 lb /h
1.3. Pureza del Producto: (Butilglicol)
La pureza del óxido del etileno es típicamente mayor de 99%.
XD = 0.99 ; 99%
1.4. Materias Primas:
PERÓXIDO DE HIDRÓGENO: xp = 70%.
La Conversión del Peróxido es de 99% hacia el epóxido del 85%
(Patente No 4833260 de 1989 Estados Unidos, Patente No 4476327 de 1984
Estados Unidos)
PROPIEDADES FISICOQUIMICAS
Punto de Fusión -26
Punto de Ebullición
Presión de Vapor a 20°C 18
Densidad a 20°C (g/cm3) 1.11
PROPIEDADES TERMODINAMICAS
H0 liq (KJ/mol) -187,9035
S0 liq (J/mol.K) 109,69416
G0 liq (KJ/mol) -120,4961
Cp0 liq (J/mol.K) 89,17884
ETILENO: Este producto comercialmente se encuentra con impurezas para lo cual
nosotros asumimos que ingresamos puro.
PROPIEDADES TERMODINAMICAS
Cp0 liq (J/mol.K) 67,24 (Temp 15 a 170)
S0 liq (K/mol.K) 117,8
H0 liq (KJ/mol) 43.98
G0 liq (KJ/mol) 78,5798
BUTANOL:
PROPIEDADES TERMODINAMICAS
H0 liq (KJ/mol) -328
S0 liq (J/mol.K) 222,73
G0 liq (KJ/mol) -162,615
Cp0 liq (J/mol.K) 176,86
BUTIL GLICOL:
PROPIEDADES TERMODINAMICAS
H0 liq (KJ/mol) -508,21
G0 liq (KJ/mol) -264,838
Cp0 liq (J/mol.K) 234,042
1.5. Restricciones del Proceso:
La reacción de epoxidación se puede llevar a cabo entre -30 y 100 °C y entre 1 100
atm; dependiendo si la reacción se pueda dar en una o 2 fases en un reactor Batch o
Empacado
Para poder que las reacciones se den simultáneamente el reactor se debe operar a
condiciones apropiadas, es decir primero se debe conseguir las condiciones de
temperatura y presión (-30°C y presurización de Olefina).
Después de un tiempo aproximado de reacción (30 minutos según Patente No
4833260 de 1989 Estados Unidos) las condiciones deben combinarse.
El reactor debe poseer un sistema de sellamiento para gases que permita la
operación a altas temperaturas.
Finalizada la reacción se debe retirar el Etileno restante que se encuentra en forma
gaseosa y una vez se encuentra a presión atmosférica se retiran los productos
líquidos.
1.6. Datos de la planta y del lugar:
UBICACIÓN
Se sugiere la construcción de la planta en la provincia de Lima cerca al mar en el
Callao ya que este lugar cuenta con los servicios básicos (agua y electricidad),
además cuenta con grandes extensiones de terreno disponible. A nuestro favor nos
será factible para conseguir las materias primas y poner nuestro producto en el
mercado.
SERVICIOS:
Agua- Luz
1.7. SEGURIDAD, TOXIXIDAD E IMPACTO AMBIENTAL:
SEGURIDAD:
ETILENO
Se adquiere en estado Gaseoso en recipientes de alta presión
PEROXIDO DE HIDROGENO
Sustancia Bastante inestable, por lo que para el proyecto se dispone de esta a 30%
en solución.
Toxicidad:
Tóxico por inhalación e Ingestión
Veneno – Clase 6.1
Tóxico para la vida acuática
SEGURIDAD INDUSTRIAL
Compuesto T0 de Ignición LD50
Etileno
Butanol 340°C 790 mg/kg (oral)
Peróxido de Hidrógeno 4060 mg/kh (dermal)
Oxido de Etileno
Butilglicol 230°C 470 mg/kg (oral)
Agua
Nivel 1:
1.1. Como nuestra velocidad de producción es de 480000 ton/año entonces el proceso será continuo.
1.2. La velocidad de reacción es rápida e influenciada por la temperatura:
K = f(T)
ANALISIS TERMODINAMICO
Ecuaciones a emplear:
H rxn0 =∑
i
n
σ i H0 fi Entalpía estándar de la Rxn) (1)
Grxn0 =∑
i
n
σ iG0 fi (Calor estándar de la Rxn) (2)
Cambio de Entalpía a diferentes temperaturas:
H rxn (T )=H rxn0 +∑∫
¿
T
Cpidt (3)
LnK=−GRT
(4)
lnk2
k1
=−∆ H rxn2
R( 1T 2
− 1T x
) (5)
- Con la ecuación (1) y (2) determinamos la entalpía estándar y la energía libre de Gibbs estándar
- Con la ecuación (3) hallamos la entalpía a diferentes temperaturas.- Con la ecuación (4) hallamos k para la energía libre de Gibbs estándar que
remplazando en la ecuación (5) determinamos k2 y el procedimiento a seguir es:
H0 G0 T(T) k1 k2 G(T)
a. Para la reacción de Epoxidación:
- Calculando H0 estándar y G0 estándar (líquidos)
Siendo:E = Etileno
P= Peróxido de HidrógenoO.E= Oxido de EtilenoA = AguaB = ButanolB.G. = Butilglicol
∆ H 0=(∆ HO. Eo +∆ H H 2 0
o )−(∆ H Eo +∆ H P
o )
∆ H 0=(−95,7−285.83 )−(43.98−187,9035)
∆ H 0=−237,6065
Lo que indica que la reacción de Epoxidación es muy exotérmica
∆ g0=(∆ GO. Eo +∆ GH 2 0
o )−(∆ GEo +∆GP
o )
∆ G0=(−140−237,337 )−(78,5738−120,4961)
∆ G0=−335,4207
Lo que indica que la reacción de Epoxidación es Espontanea
Calculando:H0 y G0 a diferentes temperaturas:
Comp. a b c dE 3,144364 1,0842 7,136x10-3 1,65631x10-5
P 89,17384 0 0 0A 18,2964 0,472118 7,39387x10-3 1,3142x10-6
O.E. 7,41253 7,4268x10-1 2,7132x10-3 3,9009x10-6
B -5,1037x10-1 1,44697 -3 4,28849x10-6
B.G. 234,042 0 0 0
a = -66,91349; b = 0,130665; c = 5,76158x10-3; d = -1.134798x10-5
∆ H (T )=∆ H 0+∫298
T
( ∆ a+∆ b .T +∆ c .T2+∆ d .T 3 ) dT
∆ H (T )=−237066,5+∫298
T
(−66,91349+0,130665 .T +5,76158 x1 0−3 . T2+−1.134798 x10−5 . T 3 ) dT
Calculando K1=6.2121 x1058
T 200 250 300 350 400 450 500 550 600
∆ H ¿ -251.86
-245.64
-237.2
4
-227.567
-218 -210.13
-206.3 -209.04
-221.4
T ∆ H (T ) K2 G (T ) .105
200 -251860 2.666885x1080 -3.07994250 -245640 1.859737x1063 -3.124300 -237240 3.1545x1058 -3.3598350 -227597 1.7153x1052 -3.5400 -218000 3.4346x1047 -3.64022450 -210130 7.6125x1043 -3.7804500 -206300 9.0792x1040 -3.9206550 -209040 7.6822x1033 -3.568600 -221400 3.74x1036 -4.201
E P O.E A B B.G.H0 43,98 -
187,9035-95,7 -283.83 -328 -508.21
G0 78,5798 -120,4961
-140 -237.34 -162,15 -264,838
b.- Para la Reacción de Alcoxidación:
∆ H °Rxn=∆ H °BG−(∆ H °B+∆ H °O . E)
∆ G °Rxn=∆ G °BG−(∆ G °B+∆ G°O. E)
∆ H °Rxn=−508.21−(−328−95.7 )=−84.51 KJ /mol
∆ G °Rxn=−254.938− (−162.615−140 )=37.777 KJ /mol
Calculo de ∆ H y ∆ G a diferentes Temperaturas.
∆ a=227.14 ;∆ b=−2.19 ;∆ c=6.59654 x10−3 ;∆ d=−8.18941 x10−6
∆ H (T )=∆ H °+∫298
T
(¿ ∆ a+∆ bT+∆ cT 2+∆ d T3)dT ¿
∆ H (T )=−84510+∫298
T
(¿227.14−2.19 T+6.59654 x 10−3 T2−8.18941 x 10−6 T 3)dT ¿
∆ H (200 )=−0.81058 x105
Calculando K1=2.33987253 x 10−7
T H(T) x10-5 K2 G200 -0,81058 2,18925 1303250 -0,82294 1,406x10-4 18437300 -0.84624 1,903x10-7 3898,5350 -0.88087 1,914x10-3 58739,85400 -0.93031 1,6603x10-11 82530,2450 -1,0011 2,826x10-12 10808,6500 -1,10285 3,704x10-15 138141,17550 -1,24824 2,2575x10-17 175278,52600 -1,45303 3,6223x10-20 223314,45
GRAFICOS
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
-300000
-250000
-200000
-150000
-100000
-50000
0
Rx1Rx2
T
AH(T)
150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650
-500000-400000-300000-200000-100000
0100000200000300000
Rx1Rx2
T
AG(T)
2.642411nA1= 55,863
PEROXIDO
BUTIGLICOL
AGUA
REACTOR2.642411PROCESO
0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004 0.0045 0.005 0.0055
-50
0
50
100
150
200
Rx1Rx2
1/T
LN(K)
NIVEL 2.
2.1 DECISONES PARA LA ESTRUCTURA DE ENTRA Y SALIDA
2.1.1 PURIFICACION DE LA ALIMENTACION
ETILENO IMPURO:
con impurezas de metano
Muy pequeña la impureza
En gaseosa separación n los productos (su separación a la entrada es costosa)
Al 94.5% (con impurezas de metano) en peso
PEROXIDO
ETANOL
Con impurezas de agua
Peróxido en solución al 70.0% en peso
Es liquido su separación es costosa a la entrada
BUTANOL
Con impurezas de agua
Butanol en solución al 94.5% en peso
Es liquido su separación es costosa a la entrada de la alimentación
2.1.2 REMOCION O RECICLO DEL PRODUCTO
SIMBOLO COMPUESTOS
P Peróxido
A1 Agua caliente en Peróxido
E Etileno
M Metano contenido en Etileno
B Butanol
A2 Agua contenida en Butanol
OE Oxido de Etileno
BG Butilglicol
A Agua producida
2.1.3.: REACCIONES A REALIZAR
CH 2C H 2+H 2 O2→ C2 H 4 O+H 2 O
C2 H 4 O+C4 H 9OH →C4 H 9 O(C H 2)2OH
Removemos el producto para concentrarlo y después venderlo
* Removemos el OE por su alta volatilidad obtenida de la Patente.
COMPUESTOS α
B 7.2
A 19.4
OE 651.48
BG 1
2.1.4 RECICLO Y PURGA
Por no ser nocivo para el medio ambiente se purga el agua que sale como sub
producto del primer reactor pero al parecer se tendrá que ubicar una línea de reciclo
siempre y cuando la cantidad de oxietileno sobrepase el 5% de elemento no
reacciónate en la formación de butiglicol
2.1.5 REACTANTE EN EXCESO
Butano
Etileno
2.1.5 NUMERO DE FLUJOS DEL PRODUCTO
símbolo componente P ebullición Código de destino
P Peróxido 150 °C Purga
A Agua 100 °C Purga
M Metano -162 °C Sub-producto
E Etileno -104°C Purga
OE Oxietileno 10 °C Sub- prod (reciclo)
B butanol 117 °C purga
BG butiglicol 171 °C Prod -primario
Nueva estructura de entrada y salida
2.2. VARIABLES DE DISEÑO
X1=0.95 (conversión de la primera rx.)
X1=0.85 (conversión de la segunda rx.)
X1=0.76 (composición molar de peróxido alimentado)
X1=0.99 (composición molar del etanol alimentado)
X1=0.99 (composición molar de butanol alimentado)
2.2.1.BALANCE ESTEQUIOMETRICOS:
P+E → OE+ A
B+OE→ BG
a) Balance del proceso:a.1) Balance en el primer reactor:Para la producción de 105,256 lb mol/h de BUTILGLICOLA partir de:
nBG=nP x1 x2… (1)
Donde:
nBG: moles de butilglicol
nP: moles de peróxido
Encontramos de (1):
np=nBG
x1 x2
= 105,256(0,95 )(0,85)
nP=130.348 lb mol PEROXIDO/h
Determinación de componentes a la entrada del 1er reactor:
nA 1=nP( 1−xP
x P)=130.348( 0.3
0.7 )=55.863 lb mol AGUA/h
nE=nP( 1mol E1mol P )=130.348( 1 mol E
1 mol P )=130.348 lb mol Etileno/h
nM=nE( 1− xE
xE)=130.348( 0.1−.945
0.945 )=7.586 lb mol METANO/h
Balance del peróxido:
Alimentacion = Reaccion + Salida
nPeroxido=nPrx+nPs=130.348=130.348 (0.95 )+nPs
nPs=6.5174
Balance para el Agua:
AAlimentada+ A rx=ASalida
ASalida=55.863lbmol
h+0,95 (130,348 )
ASalida=178,694lbmol
h
Balance para el Etileno:
EAlimentada=Erx+ESalida
ASalida=130,348lbmol
h0130,348 (0,95)+nESalida
nESalida=6,5174
lbmolh
Balance para el Metano:
PeróxidoAgua
NE= 130,348NM= 7,586
EtilenoMetano
np= 6,5174nA= 1,5903nE= 6,5174nM= 7,586nOE= 123,83
PeróxidoAguaEtilenoMetanoOxido de Etileno
FT= 324,145 FT= 146,0411
REACTOR 1
np= 130,348nA= 55,865
nMAlimentado=nMSalida=7,586
Balance para el Oxido de Etileno:
nOE=np . x1=130,348(0.95)
nOE=123,83lbmol
h
a.2. Balance en el 2do Reactor:
* Para la alimentación:
nB=123.83lbmol
hr
* Para la alimentación:
nA 2=nB( 1−xB
x B)=123,83( 0.024
0,970 )
nA 2=3,045
lbmolh
Agua
A =178,10BUTA
NB= 107,24NA2= 2.64
np= 6,5174nA= 1,5903nE= 6,5174nM= 7,586nOE= 18,5748nB= 1.98nBG= 105,26
PeróxidoAguaEtilenoMetanoOxido de EtilenoButanolButilGlicol
NA2= 3,045
REACTOR 2
F= 146,0411
Balance para el Oxido de Etileno:
Salida = Alimentación- Reacciona
nOE=123,83−0.85 (123,83 )=18,5745lbmol
h
Balance para el Butanol:
nBS+nBAlimentado−nB (Rx)
nBS=107,24−0.85 (123,83 )=1,98
lbmolh
Balance en el Reactor 2:
Determinando el Potencial Económico
PE = CProductos + CSubproductos – CMat.Prima
Hallando el valor del producto:
Hallando el valor de los subproductos:
Costo de las materias primas:
Reemplazando todos estos valores para el potencial económico: