Download - Entrega 1 Diseño de Procesos
-
Diseo de una planta productora de Anhdrido Maleico
Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
Enzo Fernando Zukowski Padrn 86325
30/05/2013
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
1
Contenido
Anlisis preliminar de factibilidad econmica y eleccin de la materia prima .......................... 2
Estructura Entrada-Salida, decisiones adoptadas y su justificacin ............................................... 3
Decisiones sobre la estructura de reciclo ................................................................................................... 5
Decisiones adoptadas acerca del sistema de separacin ..................................................................... 7
Estructura bsica del sistema de separacin........................................................................................ 7
Nociones de la qumica del anhdrido maleico en soluciones acuosas ...................................... 7
Separacin de fases a la salida del reactor ............................................................................................ 8
Sistema de recuperacin gaseoso ............................................................................................................. 9
Sistema de recuperacin de lquido ....................................................................................................... 10
Cierre aproximado de los balances de masa y energa ....................................................................... 16
Balance de masa global ................................................................................................................................ 16
Balances de energa en el sistema de reaccin y flash .................................................................... 17
Anlisis preliminar de costos ......................................................................................................................... 18
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
2
Anlisis preliminar de factibilidad econmica y eleccin de la
materia prima
En la preentrega se consider por separado la posibilidad de producir anhdrido maleico a
partir de n-butano y de benceno.
En la siguiente tabla se comparan ambas posibilidades de manera muy simplista, considerando
los costos de las materias primas y el precio de mercado del anhdrido maleico.
Posibilidad 1, a partir de n-butano
Sustancia Caudal Precio Total, base anual
n-butano 229,9 gal/h 1,75 U$S/gal 3219424 U$S/ao
anhdrido maleico 1002,3 lb/h 0,882 U$S/lb 7777778 U$S/ao
beneficio total, base anual 4558354 U$S/ao
Posibilidad 2, a partir de benceno
Sustancia Caudal Precio Total, base anual
benceno 228,5 gal/h 5 U$S/gal 9140466 U$S/ao
anhdrido maleico 1002,3 lb/h 0,882 U$S/lb 7777778 U$S/ao
beneficio total, base anual -1362689 U$S/ao
An sin considerar los costos de los equipos, de operacin, de los servicios, etc., la produccin
de anhdrido maleico en estas condiciones es inviable. Se decide basar el diseo con el n-
butano como materia prima.
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
3
Estructura Entrada-Salida, decisiones adoptadas y su
justificacin
Seguimos la propuesta de anlisis de Douglas:
Debemos purificar las alimentaciones antes de entrar al proceso?
Se dispone de n-butano puro, por lo que no es necesario procesar dicha corriente.
La corriente de aire tampoco se purifica, tanto el nitrgeno como los xidos de carbono que
componen el aire son inertes en este sistema de reaccin, sin embargo no se puede utilizar el
aire atmosfrico directamente como alimentacin al reactor, debido a que contiene partculas
en suspensin que podran perjudicar enormemente al catalizador. En la unidad de
compresin se filtra tanto el aire que ingresa al compresor como el que sale del mismo (debido
a que existe la posibilidad de que el gas se contamine con lubricantes propios del equipo), y se
elimina todo vestigio de humedad que pueda condensar y daar al compresor.
Recuperar o Reciclar Subproductos Reversibles?
No hay reacciones reversibles.
Debemos Emplear Reciclo Gaseoso + Purga?
La recomendacin de Douglas es emplear un reciclo gaseoso y purga para los reactivos
livianos, aquellos cuyos puntos de ebullicin sean menores al del propileno, -48 C (esos
compuestos no podrn ser condensados con agua de enfriamiento an a presiones elevadas).
En nuestro caso tenemos reactivos livianos, por lo que, en principio, habr que considerar la
posibilidad de emplear un reciclo gaseoso y purga.
Debemos Recuperar y Reciclar Todos los Reactivos?
Nuestro reactivo liviano es aire en exceso, demasiado econmico como para que se justifique
la implementacin de un reciclo.
Por otra parte, el reactivo valioso, el n-butano, se alimenta muy diluido; la concentracin de n-
butano a la salida del reactor es an ms baja. La decisin de instalar un reciclo lquido -
siguiendo el criterio de Douglas- no es tan inmediata, por lo que, a priori, decidimos destinar el
excedente de n-butano a un sistema incinerador (antorcha o aprovechamiento como
combustible). Reconocemos que la decisin no es definitiva, puesto que, como cualquier otra,
debe estar sustentada por un anlisis econmico del proceso global, anlisis que todava no
puede hacerse.
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
4
Cuntas Corrientes de Producto Habr?
En esta etapa no consideramos otros suproductos ms que aquellos involucrados en el sistema
de reaccin propuesto. Sin embargo, en el proceso de separacin pueden formarse sustancias
indeseadas, como cido maleico, cido fumrico, cido actico, aldehdos varios, butadienos,
butenos, etc
Compuesto Pto. de Eb (C) Destino
Nitrgeno -195 venteo/fuel gas
Monxido de Carbono -192 venteo/fuel gas
Oxgeno -183 venteo/fuel gas
Dixido de Carbono -57 venteo/fuel gas
n-butano -0.5 venteo/fuel gas
Agua 100 residuo
Anhdrido maleico 202 producto principal
Representacin de la estructura de Entrada Salida
aire
n-butano
venteo/fuel gas
Residuos
anhdrido maleico
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
5
Decisiones sobre la estructura de reciclo
Nuevamente seguimos el anlisis de Douglas:
Cuntos reactores se requieren? Existen separaciones entre los diferentes sistemas de
reactores?
De acuerdo al anlisis realizado en la preentrega, se requieren 4 reactores en serie, sin
separacin de corrientes entre ellos. Las condiciones seleccionadas en ese momento para el
sistema fueron:
Operacin adiabtica
Cuntas corrientes de reciclo se requieren?
Como mencionamos anteriormente, no consideramos en esta etapa la posibilidad de
implementar un reciclo.
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
6
Es conveniente emplear exceso de algn reactivo en la alimentacin del reactor?
El oxgeno se alimenta en exceso, fundamentalmente para evitar operar en zonas de
explosividad. El n-butano se alimenta a su vez en exceso respecto de la cantidad
estequiomtrica requerida, porque existen otras reacciones que ocurren simultneamente
adems de la inters, y la selectividad no es del 100%.
Cmo debe ser operado trmicamente el reactor?
Cada reactor ser operado adiabticamente con enfriamientos intermedios para evitar que la
temperatura se dispare fuera de los lmites establecidos en la preentrega.
Reconocemos que utilizar un reactor multitubular en una operacin adiabtica es muy
complicado, pero en dicha etapa del trabajo se busc evaluar la sensibilidad del tamao del
reactor respecto de las principales variables operativas, no dimensionar en detalle un reactor.
Tampoco es el objeto de este trabajo, por lo que por el momento se mantendrn como base
del diseo las condiciones de operacin seleccionadas con anterioridad.
Se desea cambiar la conversin de equilibrio? Cmo?
No existen reacciones reversibles, no hay equilibrios involucrados.
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
7
Decisiones adoptadas acerca del sistema de separacin
Estructura bsica del sistema de separacin
Nociones de la qumica del anhdrido maleico en soluciones acuosas
En fase lquida, el anhdrido maleico puede ser hidrolizado para dar dos ismeros geomtricos,
el cido maleico (cis) y el cido fumrico (trans).
En agua a altas temperaturas predomina la formacin del ismero trans, que es ms estable
(menos soluble en agua). A temperaturas ms bajas, la hidrlisis ocurre en favor del ismero
cis principalmente.
A continuacin se detallan las propiedades ms relevantes:
cido maleico cido fumrico
Condiciones de formacin cis, agua fra trans, agua caliente
Estructura
Punto de ebullicin 144 C 282 C
Solubilidad en agua a 25 C 44.1 g/100 ml 0.7 g/100 ml
aire
n-butano
venteo/antorcha
residuos
anhdrido maleico
Sistema de
recuperacin de vapor
Separador de
fases
Sistema de
reactores
Sistema de
recuperacin de lquido
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
8
La formacin de cido fumrico es particularmente indeseable debido a su insolubilidad, por lo
que puede bloquear caeras o equipos. Por su parte, el cido maleico puede ser deshidratado
para regenerar el anhdrido.
Separacin de fases a la salida del reactor
Como primera medida, es necesario generar dos fases a partir del efluente del reactor. Para
ello se utiliza un condensador parcial, consistente en uno o varios intercambiadores de calor
que enfran el efluente, y un tanque flash para posibilitar la separacin de fases.
Esta seccin se simul en HYSYS. Como datos de entrada se utilizaron los flujos molares
correspondientes al efluente del sistema de reaccin seleccionado en la preentrega.
Consideramos prioritario recuperar la mayor cantidad de anhdrido maleico en la corriente
lquida minimizando la cantidad de agua en el condensado.
Modelo utilizado
Debido a la polaridad del MAN, principal componente que se desea condensar, se selecciona
un modelo basado en datos de coeficientes de actividad UNIQUAC para la fase lquida.
La fase vapor se modeliza segn la ecuacin de estado de Redlich-Kwong.
Esquema del flash (HYSYS)
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
9
Resultados
El modelo predice la condensacin de pequeas fracciones de agua; en la prctica se puede
considerar que el vapor de agua no condensa en las cantidades a las cuales est presente en la
corriente efluente del reactor. Aun as, debera minimizarse el tiempo de residencia del
condensado en el tanque, para evitar la absorcin de humedad por parte del ahdrido maleico
crudo.
La cantidad de anhdrido maleico condensado se muestra en la siguiente figura. Para
temperaturas mayores a 100 C, la corriente de condensado es mnima. No se ensayaron
temperaturas menores a 60 C, para evitar una excesiva proximidad al punto de fusin del
anhdrido.
Se observa que la cantidad de anhdrido maleico condensado aumenta conforme disminuye la
temperatura. En una primera aproximacin, se elige operar con la menor temperatura
considerada, 60 C.
Por otra parte, la recuperacin del anhdrido aumenta cada vez menos conforme aumenta la
presin. Como compromiso, se decide operar a 250 kPa. Esto tambin da un margen para las
cadas de presin asociadas a todos los equipos desde el ingreso al reactor hasta el tanque
flash.
Sistema de recuperacin gaseoso
El anhdrido maleico que remanente en la corriente de gas puede recuperarse mediante
absorcin con agua fra como solvente. Debido a que es extremadamente soluble en agua, no
se comete mayor error en suponer en esta instancia que este compuesto no se pierde en el
efluente gaseoso.
0
1
2
3
4
5
6
60 65 70 75 80 85 90
Kmol/h
T C
Anhdrido maleico condensado
350 kPa
300 kPa
250 kPa
200 kPa
150 kPa
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
10
El efluente gaseoso contendr principalmente todo el nitrgeno alimentado al reactor, el
exceso de oxgeno, dixido de carbono, monxido de carbono, y el n-butano que no ha
reaccionado.
Esta corriente debe ser tratada antes de ser venteada a la atmsfera para cumplir con la
legislacin medioambiental local. El n-butano eventualmente puede ser utilizado como
combustible en otro proceso, o ser quemado directamente en antorcha.
Por otra parte, como los dems componentes de la corriente gaseosa son muy voltiles
podemos suponer que no estarn presentes en el efluente lquido del absorbedor.
En definitiva, en condiciones ideales, el anhdrido maleico se absorber en agua para dar una
solucin relativamente diluida de cido maleico, cuyo destino ser el sistema de recuperacin
de lquido.
Sistema de recuperacin de lquido
En este sistema tenemos 2 corrientes lquidas a tratar:
El efluente del absorbedor, solucin acuosa de cido maleico
El efluente del flash, anhdrido maleico crudo
absorbedor
venteo/fuel gas
agua
(solvente)
fase
vapor
solucin acuosa de cido
maleico, al sistema de
recuperacin lquida
tratamiento
del gas
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
11
Efluente del absorbedor
Esta solucin puede concentrarse para luego deshidratar el cido y regenerar el anhdrido.
Como primera medida antes de analizar la separacin se estudia el comportamiento de la
mezcla binaria con HYSYS.
Nuevamente se utiliz el modelo UNIQUAC debido a la polaridad de ambos compuestos. Los
datos se exportaron a Excel para confeccionar grficos con mayor claridad.
130
135
140
145
150
155
160
165
170
175
180
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
T C
Fraccin molar cido maleico
Sistema cido maleico - agua 400 kPa
143,3
143,35
143,4
143,45
143,5
143,55
143,6
143,65
143,7
143,75
143,8
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04
T C
Fraccin molar cido maleico
Sistema cido maleico - agua 400 kPa
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
12
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
T C
Fraccin molar cido maleico
Sistema cido maleico - agua 50 kPa
120
120,2
120,4
120,6
120,8
121
121,2
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04
T C
Fraccin molar cido maleico
Sistema cido maleico - agua 200 kPa
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
13
Se observa la presencia de un azetropo de mnima en el rango de presiones considerado
hasta este momento. El azetropo se hace ms visible a presiones elevadas; conforme la
presin disminuye, las fracciones molares de cido maleico a las que se produce son menores.
Sin embargo las curvas tienen pendientes muy similares en esa regin, por lo que no se tiene la
certeza de que el azetropo desaparezca a presiones reducidas, y, de ser necesario romper el
azetropo, no se considera viable hacerlo cambiando la presin. Alternativas para lograr la
separacin son la destilacin extractiva o la destilacin azeotrpica.
De todas maneras y en la medida de lo posible, no debe perderse el punto de vista global del
proceso, con lo cual cabe preguntarse si realmente es necesario implementar un sistema de
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
130
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
T C
Fraccin molar cido maleico
Sistema cido maleico - agua 50 kPa
81
81,5
82
82,5
83
83,5
84
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04
T C
Fraccin molar cido maleico
Sistema cido maleico - agua 50 kPa
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
14
recuperacin orientado a evitar las dificultades asociadas a la presencia del azetropo, siendo
que ste ocurre en un intervalo de concentraciones muy bajas de cido maleico.
Es decir, el rango de concentraciones de la solucin de cido maleico que permite obtener
cido maleico lo ms puro posible por un lado, y una solucin acuosa diluida en el cido con
concentracin del azetropo es aparentemente lo suficientemente amplio en varias
condiciones de presin y temperaturas como para que una separacin convencional sea
factible. Esquemticamente:
Como se dijo anteriormente, el cido maleico puede deshidratarse para regenerar el anhdrido
en una columna de destilacin convencional:
cido maleico
solucin
acuosa diluida
cido maleico,
composicin
azeotrpica
solucin
acuosa de
cido maleico,
efluente del
absorbedor
anhdrido
maleico crudo
vapor de agua
cido maleico
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
15
En resumen, la secuencia de separacin propuesta es:
Efluente del flash
El anhdrido maleico que proviene del flash debe ser refinado para alcanzar la especificacin
requerida (no puede utilizarse el flash como equipo de separacin definitivo, hay pocos
parmetros para controlar frente a cambios de cualquier tipo, adems que puede
contaminarse con impurezas de muchos tipos).
Este proceso se puede realizar en una columna de destilacin, en condiciones apropiadas para
minimizar la prdida del producto.
anhdrido
maleico en
especificacin
impurezas
anhdrido
maleico crudo
cido maleico
solucin acuosa
diluida cido
maleico,
composicin
azeotrpica
solucin acuosa
de cido
maleico, efluente
del absorbedor
anhdrido
maleico crudo
vapor de agua impurezas
anhdrido
maleico en
especificacin
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
16
Cierre aproximado de los balances de masa y energa
En la preentrega de calcularon los balances para el sistema de reaccin en las condiciones
seleccionadas. Se reproducen aqu dichos resultados, que sirven de base a los dems.
Las consideraciones ms importantes que se realizan son:
Los balances se realizan considerando todas las separaciones ideales, incluyendo la
separacin en el tanque flash. Esto quiere decir que se considera que en cada etapa, la
eficiencia de separacin es del 100 %.
No se consideran las prdidas de carga dentro de los equipos
Balance de masa global
Entrada al reactor 1
Salida del reactor 4
Venteo/Fuel Gas
Residuo Producto
Caudal molar total kmol/h 951,85 979,49 944,63 29,77 5,101
Presin, kPa 400 400 250 250 250
Temperatura, K 613 693
Cp mezcla, kJ/mol K 7,572 8,191
Caudal molar de n-butano, kmol/h
9 2,03 2,03 0 0
Caudal molar de oxgeno, kmol/h
198 169,84 169,84 0 0
Caudal molar de nitrgeno, kmol/h
744,86 744,86 744,86 0 0
Caudal molar de CO, kmol/h 0 13,95 13,95 0 0
Caudal molar de CO2, kmol/h 0 13,95 13,95 0 0
Caudal molar de agua, kmol/h
0 29,77 0 29,77 0
Caudal molar de anhdrido maleico, kmol/h
0 5,102 0 0 5,101
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
17
Balances de energa en el sistema de reaccin y flash
Salida
Reactor 1
Entrada Reactor
2
Salida Reactor
2
Entrada Reactor
3
Salida Reactor
3
Entrada Reactor
4
Salida Reactor
4
Salida Condensador
Caudal molar total, kmol/h
958,79 958,79 965,79 965,79 972,77 972,77 979,49 979,49
Presin, kPa 400 400 400 400 400 400 400 250
Temperatura, K
693 613 693 613 693 613 693 333
Cp mezcla, kJ/mol K
7,680 7,680 7,789 7,789 7,894 7,894 8,191 8,191
Calor a remover, kJ/h
y kW 589081/0,164 601803/0,167 614323/0,171 2888281/0,802
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
18
Anlisis preliminar de costos
Se puede hacer una nueva estimacin del potencial econmico considerando el costo de
los reactores y compresores. Estos equipos son los que hasta el momento podemos
dimensionar aunque sea de manera aproximada, y tienen peso a la hora de considerar el
costo total de la planta.
Anualizando los costos,
( )
En donde, segn Duthrie,
y
( ) ( )
El ndice de actualizacin de Marshall&Swift para el ao 2010 es 1457,4.
Reactor
No se considera el costo del catalizador, puesto que todava no se dispone de informacin
acerca del catalizador utilizado en la determinacin de las cinticas de reaccin.
De todos modos, utilizando la correlacin de Duthrie, con un volumen aproximado de cada
reactor de
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
19
Compresor
El compresor de aire es el de mayor peso en los costos (procesa caudales mucho mayores
que el de n-butano). Una simulacin de un compresor centrfugo en HYSYS proporciona:
Introduciendo el Bhp obtenido en la correlacin de Duthrie (Fc = 1 porque P
-
Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado
20
Cabe destacar que los clculos anteriores sirven a los efectos de dar una nocin de los rdenes
de magnitud de los costos. Del reactor se tiene poca informacin, y tampoco se han tenido en
cuenta los equipos asociados al sistema de separacin, los costos de los servicios, operacin,
mano de obra, etc.