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 O(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 -237.24 -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) x105 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 = Alimentacio- 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: