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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA

OBTENCION DE BUTILGLICOL: NIVEL 0 Y 1

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

NIVEL 0: INFORMACION DE ENTRADA: 1- INFORMACIÓN BÁSICA: 1.1.

Información de las Reacciones y condiciones de operación:

a) Estequiometria de las Reacciones: → → 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 HZSM-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

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

1.4.

;

99%

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 0

liq (KJ/mol)

S0 liq (J/mol.K) 0

liq (KJ/mol)

Cp0 liq (J/mol.K)

-187,9035 109,69416 -120,4961 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

117,8

H0 liq (KJ/mol)

43.98

0

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

1.5. 

H0 liq (KJ/mol)

-508,21

G0 liq (KJ/mol)

-264,838

Cp0 liq (J/mol.K)

234,042

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 Peróxido de Hidrógeno Oxido de Etileno

340°C

790 mg/kg (oral) 4060 mg/kh (dermal)

Butilglicol Agua

230°C

470 mg/kg (oral)

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: ∑ ∑

Entalpía estándar de la Rxn)

(Calor estándar de la Rxn)

(1)

(2)

Cambio de Entalpía a diferentes temperaturas: ∑∫

(3) (4) (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: 0

0

k2  G(T)

a. Para la reacción de Epoxidación: 0

-

0

estándar (líquidos)

Siendo: E = Etileno P= Peróxido de Hidrógeno O.E= Oxido de Etileno A = Agua B = Butanol

B.G. = Butilglicol (

)

Lo que indica que la reacción de Epoxidación es muy exotérmica (

)

Lo que indica que la reacción de Epoxidación es Espontanea Calculando: H0 y G0 a diferentes temperaturas: Comp. E P A O.E. B B.G.

a 3,144364 89,17384 18,2964 7,41253 -5,1037x10-1 234,042

b 1,0842 0 0,472118 7,4268x10-1 1,44697 0

c -7,136x10-3 0 7,39387x10-3 2,7132x10-3 -3 0

d 1,65631x10-5 0 1,3142x10-6 3,9009x10-6 4,28849x10-6 0

a = -66,91349; b = 0,130665; c = 5,76158x10-3; d = -1.134798x10-5 ∫ ∫

T

Calculando 200 250 -251.86

-245.64

T 200 250

300

350

400

450

500

550

600

-237.24

-227.567

-218

-210.13

-206.3

-209.04

-221.4

-251860 -245640

2.666885x1080 1.859737x1063

-3.07994 -3.124

300 350 400 450 500 550 600

0

0

3.1545x1058 1.7153x1052 3.4346x1047 7.6125x1043 9.0792x1040 7.6822x1033 3.74x1036

-237240 -227597 -218000 -210130 -206300 -209040 -221400

E 43,98 78,5798

P

O.E -95,7

187,9035 -140 120,4961

-3.3598 -3.5 -3.64022 -3.7804 -3.9206 -3.568 -4.201

A -283.83

B -328

B.G. -508.21

-237.34

-162,15

-264,838

b.- Para la Reacción de Alcoxidación:

Calculo de

a diferentes Temperaturas.

∫ ∫

Calculando T 200 250 300 350 400 450 500

H(T) x105 -0,81058 -0,82294 -0.84624 -0.88087 -0.93031 -1,0011 -1,10285

K2 2,18925 1,406x10-4 1,903x10-7 1,914x10-3 1,6603x10-11 2,826x10-12 3,704x10-15

1303 18437 3898,5 58739,85 82530,2 10808,6 138141,17

550 600

2,2575x10-17 3,6223x10-20

-1,24824 -1,45303

175278,52 223314,45

GRAFICOS 0 0

100

200

300

400

500

600

700

-50000

AH(T)

-100000 Rx1

-150000

Rx2 -200000 -250000 -300000

T

300000 200000

AG(T)

100000 0 -100000 0

100

200

300

400

-200000

600

700

Rx1 Rx2

-300000 -400000 -500000

500

T

200

150

LN(K)

100 Rx1 Rx2

50

0 0

0.001

0.002

-50

0.003

0.004

0.005

0.006

1/T

NIVEL 2. 2.1 DECISONES PARA LA ESTRUCTURA DE ENTRA Y SALIDA AGUA

nA1= 55,863

REACTOR BUTIGLICOL

ETANOL =178,10BUTA PEROXIDO NOL

PROCESO

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



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 P

COMPUESTOS Peróxido Agua caliente en Peróxido

E

Etileno

M

Metano contenido en Etileno

B

Butanol Agua contenida en Butanol

OE

Oxido de Etileno

BG

Butilglicol

A

Agua producida

2.1.3.: REACCIONES A REALIZAR

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

Oxietileno

10 °C

Sub- prod (reciclo)

butanol

117 °C

purga

butiglicol

171 °C

Prod -primario

OE B BG

Nueva estructura de entrada y salida

2.2. VARIABLES DE DISEÑO (conversión de la primera rx.) (conversión de la segunda rx.) (composición molar de peróxido alimentado) (composición molar del etanol alimentado) (composición molar de butanol alimentado) 2.2.1.BALANCE ESTEQUIOMETRICOS:

a) Balance del proceso: a.1) Balance en el primer reactor: Para la producción de 105,256 lb mol/h de BUTILGLICOL A partir de:

Donde: : moles de butilglicol : moles de peróxido Encontramos de (1):

lb mol PEROXIDO/h

Determinación de componentes a la entrada del 1er reactor: (

)

( (

( )

) )

( (

lb mol AGUA/h ) )

lb mol Etileno/h lb mol METANO/h

Balance del peróxido:

Alimentacion = Reaccion + Salida

Balance para el Agua:

Balance para el Etileno:

Balance para el Metano:

Balance para el Oxido de Etileno:

Peróxido Agua

np= 130,348 nA= 55,865

np= 6,5174 nA= 1,5903 nE= 6,5174 nM= 7,586 nOE= 123,83

REACTOR 1 Etileno Metano

NE= 130,348 NM= 7,586

A

FT= 324,145

FT= 146,0411

a.2. Balance en el 2do Reactor: * Para la alimentación:

* Para la alimentación: (

)

(

)

Peróxido Agua Etileno Metano Oxido de Etileno

Balance para el Oxido de Etileno: Salida = Alimentacio- Reacciona

Balance para el Butanol:

Balance en el Reactor 2:

F= 146,0411

REACTOR 2 NB= 107,24 NA2= 2.64

NA2= 3,045

np= 6,5174 nA= 1,5903 nE= 6,5174 nM= 7,586 nOE= 18,5748 nB= 1.98 nBG= 105,26

Peróxido Agua Etileno Metano Oxido de Etileno Butanol ButilGlicol