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8 de febrero de 2017

DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO ASIGNATURA 50947: ANÁLISIS Y DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS

CARLOS JAVIER PIZARRO ARANZAES SERGIO HERNÁNDEZ FRAGIEL

Resumen El anhídrido ftálico es un intermedio versátil en química orgánica, en parte porque es bifuncional y barato. Representa una gran importancia en la industria, debido a que, a partir de éste, se pueden obtener diferentes productos de variado uso como puede ser: ftalatos plastificantes, resinas, poliésteres, colorantes, pinturas, tintas, plastificantes, estabilizantes y diversos productos químicos. Puesto que la utilidad de este producto resulta muy variada y su consumo ha aumentado en los últimos años con la elaboración de este trabajo se pretende diseñar una planta del proceso químico que da como resultado el anhídrido ftálico de la forma más económica y con la configuración que más riqueza le confiera al producto terminado.

I

ÍNDICE Capítulo 1 Información básica ....................................................................................................... 1 1.1 Historia y antecedentes....................................................................................................... 1 1.1.1 Generalidades .............................................................................................................. 1 1.1.2 Propiedades físico-químicas ......................................................................................... 1 1.1.3 Fuentes y materiales bases de producción .................................................................. 3 1.1.4 Usos y aplicaciones ....................................................................................................... 3 1.2 Estudio de mercado ............................................................................................................ 4 1.2.1 Resumen ....................................................................................................................... 4 1.2.2 Introducción ................................................................................................................. 4 1.2.3 Escenario nacional ........................................................................................................ 9 1.2.4 Mercado mundial ......................................................................................................... 4 1.2.5 Comentarios al análisis de mercado .......................................................................... 10 1.2.6 Conclusiones............................................................................................................... 13 1.3 Planteamiento del problema ............................................... ¡Error! Marcador no definido. 1.4 Objetivos ........................................................................................................................... 16 Capítulo 2 Selección y descripción del proceso .......................................................................... 17 2.1 Subtítulo ............................................................................................................................ 17 2.2 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.3 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2.4 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Capítulo 3 Balances de masa y energía ......................................................................................... 3 3.1 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.2 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.3 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 3.4 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Capítulo 4 Diseño de equipos...................................................................................................... 18 4.1 Subtítulo ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. 4.2 Subtítulo ............................................................................................................................ 25 4.3 Subtítulo ............................................................................................................................ 26 4.4 Subtítulo ............................................................................................................................ 27 Capítulo 5 Análisis de riesgos ...................................................................................................... 28 5.1 Subtítulo ............................................................................................................................ 29

II 5.2 Subtítulo ............................................................................................................................ 30 5.3 Subtítulo ............................................................................................................................ 31 5.4 Subtítulo ............................................................................................................................ 32 Capítulo 6 Distribución en planta ................................................................................................ 33 6.1 Subtítulo ............................................................................................................................ 34 6.2 Subtítulo ............................................................................................................................ 35 6.3 Subtítulo ............................................................................................................................ 36 6.4 Subtítulo ............................................................................................................................ 37 Capítulo 7 Estudio económico..................................................................................................... 38 7.1 Subtítulo ............................................................................................................................ 39 7.2 Subtítulo ............................................................................................................................ 40 7.3 Subtítulo ............................................................................................................................ 41 7.4 Subtítulo ............................................................................................................................ 42 Capítulo 8 Referencias bibliográficas .......................................................................................... 43 8.1 Subtítulo ............................................................................................................................ 44 8.2 Subtítulo ............................................................................................................................ 45 8.3 Subtítulo ............................................................................................................................ 46 8.4 Subtítulo ............................................................................................................................ 47 Capítulo 9 Bibliografía ................................................................................................................. 48

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Capítulo 1 Información básica 1.1 Historia y antecedentes 1.1.1 Generalidades El anhídrido ftálico, cuya nomenclatura química es isobenzofuran-1,3- diona, es el compuesto orgánico de fórmula 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂)2 𝑂. Ha sido producido comercialmente desde 1872 cuando la compañía química BASF desarrolló el proceso de oxidación del naftaleno. Los derivados más importantes del anhídrido ftálico son los plastificantes y, en menor medida, las resinas de poliéster y los tintes. Unos 60 años después de su descubrimiento en 1836 por Auguste Laurent, un proceso comercial más efectivo fue introducido para su producción, el cual estaba basado en la oxidación en fase líquida del naftaleno con catalizador de mercurio. El logro que lideró la producción a comercial de un producto de calidad fue el desarrollo de la oxidación en fase gaseosa del naftaleno o del orto-xileno en una corriente de aire con óxido de vanadio como catalizador.

1.1.2 Propiedades físico-químicas El anhídrido ftálico forma agujas o plaquetas coloreadas, deforma de rombo cristalino. A continuación, en la tabla 1 se muestran las características más representativas del compuesto. Tabla 1. Características del anhídrido ftálico

Densidad en estado sólido (4℃) Densidad de vapor específica (1013 mbar) Temperatura de fusión Temperatura de evaporación (1013 mbar) Calor de fusión Calor de combustión Calor de formación desde naftaleno Calor de formación desde o-xileno Calor de sublimación Calor de evaporación Temperatura de inflamabilidad Temperatura de ignición Límite superior de inflamabilidad (1013 mbar) Límite inferior de inflamabilidad (1013 mbar) Límite inferior de explosión La densidad del anhídrido ftálico líquido en el rango calculada utilizando la siguiente ecuación:

1.527 g/cm3 6.61 kg/m3 131.6 ℃ 295.1 ℃ 159.1 J/g 22 160.7 J/g 10 058 J/g 8 625 J/g 601 J/g 441.7 J/g 152 ℃ 580 ℃ 10.5 vol. % 1.7 vol % 25 g/m3 de 140 − 240 ℃ puede ser

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 𝜌 (𝑘𝑔⁄𝑚3 ) = 1321.55 − 0.6697 (𝑡/℃) − 0.000905 (𝑡/℃)2 Los datos recogidos de peligrosidad de explosión del anhídrido ftálico en el aire varían significativamente. Las explosiones pueden ocurrir con concentraciones inferiores a los 100 𝑔⁄𝑚3 , dependiendo de las impurezas presentes. Incidentes recientes en plantas de producción indican que concentraciones de anhídrido ftálico que superan los 35 𝑔⁄𝑚3 en el gas producido son capaces de combustionarse si la sal transmisora de calor entra en el reactor debido a la rotura de los tubos del reactor. Como anhídrido cíclico, el anhídrido ftálico es un compuesto reactivo, pero, además el anillo aromático estable que contiene también es capaz de reaccionar. Las reacciones de anhídrido ftálico más importantes, desde el punto de vista comercial, se pueden resumir a continuación. La más importante es la reacción con alcoholes o dioles para obtener ésteres o poliésteres. Las resinas de poliéster insaturado se obtienen por policondensación en presencia de anhídrido maleico o de ácido fumárico. Uno o ambos grupos carboxilo pueden reaccionar con amoniaco para dar monoamida ftálica, ftalimida o ftalonitrilo.

Figura 1. Obtención de monoamida ftálica, ftalimida y ftalonitrilo.

Algunos de los tintes de ftaleína y rodamina, se han producido durante más de 100 años y aún hoy en día no han perdido su importancia, son obtenidos por la reacción del anhídrido ftálico con fenoles, aminofenoles o derivados de la quinaldina. Las reacciones de Friedel-Crafts de anhídrido ftálico con derivados del benceno seguido por el cierre del anillo para formar derivados de antraquinona siendo de importancia para llegar a los colorantes de Indantreno. Se ha dedicado especial atención al reordenamiento del ftalato dipotásico para producir ácido tereftálico, pero debido a problemas técnicos el proceso no ha sido muy usado. 3,5-Ácido Dihidroftálico puede ser producido por hidrogenación electroquímica del anhídrido ftálico. Hidrogenación con un catalizador de niquel produce ftalida.

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1.1.3 Fuentes y materiales bases de producción En la década de 1960 se produjo un cambio fundamental en el material crudo empleado para producir el anhídrido ftálico. Desde 1960 hasta 1975 la producción exclusiva a partir del naftaleno de alquitrán de hulla (carbón) fue sustituida en un 75 % por el o-xileno. En 1991, el 85 % de anhídrido ftálico era producido a partir de o-xileno. La naftalina derivada del petróleo, la cual es producida principalmente en Estados Unidos, no ha ganado importancia como material base para la producción de anhídrido ftálico. La transición a o-xileno como materia prima era inevitable, debido a que las cantidades de naftaleno derivado del carbón depende de la producción de coque, y ésta era incapaz de mantener el ritmo de la demanda de naftaleno. Por otro lado, el naftaleno es un producto secundario de la producción de coque el cual podría comercializarse; por lo tanto, el proceso de obtención de anhídrido ftálico continuará utilizando naftaleno en el futuro como materia prima. El o-xileno, el cual puede fácilmente ser separado de la mezcla de xilenos los cuales contiene aproximadamente un tercio de o-xileno y dos tercios de p-xileno, está actualmente disponible en cantidades adecuadas en plantas de cracking y refinerías. Sin embargo, en el pasado, variaciones en la demanda de p-xileno han afectado a menudo la disponibilidad y precio del oxileno. Estos hechos y la necesidad de ser capaz de reaccionar antes la variación de los precios de la materia prima han dado como resultado el diseño de plantas químicas que son capaces de procesar tanto el o-xileno como la naftalina, o mezclas de ambos, con catalizadores hechos a medida.

1.1.4 Usos y aplicaciones La aplicación más importante del anhídrido ftálico es la producción de plastificantes. Los principales usos del anhídrido ftálico son los siguientes: Tabla 2. Usos y aplicaciones del compuesto.

Plastificantes (especialmente para PVC) Resinas de poliésteres insaturados Resinas alquídicas Materia prima para la fabricación de fenoltaleina Otros: Tintes, estabilizantes, pinturas

50 % 14 % 15 % 5% 16 %

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1.2 Estudio de mercado 1.2.1 Resumen El anhídrido ftálico es un compuesto no muy conocido pero muy extendido a nivel mundial, tanto en producción como consumo. Este consumo se entiende como un producto para la fabricación de sus derivados principales, como son los plastificantes, resinas alquídicas y tintes.

1.2.2 Introducción Con el objetivo de establecer la viabilidad económica del proyecto, se ha realizado una búsqueda de información sobre el mercado, tanto nacional como internacional, tanto del anhídrido ftálico como de sus derivados. Se ha analizado la dimensión y la naturaleza de dicho mercado, de sus fluctuaciones y variaciones a lo largo del tiempo, y de las expectativas que genera en un futuro a medio plazo. Esta búsqueda y análisis de la información ha servido para determinar el tamaño potencial del mercado, así como la cantidad y características del compuesto a producir.

1.2.3 Mercado mundial El objetivo del análisis a nivel mundial es obtener y analizar la información del mercado de anhídrido ftálico, tanto su producción como su consumo, para poder delimitar el área idóneo para la construcción de una planta de producción. 1.2.3.1 Tasa de producción y materia prima La tasa de producción de anhídrido ftálico (AF) ha variado desde 1950 hasta la actualidad debido a la fluctuación de la demanda, del coste y de la disponibilidad de la materia prima utilizada para su producción del mismo (o-xileno y naftaleno). La producción mundial en el año 2012 fue de 4 334.4 Kt de anhídrido ftálico y ha ido en aumento durante los últimos años. Principalmente, las materias primas para la fabricación de AF son proporcionadas por las empresas petroquímicas existentes en el mercado. Por ello, son las mismas petroquímicas las que elaboran el anhídrido ftálico y lo comercializan en su forma de producto final al servicio del consumidor. Entre las principales empresas dedicadas a la producción y comercialización, se encuentran la petrolera estadounidense EXXON MOBIL CORPORATION y la empresa química internacional de origen alemán BASF SE. Como empresas fabricadoras de anhídrido ftálicos se encuentran UPC Technology Corporation, Aekyung Petrochemical Co. Ltd. y Polynt SPA.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 1.2.3.2 Ingresos Generados Los ingresos generados por el mercado mundial de anhídrido ftálico fueron de 6.114 millones de euros en 2012, con una previsión de crecimiento positivo a 9 mil millones de euros hasta 2019, con una tasa de crecimiento anual del 5,8% entre el 2013 y el 2015. Los precios individuales de AF a finales de 2005 ascendieron alrededor de 801 a 850 € por tonelada en los EE.UU. y en Europa, y en Asia de 800 a 810 €/ton.

Mercado Mundial AF 2012-2019 7000

14000

6000

12000

5000

10000

4334,4

4000

8000

3000

6000

6114

2000

4000

1000

2000

0

0 2011

2012

2013

2014

2015

Producción (Kilo Toneladas)

2016

2017

2018

2018

Ingresos (€)

Gráfico 1. Mercado mundial AF 2012 - 2019

1.2.3.3 Consumo La automoción, la construcción, el transporte terrestre y marino son los principales usuarios finales de anhídrido ftálico. Las empresas automovilísticas y la construcción dominaron el consumo mundial de anhídrido ftálico el pasado año 2016. El aumento en el consumo de cloruro de polivinilo (PVC) en la industria del automóvil y de la construcción está impulsando la demanda de plastificantes de ftalato, que está impulsando el crecimiento de este mercado a nivel mundial. Sin embargo, el mercado de resina alquídica es la aplicación más atractiva en el mercado anhídrido ftálico debido a las fuertes perspectivas de crecimiento. Los plastificantes de ftalato es el producto que más acapara el mercado del anhídrido ftálico, seguido por las resinas de poliéster insaturado y resinas alquídicas. Hablando de números, los plastificantes de ftalato acapararon el consumo de anhídrido ftálico representando un 53% del consumo total en 2014, siendo el principal consumidor Asia (principalmente China), consumiendo un total del 61%, seguido de Europa Occidental. El segundo mercado más grande de anhídrido ftálico es para la fabricación de resinas alquídicas, que representó aproximadamente el 21% de todo el anhídrido ftálico que se

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 consumió en 2014. Una vez más, Asia es el mayor consumidor de anhídrido ftálico para esta aplicación, que representa alrededor del 67% de consumo. A continuación, se muestra un gráfico que contiene el consumo a nivel mundial de anhídrido ftálico (englobando sus principales aplicaciones) en 2014:

CONSUMO DE ANHÍDRIDO FTÁLICO EN 2014 CHINA

1%

5%

4%

3% 2%

EUROPA DEL ESTE

1%

INDIA EEUU

28%

6%

SUDESTE ASIÁTICO

6%

TAIWAN

8%

COREA DEL SUR

19%

8%

SUDAMÉRICA

9%

JAPON CENTRO EUROPA ESTADOS DEL BALTICO AFRICA

Gráfico 2. Consumo de anhídrido ftálico en 2014

1.2.3.4 Producción Como se comentó anteriormente, la capacidad de producción mundial de anhídrido ftálico es de aproximadamente 4 334 kilo toneladas al año. Más de la mitad de la producción (53%) se concentra en la región de Asia (China, Corea, Japón, India y Taiwán. Por detrás se encuentran Europa Occidental (16%) y América del Norte (14%). A continuación, en la tabla 4, se muestra a modo de resumen los principales productores agrupados por región. Tabla 3. Capacidad de Producción de anhídrido Ftálico por región.

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDIDO FTÁLICO POR REGIÓN Región

Fabricante

Producción anual (miles de toneladas)

LANXESS

85

BASF

110

Bélgica

ProvironFtal

100

España

CEPSA

30

Francia Rusia

Arkema Omsk Chemical

90 40

Localización Alemania

Europa

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A. Del Norte América

A. Del Sur

China Corea

India Asia-Pacífico Japón Taiwán

Uralkhimprom Stepan Millsdale Sunuco Pasadena

75 108 130

ExxonMobil Chemical

145

Argentina Venezuela Brasil China DC Petrochemical Pohang Aekyung Petrochemical Ulsan Thirumalai Chemicals Ltd. Tamil Nadu IG Petrochemicals Maharashtra Japan Phtalic Mizushima Kawasaki Kasei Kawasaki Nan Ya Plastics Mailaiao Taiwán Oil Hsien-Hsi Hsiang

40 46 135 540 155 180 100 120 80 80 100 130

1.2.3.5 España Por último, se muestra a continuación la información sobre el mercado de anhídrido ftálico existente en España. Existe una producción de anhídrido ftálico por parte empresas petroquímicas situadas principalmente en la región de Barcelona, Madrid y en Cádiz. Las empresas más destacas, según sean productoras o distribuidoras de anhídrido ftálico, son las mostradas a continuación en la tabla 5. Tabla 4. Anhídrido ftálico en España.

Anhídrido ftálico en España Empresas productoras Empresas distribuidoras Arkema Química, S. A. (Madrid y Barcelona) Campi y Jové, S. A. Croda Ibérica, S. A. (Barcelona) Distribuciones Felio, S. L. Lonza Ibérica, S. A. (Barcelona) Biltrec, S. A. CEPSA (Cádiz) CEPSA 1.2.3.6 Conclusiones al estudio de mercado a nivel mundial. De las tres grandes regiones en las que se ha hecho el análisis (Europa, América y la región de Asia-Pacífico), se pueden obtener las siguientes conclusiones: 

En América del Sur, la producción se centra en los tres países con las economías más grandes de la región: Argentina, Venezuela y Brasil. El nivel de producción es importante, pero las condiciones socio-económicas presentes, no sólo en estos países, sino en toda la región del sur, con carácter proteccionista en cuanto a los

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





productos producidos en cada uno de los distintos países, hace que la construcción de una planta de producción de anhídrido ftálico y la importación del producto producido al resto de países vecinos sea entorpecida, tanto por las legislaciones vigentes y como por la inestabilidad económica existente en la región. En América del Norte, la producción se centra en Estados Unidos. Allí, las empresas petroquímicas están fuertemente arraigadas en el sector, constituyendo lo que parece ser un oligopolio entre ellas. Además, las mismas empresas productoras de anhídrido ftálico son las que elaboran el producto final, y las que a la vez se encargan de su comercialización. Entrar en un sector en el que las empresas están tan fuertemente arraigadas y la experiencia y la antigüedad fijan un papel importante, hacen que la construcción de una planta química de producción de anhídrido ftálico sea muy arriesgada. En Europa, la economía goza de relativa estabilidad. Por otro lado, la legislación en Europa es mucho más restrictiva que en el resto de regiones. Ello, junto con un nivel relativamente bajo de consumo de anhídrido ftálico, hacen que la construcción de una planta de anhídrido ftálico no sea la mejor opción. Por último, la región de Asia-Pacífico presenta tantas oportunidades como inconvenientes. Dentro de los inconvenientes, se encuentran la poca estabilidad económica que ofrecen ciertos países como China, a pesar de ser ésta última el mayor productor de la región. También destacan las penosas condiciones de los trabajadores en estos países, a pesar de abarcar la mayor área de producción de todo tipo de productos a nivel mundial (ropa, dispositivos electrónicos, automóviles, etc.). Como oportunidades, destaca la flexibilidad en la legislación existente en ciertos países de la región, lo cual daría lugar a una mejor adaptación de las características de los conjuntos de procesos necesarios para la producción de anhídrido ftálico. Otra oportunidad es que la región es el mayor consumidor a nivel mundial de anhídrido ftálico.

Por todas las razones enunciadas anteriormente, de las tres grandes regiones analizadas, se opta por elegir la región Asia-Pacífico para construir la planta de anhídrido ftálico. En los siguientes apartados, se irán analizando las características de las subregiones y acotando el sitio idóneo de construcción de dicha planta.

1.2.4 Escenario regional 1.2.4.1 Análisis del escenario regional. La producción de anhídrido ftálico en la región oeste del océano Pacífico estuvo dominada en el pasado por Japón. En 1995, las plantas japonesas tenían una capacidad de producción de 323 000 toneladas al año con un incremento de la producción del 5 al 10 % por año. Sin embargo, el auge de la economía China en estos últimos años, debido a un proceso de industrialización y apertura del capitalismo de su economía, ha provocado que en dicho país hayan emergido en 20 años de diversas industrias de producción de una gran variedad de químicos, entre los que se encuentra el anhídrido ftálico. En la actualidad, China es el mayor productor de la región, llegando a superar las 540 000 toneladas de producción anual. Una lista

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 de la capacidad de producción de anhídrido ftálico por países en esta región, según su materia prima y nivel de producción, es la mostrada a continuación en la tabla 5. Como se puede observar, todos los productores de la región, excepto las plantas de doble alimentación, situadas en Rhodes y en Mayfield, en Nueva Gales del Sur, utilizan exclusivamente el o-xileno. Las plantas australianas son también las más pequeñas de la región, con una capacidad combinada de producción de 21 500 toneladas por año. Tradicionalmente, el este asiático ha sido un gran importador de anhídrido ftálico. Sin embargo, recientemente han aparecido nuevas plantas de producción y otras nuevas en fase de proyecto que conducen a esta subregión a un autoabastecimiento. Dos grandes plantas de producción, en Taiwán (310 000 toneladas al año) y Corea del Sur (360 000 toneladas al año) llevan en funcionamiento desde 1990, y tienen el potencial de acaparar el mercado con suministros a precios bajos de anhídrido ftálico. Indonesia, el país vecino más cercano a Australia, también posee una planta de producción de anhídrido ftálico. Tabla 5. Plantas de producción de anhídrido ftálico en la región del pacífico oeste.

Localización

Materia prima

Australia Indonesia China Japón Corea del sur Malasia Filipinas Singapur Taiwán

naftaleno o-xileno o-xileno o-xileno o-xileno o-xileno o-xileno o-xileno o-xileno

Producción anual (miles de toneladas) 21.5 30 540 430 360 20 16 30 310

1.2.4.1 Conclusiones al estudio de mercado a nivel regional. Los tres gigantes asiáticos (China, Japón y Corea del Sur) abarcan casi las tres cuartas partes de la producción de la región. Entrar a competir con una nueva planta de producción en estos países no es una posibilidad viable, dado que estas plantas ya disponen de las infraestructuras y de las vías de transporte establecidas, lo cual pone a cualquier nuevo competir en una clara desventaja. Sin embargo, en el sur de la región, Australia es la que mejores oportunidades ofrece para la construcción de la planta. En este país la producción es muy reducida comparada con toda la de la región. Construir una planta de producción de anhídrido ftálico puede ser na alternativa bastante competitiva, debido a que la producción en el país es a partir de naftaleno, cuando los procesos de obtención con o-xileno son los más extendidos y la materia prima se encuentra disponible con mejores precios que el naftaleno. Por otro lado, las vías marítimas con conexiones al resto de consumidores de la región son abundantes, lo que facilita las exportaciones y la comercialización del producto elaborado.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Por ello, es aquí, en Australia, el país elegido para la construcción de la planta de procesado y producción de anhídrido ftálico.

1.2.1 Escenario nacional La producción australiana de anhídrido ftálico se reduce a las plantas de anhídrido ftálico en Nueva Gales del Sur. Sin embargo, existen numerosos comerciantes e importadores de anhídrido ftálico dispersos en los Estados del Este de Australia. Por otro lado, en Australia Occidental, las plantas de Nueva Gales del Sur pueden suministrar anhídrido ftálico bajo pedidos, pero allí no existen instalaciones de producción a nivel local. Las oportunidades de expandir la producción a nivel nacional también son grandes, dado que la producción con o-xileno, que es la pensada en un principio para la nueva planta de producción, es la más extendida, siendo el o-xileno un producto con mayor disponibilidad en el mercado y con mejores precios. También, una producción a nivel local podría atraer a nuevas industrias que utilicen el anhídrido ftálico como materia para sus productos, lo cual, pensando en un escenario más lejano en el tiempo, podría abaratar los costes de transporte si se hiciesen de manera conjunta.

1.2.2 Comentarios al análisis de mercado. 1.2.2.1 Información sobre precios pasados, presentes y futuros. Los precios actuales de producción del anhídrido ftálico permiten una mejoría de éstos en la venta del producto en el mercado. El precio actual del anhídrido ftálico líquido oscila entre 75 y 80 dólares americanos por kilogramo. Estos precios, en el cambio de divisas entre dólares americanos y australianos, se ven afectados en un 5 %. Sin embargo, los precios han variado en un amplio margen estos últimos años. Por ejemplo, en 1987, los precios oscilaban entre los 70 y los 75 dólares americanos; en 1989, los precios subieron hasta estar entre los 88 y los 97 dólares americanos; y en 1994, los precios descendieron nuevamente entre los 70 y los 75 dólares americanos por kilogramo. La reducción reciente en el precio del anhídrido ftálico se debe a la reducción de los costes de operación, principalmente a la bajada en los costes de material prima y en una mejora en la eficiencia en el proceso de transformación. Los precios tienen una fuerte dependencia de las circunstancias económicas, y también en la demanda de los consumidores, debido a que el producto final es predominante en el uso doméstico y en automoción. A pesar de esta variación en los precios y del nivel actual de demanda, existen algunas plantas de producción de anhídrido ftálico a nivel mundial que operan de forma rentable y con beneficios. Con una buena gestión, es posible tener estos mismos buenos resultados con una planta de producción construida en Australia, con capacidad de importar sus productos a los grandes consumidores de la región. 1.2.2.2 Demanda. Existen tres principales mercados para el anhídrido ftálico: plastificantes para plásticos flexibles, como el PVC (policloruro de vinilo) y otras resinas (55 %); poliésteres insaturados para

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 plásticos de fibra reforzada (20 %); y resinas alquídicas para revestimientos con base aceitosa (15 %). La demanda de plastificantes ha permanecido estable debido a su relativo bajo precio, incluso existiendo otros sustitutos mejores y con mayor peso molecular. Los poliésteres insaturados han experimentado un crecimiento en la industria y en su uso en los sectores de la automoción y construcción. Las resinas con base alquídica están siendo sustituidas parcialmente por productos con base en agua. 1.2.2.3 Importaciones y exportaciones en Australia. La mayoría de anhídrido ftálico que es producido internacionalmente es comprado y vendido en el mercado al contado. Los precios están basados en tendencias a corto plazo y pueden variar bruscamente. Por ello, las importaciones y exportaciones pueden variar significativamente de un año a otro. Sin embargo, durante la última década, las importaciones a Australia han estado comprendidas entre las 5000 y las 6000 toneladas al año. Este bajo volumen y el gran número de socios comerciales sugieren que no existe un mercado permanente de importaciones. Hubo un pequeño mercado de exportación de anhídrido ftálico, pero ha desaparecido durante estos años debido al creciente autoabastecimiento en la región asiática. Ha habido cantidades importantes de importaciones de poliésteres y resinas alquídicas durante la última década. 1.2.2.4 Capacidad de la planta. El mercado de importación en la actualidad es débil, no siendo capaz de producir más de 2000 toneladas por año. Sin embargo, existe un potencial para el crecimiento de la producción a nivel local. El mercado de las exportaciones también es débil, y parece tener una pequeña perspectiva de fortalecimiento entre el medio y el largo plazo debido a los nuevos desarrollos tecnológicos de la región. Las instalaciones actuales en Australia son antiguas, y alguna está obsoleta, no siendo capaces de ofrecer competitividad si entran nuevas instalaciones. Por lo tanto, el valor de demanda base se sitúa en torno a las 25 000 toneladas por año. Una segunda opción basada en el desarrollo de los mercados y en un desarrollo favorable de las exportaciones (de 15 000 a 20 000 toneladas al año) es también considerado. 1.2.2.5 Valor del producto y costes de operación. Se han considerado dos tipos de estimación de capital: uno basado en una monografía, escalado por localización e inflación; y otro basado en recientes costes de construcción, escalado por capacidad, localización e inflación. Estimación en base a las construcciones recientes En 1983, se finalizó la construcción de una planta de producción de 60 000 toneladas al año por 4030 millones de yenes, sin incluir en dicho coste la licencia ni los gastos administrativos. Si se estiman unos costes adiciones en un 20 % más del coste de la construcción de la planta, aplicando coeficientes correctores, como los aplicados en el apartado anterior en cuanto al cambio de divisas, situación geográfica y la corrección en el tiempo, una planta de producción de anhídrido ftálico de 30 000 toneladas por año costaría 42.5 millones de dólares australianos.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Costes de operación El coste total de operación para una planta de anhídrido ftálico en 1987 utilizando oxileno como materia prima se estimaba en 46.3 centavos de dólar americano por kilogramo. Los componentes primarios de la estimación son de 33.3 centavos por kilogramo para la materia prima, 1.2 centavos por kilogramo en el uso de las instalaciones, 0.5 centavos por kilogramo en el uso de catalizadores, 4.5 centavos en los costes fijos (salarios de los trabajadores, mantenimiento de las instalaciones, trámites administrativos, impuestos, etc.) y 6.6 centavos por kilogramo en la depreciación de la instalación (10 % de la inversión). Dicha distribución se muestra a continuación en el gráfico 3.

Depreciación 14% Costes fijos 10% Materia prima 72%

Catalizadores 1% Uso instalación 3%

Gráfico 3. Distribución de los costes de operación.

Realizando un ajuste por localización, inflación y fluctuaciones del coste de la materia prima, el coste de producción de una planta en Australia en 2016 se estima en 0.89 dólares australianos por kilogramo producido. Aproximación por el precio de venta El precio final de venta del anhídrido ftálico está determinado por los costes de operación, el coste de capital inicial requerido, costes de transporte y el beneficio marginal. Australia Occidental se encuentra en una localización distante de los mercados potenciales, y lo cual repercute en el precio, tanto del producto final como en los costes de la materia prima empleada en su producción. Unas estimaciones iniciales de estos costos de transporte son de 3 centavos australianos por combustible y de 7 centavos por kilogramo de producto (incluyendo aislamiento y calentadores para el mantenimiento del anhídrido ftálico en fase líquida). El reembolso de los costes de capital depende del tamaño de la planta, pero realizando una pequeña estimación, se puede indicar que están entre los 8 y los 24 centavos por kilogramo, con un 10 % de intereses. Por lo tanto, el precio de mercado oscila entre los 1.10 y 1.20 dólares australianos por kilogramo de anhídrido producido (entre 0.84 y 0.91 dólares americanos por kilogramo).

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Con el actual mercado de precios de anhídrido ftálico oscilando entre 0.85 y 0.90 dólares americanos por kilogramo, existe un pequeño margen de beneficios. Este precio representa el límite superior para las ventas comerciales. Sin ayudas gubernamentales a la compra del producto dentro del área nacional, es posible que los consumidores de anhídrido ftálico de Australia Occidental consideren adquirirla de otras regiones a través de importaciones internacionales. La viabilidad de una planta de anhídrido ftálico depende de otros factores además del cálculo de los costes de producción. El desarrollo de nuevas técnicas de producción y la atracción de nuevas empresas petroquímicas a la región podrían resultar en iniciativas gubernamentales para la ayuda a la compra de producto nacional. La opción más viable es aumentar la viabilidad de la planta incorporando otros procesos secundarios de producción, como la producción de resinas de poliéster. Incluso es posible el apoyo entre dos industrias que utilicen el xileno como base de sus productos; un ejemplo sería una planta de producción de ácido tereftálico el cual se produce a base de p-xileno.

1.2.3 Conclusiones Las conclusiones que podemos extraer tras este breve estudio de mercado son: 

La producción mundial de anhídrido ftálico en estos momentos alcanza una capacidad de 4.800 kT/año, y se espera un crecimiento anual del 2,4% de la capacidad de producción.



El orto-xileno es actualmente la materia prima utilizada en el 90% de todo el anhídrido ftálico producido mundialmente. No se ha construido ninguna planta que utilice el naftaleno como materia prima desde 1971.



La producción de anhídrido ftálico en la zona de Asia-Pacífico está dominada por China, Corea del Sur, Japón y Taiwán, con una capacidad total de 1640 kT/año.



Australia produce anualmente 21,5 kT/año de anhídrido ftálico, en las plantas de ICI en Rhodes y Mayfield en Nueva Gales del Sur. Las plantas australianas son las más pequeñas de la región y las únicas que usan naftaleno como materia prima.



El precio del anhídrido ftálico fundido en el mercado es de 0.84 - 1 $ por kg. Los precios están bajando en términos generales.



La demanda del anhídrido ftálico está aumentando para las resinas de poliéster y resinas alquídicas y se mantiene estable para los plastificantes. Un aspecto positivo es que la demanda global está aumentando lentamente.



Las importaciones australianas de anhídrido ftálico son variables, varían entre unos valores de 5-6 kT/año.

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

Los nuevos métodos para explotar una planta de anhídrido ftálico ofrecen una oportunidad de reducir los costos un 25% mediante el uso de o-xileno como materia prima, utilizando mejores catalizadores e implementando técnicas de aprovechamiento de energía.



Los precios del orto-xileno están ligados a los precios del p-xileno, que están aumentando rápidamente junto con la demanda.



Si se abriera una planta de anhídrido ftálico en el oeste de Australia, ésta debería de tener una capacidad reducida para hacerle competencia a las plantas ya instauradas en el mercado australiano. Si se decidiese abrir una planta con una capacidad mayor, ésta debería de tener un agresivo ataque a los consumidores de la zona Asia-Pacífico para poder exportar el excedente que no se consuma en Australia.



La estimación de la inversión que se debería de hacer para la construcción de una planta de anhídrido ftálico es de 70 y 105 millones de dólares para plantas de 30 y 60 kT/año respectivamente.



Los costos de operación se estimaron a 0.87$ por kg de anhídrido ftálico producido. El precio de venta de equilibro fue estimado en 1.10 a 1.20 de dólares por kg de anhídrido ftálico producido.

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1.3 Planteamiento del problema

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1.4 Objetivos

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Capítulo 2 Selección y descripción del proceso 2.1 Resumen. Hasta 1960, el anhídrido ftálico se obtuvo casi exclusivamente de naftaleno. La escasez, y con ello su encarecimiento provocado también por el constante aumento de demanda de anhídrido ftálico, han llevado al empleo de o-xileno como materia prima, el cual es más accesible y más barato, también por la estequiometria de la oxidación. En 1975 la producción mundial de anhídrido ftálico procedía ya en un 75 % de o-xileno. Esta proporción esperaba llegar en 1980 al 85%. Sin embargo, el naftaleno, como procedente del carbón, no ha perdido por completo su importancia en la obtención del anhídrido ftálico. Actualmente, casi la totalidad del anhídrido ftálico (en torno al 90 %) producido con fines industriales y comerciales se obtiene por la oxidación de o-xileno. Aunque represente la mayoría de la producción, en esta memoria se contempla la posibilidad de utilizar tanto el orto-xileno, como el naftaleno como materia prima del proceso. La obtención del anhídrido ftálico se puede obtener por tanto de: 

Oxidación de naftaleno a anhídrido ftálico.



Oxidación de orto-xileno a anhídrido ftálico.

En la presente memoria, se pretende realizar un estudio y una comparación de los dos métodos de obtención, valorando los índices económicos, valoración de la materia prima y por último el consumo energético de cada proceso.

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2.2 Introducción El anhídrido ftálico (C8H4O3) se obtiene a partir de la oxidación de o-xileno o naftaleno en presencia de un catalizador, usualmente pentóxido de vanadio o titanio. Como el precio de la producción del producto final dependerá del precio de la materia prima, se procederá a la evaluación de ambos procesos.

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2.3 Comparación de procesos 2.3.1 Oxidación de naftaleno En forma similar a la degradación del benceno a anhídrido maléico por oxidación del naftaleno se obtiene el anhídrido ftálico, como muestra la oxidación de la siguiente figura.

Figura 2 Oxidación del naftaleno.

La reacción de oxidación primitiva, que aún empleaba cantidades estequiométricas de oxidantes químicos, fue sustituida en 1916 por BASF por una oxidación con aire sobre catalizadores de V2O5 (pentaóxido de divanadio). En 1941 la IG Farben obtuvo 12000 toneladas de anhídrido ftálico. Para la oxidación en fase gaseosa se han desarrollado dos procesos industriales a destacar: 1. Procesos con catalizadores en lecho estático, en etapas a baja temperatura (350-400 °C), con naftaleno puro como materia de partida y en etapas a temperatura elevada (400-550 °C) con naftaleno de menor calidad. 2. Procesos con catalizadores en lecho fluidizado a temperaturas superiores a los 370 °C. Proceso de Obtención 1 El catalizador (generalmente V2O5 / Al2O3) se encuentra ordenado en un reactor multitubular que, para eliminar el considerable calor de la reacción, se enfría con un baño de sales fundidas. A través de un vaporizador se va alimentando con naftaleno y aire. Cuando el catalizador es reciente, se produce la reacción a 360 °C; a medida que va descendiendo su actividad se va elevando lentamente su temperatura. Los gases de reacción se enfrían rápidamente por debajo de 125 °C, que es la temperatura de condensación del anhídrido ftálico. El producto bruto cristaliza en forma de agujas, se deseca por completo en calderas de fusión y, finalmente, se destila. La selectividad alcanza del 86 al 91%. Como subproductos resultan 1,4-naftoquinona, anhídrido maléico y productos de condensación de peso molecular superior. Los procesos de alta temperatura se han desarrollado en EE.UU. para calidades inferiores de naftaleno. Como catalizador se usa igualmente V2O5 depositado en soportes. A temperaturas superiores a los 400-500 °C el catalizador no pierde tan rápidamente su actividad,

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 pero su selectividad es claramente inferior, del 60-74%. Como subproducto se obtiene, entre otros, del 6 al 10% anhídrido maléico. Procesos en lecho estático tienen en funcionamiento, por ejemplo, empresas como Chemische Fabrik von Heyden (con un catalizador de V2O5 / SiO2> modificado con K2SO4), Monsanto, oronite, Perchiney-Saint-Gobain, Ruhröl y Scientific Design. Proceso de Obtención 2 La obtención de anhídrido ftálico a escala industrial en lecho fluidizado con catalizadores de V2O5 y a 350-380 °C, la realizó en 1944 en EE.UU. por primera vez Bagder/Sherwin-Williams. En el proceso industrial, el naftaleno líquido se inyecta en la capa de torbellino. Comogas de torbellino se emplea aire precalentado. Las ventajas del proceso son las inherentes a las de lecho fluidizado, tales como: distribución uniforme de temperatura en todo el catalizador, posibilidad de rápido y fácil cambio del mismo, así como también la eliminación del calor por ciclación en circuito secundario del catalizado. Así se consigue un flujo elevado de naftaleno y alta conversión, es decir, un elevado rendimiento volumen-tiempo. La selectividad en anhídrido ftálico alcanza el 74 %. Una parte del anhídrido se puede aislar en forma líquida. El principio de lecho fluidizado, además de la Badger/Sherwin-Williams, lo usan también los procesos de Cyanamid, United Coke-Foster Wheeler e ICI.

2.3.2 Oxidación de o-xileno. La obtención de anhídrido ftálico en las modernas instalaciones se basa de preferencia en el empleo de o-xileno como materia prima de partida, con la siguiente reacción de oxidación, mostrada en la figura 3.

Figura 3. Oxidación del o-xileno.

La entalpía de la reacción es la siguiente: ∆𝐻 = −1110 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙. Es decir, la reacción es exotérmica. Sin embargo, la reacción mostrada en la figura anterior es sólo la reacción principal. Como en la mayoría de procesos químicos, también aparecen otras reacciones secundarias, con la aparición de subproductos. El diagrama conceptual del proceso, con la reacción principal y las secundarias se muestra a continuación en la figura 4. En la tabla 6 se muestran los puntos de ebullición de los reactivos y productos del proceso, ordenados de menor a mayor valor.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 En la figura mostrada, la primera reacción en negrita corresponde a la reacción principal, la de formación del anhídrido ftálico a partir de o-xileno. Esta reacción tiene un 63 % de conversión. La segunda reacción en negrita es la de formación de anhídrido maléico a partir de o-xileno, con un 5 % de conversión. El resto son reacciones secundarias producto de una combustión completa e incompleta del o-xileno. La formación de 𝐶𝑂2 representa un 7 % de conversión. 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 + 𝟑 𝑶𝟐 → 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝟑 𝑯𝟐 𝑶 o-xileno anhídrido ftálico anhídrido ftálico O-xileno

Aire

𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂)2 𝑂 + 7.5 𝑂2 → 8 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂 anhídrido ftálico anhídrido maléico

𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 + 10.5 𝑂2 → 8 𝐶𝑂2 + 5 𝐻2 𝑂 o-xileno 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 + 𝟕. 𝟓 𝑶𝟐 → 𝑪𝟐 𝑯𝟐 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝟒 𝑯𝟐 𝑶 + 𝟒 𝑪𝑶𝟐 o-xileno anhídrido maléico 𝐶2 𝐻2 (𝐶𝑂)2 𝑂 + 3 𝑂2 → 4 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 anhídrido maléico

dióxido de carbono

nitrógeno

𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 + 3 𝑂2 → 𝐶6 𝐻5 (𝐶𝑂𝑂𝐻) + 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂 o-xileno ácido benzóico vapor de agua 𝐶6 𝐻5 (𝐶𝑂𝑂𝐻) + 7.5 𝑂2 → 7 𝐶𝑂2 + 3 𝐻2 𝑂 ácido benzóico

En la producción de anhídrido ftálico a partir de o-xileno, el número de átomos de carbono en el producto final y en el de partida es el mismo, es decir, no se requiere una degradación por oxidación como en el naftaleno. Esto no sólo disminuye el consumo de oxígeno, sino que naturalmente es menor el desprendimiento de calor. Independientemente de estas diferencias, muchas instalaciones se construyen de una forma tal, que se puede emplear como producto de partida tanto el o-xileno como el naftaleno [20]. Tabla 6. Puntos de ebullición de reactivos y productos.

Punto de ebullición (1 atm) Grados Celsius Kelvin Dióxido de carbono -57 216 Agua 100 373 O-xileno 144 417 Anhídrido maléico 202 475 Anhídrido ftálico 295,1 568,1

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Los procesos de oxidación de o-xileno aplicados en la actualidad, se pueden clasificar en los dos métodos principales siguientes [20]: 1. Oxidación en fase gaseosa sobre catalizadores a base de 𝑉2 𝑂5 en lecho estático o fluidizado. Los grandes procesos a escala industrial emplean preferentemente la oxidación en fase gaseosa de o-xileno. Dos procesos muy extendidos son los que desarrollaron BASF y Chemische Fabrik von Hayden. Por el proceso BASF se producían en 1978 unas 700 000 toneladas al año y, por el de von Heyden, aproximadamente 1.1 millones de toneladas, que representan el 45 % de la capacidad de producción mundial. En ambos procesos se emplea o-xileno de un 95 % de pureza, que se oxida a 375 − 410 ℃, con exceso de aire sobre catalizadores de 𝑉2 𝑂5 en reactores multitubulares de aproximadamente 10 000 tubos. El catalizador de BASF consta de una mezcla de 𝑉2 𝑂5 y 𝑇𝑖𝑂2 con promotores como fosfatos de Al y Zr, distribuidos en forma de capa sobre la superficie tersa y poco porosa de, por ejemplo, bolas de porcelana, cuarzo o carburo de silicio. El anhídrido ftálico se obtiene con una selectividad del 78 % (o-xileno) y tras una destilación en dos pasos, se obtiene con una pureza de por lo menos el 99.8 %. Como subproducto se obtiene ácido otoluico, ftalida, ácido benzoico y anhídrido maléico, así como 𝐶𝑂2 de la oxidación total. El anhídrido maléico (5 kg por cada 100 kg de anhídrido ftálico) es un subproducto valioso que se puede aislar económicamente. Actualmente, los reactores, mejorados y ampliados, tienen una producción anual de 40 000 a 50 000 toneladas de anhídrido ftálico por unidad. Según un nuevo desarrollo, en el proceso Heyden se emplean reactores multitubulares de construcción especial que, haciendo uso de un baño de sales fundidas para su refrigeración, controlan exactamente la temperatura y, con ello, admiten una mayor carga superior del aire con o-xileno (60 𝑔/𝑚3 frente a 44 𝑔/𝑚3 ). El elevado desarrollo de calor conduce a un considerable ahorro de energía. Otros procesos en lecho estático han sido desarrollados por Ftalital, Japan Gas, Pechiney-Saint-Gobain, Rhône-Progil, Ruhröl y Scientific Design. Las selectividades de los catalizadores, en los procesos de lecho fluidizado, son prácticamente iguales a los de lecho estático. Sin embargo, puesto que el peligro de explosión en el de lecho fluido es mucho menor, se emplea menos exceso de aire, con lo cual una parte del anhídrido ftálico se puede separar como líquido por encima de su temperatura de fusión. Esta forma de aislamiento ofrece claras ventajas tecnológicas frente a la separación en forma cristalina. 2. Oxidación en fase líquida con catalizadores de sales metálicas disueltas. El o-xileno se puede oxidar también en fase líquida, con aire, según los perfeccionamientos de, por ejemplo, Rhône-Progil. Se emplean acetatos o naftenatos solubles

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 de Co, Mn o Mo, con cocatalizadores que en su mayoría contienen bromo. Como disolvente se añaden ácidos carboxílicos, principalmente acético. La oxidación se realiza a unos 150 ℃. El ácido ftálico se separa como disolución en ácido acético, y por enfriamiento se separa cristalino, se deshidrata a anhídrido y se destila. La selectividad que han indicado es del 90 %. La RhôneProgil proyecta una instalación con capacidad para 15 000 toneladas al año. A pesar de que la oxidación en fase líquida con catalizadores de sales metálicas disueltas emplea una menor temperatura en el reactor y una mayor selectividad del proceso de obtención de anhídrido ftálico que la oxidación en fase gaseosa sobre catalizadores a base de 𝑉2 𝑂5 en lecho estático o fluidizado, este último proceso es el más utilizado actualmente en la industria química y es el que mejores resultados ha dado hasta el momento. Por ello, es este último, el proceso de oxidación en fase gaseosa, el que se escoge para continuar con el análisis. A continuación, en el diagrama 2, se muestra un diagrama de flujo preliminar de la producción de anhídrido ftálico a partir de o-xileno en fase gaseosa, incluyendo las tablas de identificación de componentes la tabla de identificación de corrientes.

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Dióxido de carbono y exceso de aire (nitrógeno)

26 12 cw

hps

m-202

O-xileno

6

7

3

8

10

9

E-201

H-201

m-201

4

R-201

V-201

5

13

15

Aire P-201

1

11

20

2

C-201

Agua residual

22

21 P-202

m-203

T-203

Anhídrido maléico

25

T-202

18

24

23

E-203

VLV-201

19

14 16

Anhídrido ftálico

E-202 V-202

17

T-201

Designación Tipo de unidad Descripción m-201 Mezclador Mezcla el o-xileno puro y el o-xileno reciclado P-201 Bomba Aumenta la presión del o-xileno C-201 Compresor Aumenta la presión y temperatura del exceso de aire m-202 Mezclador Mezcla el o-xileno precalentado y aire en exceso H-201 Horno Calienta a alta temperatura la mezcla de o-xileno y aire R-201 Reactor Reacción principal y las reacciones secundarias E-201 Condensador Enfría los productos de salida del reactor V-201 Separador bifásico Separa los gases de la fracción líquida E-202 Calentador Calienta los productos de la fracción líquida separada V-202 Separador bifásico Separa el vapor de agua de la fracción líquida T-201 Columna de destilación Separa el anhídrido ftálico T-202 Columna de destilación Separa el anhídrido maléico P-202 Bomba Aumenta la presión de la mezcla de o-xileno y agua E-203 Condensador Enfría la mezcla de o-xileno y agua T-203 Columna de destilación Separa el o-xileno para reciclarlo m-203 Mezclador Mezcla el agua residual VLV-201 Válvula Controla el caudal de o-xileno reciclado

Flujo nº 1 2 3 O-xileno Puro Aire Mucho Mucho Anhídrido ftálico Anhídrido maléico Dióxido de carbono Agua -

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Mucho Mucho Mucho Mucho Poco Poco Poco Poco Mucho Mucho Poco Poco Poco Algo Mucho Mucho Mucho Mucho Puro Algo Algo Algo Algo Algo Algo Algo Todo Algo Algo Algo Algo -

14 Poco Algo Algo

15 Puro -

16 Poco Algo

17 Todo

18 Algo -

En la producción de anhídrido ftálico utilizando o-xileno, se utiliza aire filtrado, el cual es precalentado, comprimido, y mezclado con el o-xileno previamente vaporizado. Una vez que ambos están mezclados, se introducen en un reactor de lecho tubular, a una presión entre 1 y 3 bar [21]. El reactor contiene el catalizador, pentaóxido de vanadio, operando a una temperatura comprendida entre los 340 y los 385 ℃ [22]. Pequeñas cantidades de dióxido de azufre se añaden al reactor con el propósito de mantener la actividad del catalizador. La reacción tiene carácter exotérmico (−265 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙), y el calor general es extraído por medio de un baño de sales que circula alrededor de los tubos del reactor, y el calor es transferido a un sistema de generación de vapor. El flujo que sale del reactor contiene anhídrido ftálico crudo más los subproductos de las reacciones secundarias y exceso de oxígeno. Esta corriente pasa a un condensador donde el anhídrido ftálico crudo se enfría y se cristaliza. La corriente que ascendente del condensador contiene gases ligeros (entre ellos, una cantidad relativamente grande de dióxido de carbono) y una pequeña cantidad de o-xileno y agua, los cuales son enviados a una unidad de tratamiento. La corriente saliente del fondo del condensador contiene una gran cantidad de anhídrido ftálico, anhídrido maléico, o-xileno y agua. Esta corriente líquida es conducida a la primera columna de destilación, donde se obtiene el anhídrido ftálico puro, con un 99.8 % de pureza, del resto de componentes. La corriente destilada se lleva a la segunda columna de destilación donde se separa el anhídrido maléico, separándose del agua residual y el o-xileno que no ha reaccionado en el reactor. Una tercera columna de destilación es la encargada de separar el agua residual del o-xileno para su reciclado. El anhídrido ftálico producido puede ser almacenado y transportado como líquido o como sólido (en este último caso, deberá ser deshidratado, laminado y empaquetado). Los tanques que mantienen el anhídrido ftálico líquido son mantenidos a una temperatura de 150 ℃ y cubiertos con nitrógeno seco para prevenir la entrada de oxígeno (evitar con ello incendios) o vapor de agua (evitar la hidrólisis hacia ácido ftálico). El anhídrido maléico es, actualmente, el único subproducto que es recuperado [22].

2.3.3 Controles y emisiones. El almacenamiento de las emisiones de o-xileno y naftaleno son pequeñas y actualmente no están controladas ni reguladas. El mayor contribuidor de emisiones es el reactor y la corriente de condensados procedente de la unidad condensadora. Particularmente, los óxidos de azufre (procedentes de la producción a partir de o-xileno) y el monóxido de carbono constituyen más de la mitad del conjunto de las emisiones. El sistema más eficiente (96 %) de control es el que combina el uso de un depurador húmedo e incineración térmica. Un solo incinerador térmico tiene aproximadamente un 95 % de eficiencia en la combustión de las partículas tóxicas de la producción a base de o-xileno, y un 80 % de eficiencia para las partículas de la producción a base de naftaleno. Los incineradores térmicos con generación de vapor muestran la misma eficiencia que aquéllos que no disponen de dicho generador. Los depuradores húmedos tienen un 99 %

DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 de eficiencia en recolección de partículas, pero son prácticamente ineficientes en la reducción de emisiones de monóxido de carbono. En la producción a base de naftaleno, los separadores de ciclón son utilizados para controlar las emisiones catalíticas de polvo con una eficiente de entre el 90 y el 98 %. Las emisiones del pretratamiento y la destilación –partículas e hidrocarburos- son normalmente procesadas a través de un depurador húmedo y/o un incinerador para la mayoría de las corrientes de proceso (reactor y condensados) o simplemente depurados, con los mismos porcentajes de eficiencia. El almacenamiento en fase líquida produce pequeñas cantidades de emisiones gaseosas. Este gas puede ser enviado a los dispositivos principales de control de gases, o bien ser procesado por sublimación e introducido en el proceso de producción [23].

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2.4 Conclusiones: justificación del proceso seleccionado. Aunque se han expuestos los dos procesos más difundidos y utilizados actualmente en la producción de anhídrido ftálico, cabe mencionar que existe un tercer proceso: la producción a partir de n-pentano [21]. La producción a partir de n-pentano tiene un desarrollo muy reciente, pero requiere que la materia prima sea barata para que sea una opción viable. Los principales factores que influencian la materia prima para la producción son el rendimiento, la disponibilidad y el coste. Económicamente, el naftaleno y el n-pentano pueden utilizarse para producir anhídrido ftálico, pero ambas materias primas son más caras comparadas con el oxileno, y su precio debería descender para poder competir con el o-xileno. Descartando por un lado al n-pentano, el precio del naftaleno está más sujeto a las variaciones de precio que sufre el mercado del carbón, a la vez que el precio del o-xileno se ha mantenido y espera mantenerse estable en un período a medio y largo plazo. En cuanto al proceso químico en sí mismo, como se mencionó anteriormente, en la producción a partir de o-xileno, el número de átomos de carbono en el producto final y en el de partida es el mismo, es decir, no se requiere una degradación por oxidación como en el naftaleno. Esto no sólo disminuye el consumo de oxígeno, sino que naturalmente es menor el desprendimiento de calor, lo cual hace que se necesiten menos intercambiadores de calor, o bien que su tamaño sea menor, lo cual disminuye la peligrosidad y el costo del proceso. El proceso de producción a partir de o-xileno, por las conclusiones y las descripciones de los procesos antes expuestos, es el escogido para el desarrollo de la planta de producción de anhídrido ftálico expuesta en este documento.

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Capítulo 3 Balances de masa y energía 3.1 Resumen

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3.2 Información de partida. 3.2.1 Reacciones y condiciones de operación. Las reacciones, tanto la principal como las secundarias, del proceso de producción de anhídrido ftálico a partir de o-xileno se muestran a continuación.

𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 + 𝟑 𝑶𝟐 → 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝟑 𝑯𝟐 𝑶 o-xileno anhídrido ftálico 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂)2 𝑂 + 7.5 𝑂2 → 8 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂 anhídrido ftálico 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 + 10.5 𝑂2 → 8 𝐶𝑂2 + 5 𝐻2 𝑂 o-xileno 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 + 𝟕. 𝟓 𝑶𝟐 → 𝑪𝟐 𝑯𝟐 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝟒 𝑯𝟐 𝑶 + 𝟒 𝑪𝑶𝟐 o-xileno anhídrido maléico 𝐶2 𝐻2 (𝐶𝑂)2 𝑂 + 3 𝑂2 → 4 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 anhídrido maléico 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 + 3 𝑂2 → 𝐶6 𝐻5 (𝐶𝑂𝑂𝐻) + 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂 o-xileno ácido benzóico 𝐶6 𝐻5 (𝐶𝑂𝑂𝐻) + 7.5 𝑂2 → 7 𝐶𝑂2 + 3 𝐻2 𝑂 ácido benzóico Las condiciones de operación en el reactor son las mostradas a continuación en la tabla 7. Tabla 7. Condiciones de operación del reactor.

Condiciones de operación en el reactor Temperatura (⁰C) 375 - 410 Presión (bar) 1

La reacción será una oxidación en fase gaseosa sobre catalizadores a base de 𝑉2 𝑂5 en lecho estático o fluidizado. Según las fuentes bibliográficas consultadas [20], la selectividad del proceso puede alcanzar, como valor óptimo, el siguiente: Selectividad del proceso

78%

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3.2.2 Producción del producto principal. El nivel de producción de anhídrido ftálico que tendrá la planta es el siguiente: Nivel de producción (toneladas/año)

100000

Mediante las siguientes operaciones realizadas con factores de conversión, se obtiene el nivel de producción en 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ. (𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛, 𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑛⁄𝑎ñ𝑜) ×

1 𝑎ñ𝑜 × 𝑑í𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎

1 𝑑í𝑎 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 106 𝑔 × × × ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎 1 𝑡𝑜𝑛 ×

1 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 × = 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛, 𝑒𝑛 𝑘𝑚𝑜𝑙 ⁄ℎ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 (𝑔⁄𝑚𝑜𝑙) 1000 𝑚𝑜𝑙

A partir de estos factores de conversión genéricos, se obtiene la producción de anhídrido ftálico en 𝑘𝑚𝑜𝑙 ⁄ℎ, mostrada a continuación en la tabla 8. Tabla 8. Nivel de producción de anhídrido ftálico, en kmol/h

Días al año de funcionamiento de la planta Horas al día de funcionamiento de la planta Masa molecular del anhídrido ftálico (g/mol) Nivel de producción de anhídrido ftálico (kmol/h)

330 24 148,1 85,25

3.2.3 Pureza del producto. La pureza requerida de anhídrido ftálico según las condiciones de mercado es la siguiente: Pureza de anhídrido ftálico (%)

99,8

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3.2.4 Materias primas. Las materias primas, los reactivos, de la reacción son los mostrados a continuación en la tabla 9. Tabla 9. Reactivos del proceso.

Reactivos O-xileno, a temperatura y presión ambiente. Aire en exceso, a temperatura y presión ambiente Nitrógeno 78,084% Oxígeno 20,946% Argón 0,9340% Dióxido de carbono 0,0360%

3.2.5 Velocidad de reacción y velocidad de desactivación del catalizador. 3.2.6 Restricciones del proceso. 3.2.7 Propiedades físicas del compuesto. 3.2.8 Ficha de seguridad de los materiales involucrados del proceso. 3.2.9 Costos de subproductos, equipos y servicios.

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3.3 Balance de masa 3.3.1 Balance preliminar. Para el balance de masas de todo el conjunto productivo, se comenzará por realizar el balance sin considerar los flujos de reciclo, es decir, se obviará que la conversión de o-xileno es del 63 % y se supondrá un valor de conversión del 100 %. El diagrama preliminar del proceso se muestra a continuación en la figura 4, junto con el nivel de producción de anhídrido ftálico deseado.

Figura 4. Diagrama preliminar del proceso.



1ª reacción: producción de anhídrido ftálico a partir de o-xileno.

Suponiendo que se recupera y se extrae todo el anhídrido ftálico, para una producción determinada en kmol⁄h, 𝑃𝐴𝐹 , el o-xileno alimentado al proceso es: 𝑃𝑜𝑥𝑖 ( ×

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 ) = 𝑃𝐴𝐹 ( )× ℎ ℎ 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 × 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 78 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜

Así mismo, la cantidad, en kmol⁄h del oxígeno necesario para reaccionar se calcula mediante el siguiente factor de conversión. 𝑃𝑂2 (1) = 𝑃𝐴𝐹 (

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 3 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 )× ℎ 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Por último, en esta reacción principal también se produce vapor de agua, y la cantidad producida se obtiene mediante las siguientes operaciones. 𝑃𝐻2𝑂 (1) (

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 ) = 𝑃𝐴𝐹 ( )× ℎ ℎ ×



3 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜

4ª reacción: producción de anhídrido maléico a partir de o-xileno.

Para el cálculo de la cantidad de anhídrido maléico y dióxido de carbono, sólo se conocen sus porcentajes de conversión, que son 5% y 7%, respectivamente. En teoría, la selectividad en conjunto de ambos productos es el porcentaje complementario a la selectividad del anhídrido ftálico, es decir, 100% − 78% = 22%. Este 22% de selectividad se repartirá equitativamente, según los porcentajes de conversión del anhídrido maléico y dióxido de carbono según se muestra a continuación, y poder así calcular los kmol⁄h producidos. 𝑆𝐴𝑀 (𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜) = 22% ×

𝑆𝐶𝑂2 (𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜) = 22% ×

𝑃𝐴𝑀 ( ×

5% = 9% 5% + 7%

7% = 13% 5% + 7%

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 ) = 𝑃𝑜𝑥𝑖 ( )× ℎ ℎ 9 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 × 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜

La cantidad de oxígeno necesaria para producir el anhídrido maléico también se ha de tener en cuenta, mediante la siguiente operación. 𝑃𝑂2 (4) = 𝑃𝐴𝑀 (

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 7.5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 )× ℎ 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜

En la producción de anhídrido maléico, también se producen cantidades de dióxido de carbono y vapor de agua, las cuales han de ser tenidas en cuenta en el balance de masas, y se calculan mediante las siguientes operaciones. 𝑃𝐶𝑂2 (4) ( = 𝑃𝐴𝑀 (

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 )= ℎ

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 )× ℎ 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜

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𝑃𝐻2𝑂 (4) (

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑙é𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 ) = 𝑃𝐴𝑀 ( )× ℎ ℎ ×



4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎí𝑑𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜

3ª reacción: producción de dióxido de carbono a partir de o-xileno.

En el reactor, existe una pequeña fracción de o-xileno que se combustiona, dando lugar a dióxido de carbono más vapor de agua. Tales cantidades, junto con las de oxígeno necesario para tal combustión, se calculan a continuación. 𝑃𝐶𝑂2 (3) ( ×

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 ) = 𝑃𝑜𝑥𝑖 ( )× ℎ ℎ

13 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 8 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 × 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜

𝑃𝐻2𝑂 (3) ( ×

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 ) = 𝑃𝑜𝑥𝑖 ( )× ℎ ℎ

13 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 × 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜 − 𝑥𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜

𝑃𝑂2 (3) = 𝑃𝐶𝑂2 (3) ×

10.5 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 8 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜

Las reacciones de combustión de anhídrido ftálico y anhídrido maléico para producir dióxido de carbono y vapor de agua no se tienen en cuenta en este balance preliminar, dado que, aunque no se disponen de porcentajes de degradación respecto del nivel producido, estos valores son muy pequeños, no afectando su ausencia en el cálculo respecto al resultado final. Debido a que tampoco se tiene información de la reacción de formación de ácido benzoico a partir de o-xileno, esta reacción no se incluye en los cálculos. Por último, la cantidad de aire total necesaria para llevar a cabo las reacciones se calcular a partir de la suma de todas las cantidades de oxígeno necesario para las tres reacciones que se han considerado. 𝑃𝑂2 (𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) = 𝑃𝑂2 (1) + 𝑃𝑂2 (4) + 𝑃𝑂2 (3)

𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑃𝑂2 (𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙) (

𝑃𝑁2 = 𝑃𝑎𝑖𝑟𝑒 (

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 )× ℎ 20.95 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜

𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜 78.80 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑛𝑖𝑡𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑡𝑒 )× ℎ 100 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 A continuación, en la Figura 5 se ilustra el diagrama del balance de masa preliminar. o-xileno alimentado como materia prima

anhídrido ftálico 85,25 kmol/h 1ª reacción:

anhídrido maléico 10,02 kmol/h

109,30 kmol/h 3ª reacción:

aire

dióxido de carbono 153,11 kmol/h

2282,98 kmol/h oxígeno

vapor de agua 365,98 kmol/h

4ª reacción:

478,19 kmol/h nitrógeno y argón 1803,97 kmol/h

nitrógeno y argón 1803,97 kmol/h Figura 5. Diagrama del balance de masa preliminar.

3.3.2 Potencial económico del balance de masa preliminar. Con estos datos pueden determinarse las cantidades anuales de material primas y productos, y se está en disposición de determinar el potencial económico máximo (PEM), dado por la siguiente fórmula genérica. 𝑃𝐸𝑀 = 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑦 𝑠𝑢𝑏𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑠

Para el presente caso, el valor sería el señalado en la tabla mostrada a continuación. Tabla 10. Potencial económico máximo.

Potencial económico máximo (€/año) 64.957.621,32 € Productos y subproductos kmol/h ton/año Precio (€/kg) Precio (€/año) Anhídrido ftálico 85,25 100000,00 1,39 139.000.000,00 € Anhídrido maléico 10,02 7781,33 1,35 10.504.791,46 € Dióxido de carbono 153,11 53369,63 - € Vapor de agua 365,98 52173,69 - € Nitrógeno 1803,97 400047,32 - € Materias primas O-xileno 109,30 91899,10 0,92 84.547.170,14 € Aire 2282,98 523812,42 - € Catalizador 15,32 - € Flujo saliente 613371,96 149.504.791,46 € Flujo entrante 615711,52 84.547.170,14 €

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 El potencial económico obtenido es en el caso de no tener que pagar por los costos de capital y de los servicios. Dado que este potencial económico es positivo, se proseguirá a diseñar y calcular la estructura de reciclo.

3.3.3 Balances de masa de la estructura de reciclo. Mezclador m-201. Para efectuar los balances de materia de reciclo, primero se realiza el balance del reactivo limitante, que en el proceso de producción presente, es el o-xileno. El objetivo es obtener una estimación de los flujos de reciclo. Hasta ahora no se han especificado detalles del sistema de separación. Antes de la entrada al reactor, existe una suma de flujos de o-xileno: el flujo de alimentación y el flujo de reciclo. Según la ley de conservación de la masa, los caudales que entran en ese punto de mezcla es igual al caudal que sale, según la siguiente ecuación. 𝑃𝑜𝑥𝑖 + 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑅𝑒𝑐𝑖 = 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

La cantidad de o-xileno en la corriente de reciclado es el o-xileno que no reacciona en el reactor, es decir, el o-xileno que no se convierte en ningún producto. Esta cantidad se calcula como el porcentaje de o-xileno no convertido. 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑅𝑒𝑐𝑖 = 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∙ (1 − % 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛)

𝑃𝑜𝑥𝑖 + 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∙ (1 − % 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛) = 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑜𝑥𝑖 + 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − % 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 ∙ 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑜𝑥𝑖 = % 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 ∙ 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑜𝑥𝑖 = 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 % 𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛

donde Poxi es la cantidad de o-xileno como materia prima exterior, 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑅𝑒𝑐𝑖 es la cantidad de o-xileno del flujo de reciclo, 𝑃𝑜𝑥𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 es la cantidad total de o-xileno que entra en el reactor, y % conversión es el porcentaje de o-xileno que se convierte en producto. El único flujo de reciclo que se tiene en el proceso es el del o-xileno. El gas que sale del proceso y es purgado al exterior es dióxido de carbono, y este gas no interesa reciclarlo, sino llevarlo a una planta de tratamiento o bien expulsarlo al exterior.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 A continuación, en la figura 6 se muestra el diagrama de bloques del proceso con la estructura de reciclaje incluida. o-xileno alimentado como materia prima

anhídrido ftálico 85,25 kmol/h

o-xileno reciclado 58,85 kmol/h

109,30 kmol/h

anhídrido maléico 10,02 kmol/h o-xileno en reactor 168,16 kmol/h

Reactor salida del reactor 2477,19 kmol/h

aire 2282,98 kmol/h

dióxido de carbono 153,11 kmol/h

Estructura de separación

vapor de agua 365,98 kmol/h

oxígeno

478,19 kmol/h nitrógeno y argón 1803,97 kmol/h

nitrógeno y argón 1803,97 kmol/h

Figura 6. Diagrama de bloques del proceso con estructura de reciclado.

3.3.4 Balances de masa de o-xileno y aire. Mezclador m-202. En la figura 7 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes del mezclador m-202.

hps

P-201

m-202

6

7

168,16 kmol/h

2451,14 kmol/h

2

H-201

2282,98 kmol/h

Figura 7. Balance de masa en el mezclador m-202.

3.3.5 Balances de masa del reactor R-201. En la figura 8 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes del reactor R-201.

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2451,14 kmol/h

2477,19 kmol/h

8

cw

9

H-201

R-201 Figura 8. Balance de masa en el reactor R-201.

3.3.6 Balances de masa del separador bifásico V-201. En figura 9 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes del separador bifásico V-201.

Dióxido de carbono y exceso de aire (nitrógeno)

1957,08 kmol/h

12 2477,19 kmol/h

11

13

E-2

V-201

520,11 kmol/h

E-3

Figura 9. Balance de masa en el separador bifásico V-201.

3.3.7 Balances de masa del separador bifásico V-202. En figura 10 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes del separador bifásico V-202.

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329,38 kmol/h

15 m-203

14 E-202

520,11 kmol/h

190,73 kmol/h

16

V-202

T-201 Figura 10. Balance de masa en el separador bifásico V-202.

3.3.8 Balances de masa de la columna de destilación T-201. En figura 11 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes de la columna de destilación T-201.

105,47 kmol/h

18 T-202

16 85,25 kmol/h

190,73 kmol/h V-202

T-201

Anhídrido ftálico

17

Figura 11. Balance de masa en la columna de destilación T-201.

3.3.9 Balances de masa de la columna de destilación T-202. En figura 12 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes de la columna de destilación T-202.

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95,45 kmol/h

20 P-202

18 105,47 kmol/h T-202

10,02 kmol/h

Anhídrido maléico

19

T-201

Figura 12. Balance de masa en la columna de destilación T-202.

3.3.10 Balances de masa de la columna de destilación T-203. En figura 13 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes de la columna de destilación T-203.

36,60 kmol/h

23 m-203

22 E-203

95,45 kmol/h T-203

58,85 kmol/h

25

VLV-201

26 m-201 Figura 13. Balance de masa en la columna de destilación T-203.

3.3.11 Balances de masa del mezclador m-203. En la figura 14 se muestran los valores de las corrientes entrantes y salientes del mezclador m-203.

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15

329,38 kmol/h

36,60 kmol/h

Agua residual

24

23 m-203

365,98 kmol/h

V-202

T-203 Figura 14. Balance de masa en el mezclador m-203.

3.3.12 Resumen del balance de masa del proceso. Cabe citar que hay equipos en los que no se ha calculado el balance de masas. Esto es debido a que en estos equipos (compresores, bombas, calentadores, enfriadores, hornos y válvulas) la corriente que entra es la misma corriente que sale, y las características que varían en estos flujos son la temperatura y/o la presión. Sin embargo, existen otros equipos (separadores bifásicos, mezcladores y columnas de destilación) donde la corriente de entrada se divide en dos o más corrientes de salida, o dos o más corrientes de entrada se unen en una única corriente de salida, siendo importante su análisis más detallado. Por último, en el reactor, aunque la cantidad de masa a la entrada ha de ser (al menos teóricamente) la misma cantidad de masa a la salida, se ha analizado porque los productos que entran no son los mismo que salen, ya que en el interior de éste ha tenido lugar la reacción química a estudiar. A continuación, en la tabla 24 se muestra una tabla con todos los flujos del diagrama numerados, los compuestos y el caudal que lleva ese flujo.

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3.4 Balance de energía.

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Capítulo 4 Diseño de equipos 4.1 Introducción En el proceso de la obtención de anhídrido ftálico intervienen una serie de equipos necesarios para realizar el proceso, tales como bombas para impulsar las sustancias líquidas, compresores para las gaseosas, reactores, válvulas…etc. Todos estos elementos necesarios se deben diseñar con el objetivo de optimizar el proceso, aumentar la vida útil de la maquinaria implicada y ajustar lo más posible los equipos, que posteriormente se traducirá en beneficios monetarios para nuestro balance económico. A continuación, se expone en los siguientes apartados de este capítulo las decisiones que han sido tomadas para el diseño de equipo, así como los resultados que se han obtenido.

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4.2 Reactor 4.2.1 Introducción Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos, además de balances de materia y energía son necesarios como datos de partida para el diseño. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, y en base a los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones. Los factores más importantes relacionados con la reacción para el diseño del reactor son: 

La activación principal seleccionada, junto con los estados de agregación de los reactivos y el número y tipos de fases involucradas.



La dependencia de la concentración y la temperatura de las reacciones químicas.



El calor de las reacciones que tienen lugar.

4.2.2 Reacción química implicada En el reactor, el o-xileno está sometido a una variedad de reacciones de oxidación para obtener como producto deseado el anhídrido ftálico y como subproductos: anhídrido maleico y productos de combustión. La oxidación de la alimentación de o-xileno con el aire produce anhídrido ftálico. El efluente del reactor que contiene anhídrido ftálico puro reacciona con el exceso de oxígeno para producir agua y dióxido de carbono. También, el o-xileno reacciona con el oxígeno para producir el anhídrido maleico como subproducto que también reacciona con el exceso de oxígeno para producir agua y dióxido de carbono. Podemos observar, en la figura 6, las reacciones implicadas en el reactor:

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Figura 15

La reacción principal que debemos de tener en cuenta es la oxidación del o-oxileno a anhídrido ftálico y anhídrido maleico. 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 + 𝟑 𝑶𝟐 → 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝟑 𝑯𝟐 𝑶 o-xileno anhídrido ftálico 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 + 𝟕. 𝟓 𝑶𝟐 → 𝑪𝟐 𝑯𝟐 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝟒 𝑯𝟐 𝑶 + 𝟒 𝑪𝑶𝟐 o-xileno anhídrido maléico 4.2.2.1 Calor desprendido por las reacciones Principalmente, la oxidación es una reacción química dónde un elemento cede electrones, y por lo tanto aumenta su estado de oxidación. La reacción de oxidación por naturaleza, es una reacción exotérmica, es decir que desprende energía, o lo que es lo mismo: tiene una variación negativa de la entalpía. Realizando el cálculo de la entalpía de formación estándar de la reacción obtenemos para las reacciones: Tabla 11

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS ESTÁNDAR DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS IMPLICADAS SUSTANCIA AH0 (KJ/mol) 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑯𝟑 )𝟐 19.1 𝑪𝟔 𝑯𝟒 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 -371,4 𝑪𝟐 𝑯𝟐 (𝑪𝑶)𝟐 𝑶 -398,3 𝑯𝟐 𝑶 -241,8 𝑪𝑶𝟐 -393,5 𝑶𝟐 0,0

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Para la producción de anhídrido ftálico: 𝐴𝐻0 = |𝐴𝐻0 (𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂)2 𝑂) + 3𝑚𝑜𝑙𝐴𝐻0 (𝐻2 𝑂)| − |𝐴𝐻0 (𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 ) + 3𝑚𝑜𝑙𝐴𝐻0 (𝑂2 )| 𝐴𝐻0 = −1154,1 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 Para la producción de anhídrido maléico: 𝐴𝐻0 = |𝐴𝐻0 (𝐶2 𝐻2 (𝐶𝑂)2 𝑂) + 4𝑚𝑜𝑙𝐴𝐻0 (𝐻2 𝑂) + 4𝑚𝑜𝑙𝐴𝐻0 (𝐶𝑂2 )| − |𝐴𝐻0 (𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 ) + 7.5𝑚𝑜𝑙𝐴𝐻0 (𝑂2 )| 𝐴𝐻0 = −2996,8 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙 Calculando la entalpía en base a las temperaturas de operación del reactor: 𝐴𝐻 = −37.190 − 17,24𝑇 + 29,09𝑥10−4 𝑇 2 + 0,69639𝑥10−6 𝑇 3 +

50160 𝑇

Escogiendo como temperatura del reactor 380 °C (653,15 K), se obtiene: 𝐴𝐻 = −47015,88927 kJ/mol Según los resultados obtenidos, debemos de tener controlada la temperatura de operación del reactor, ya que como vemos genera calor. A continuación, calculamos a groso modo la carga térmica que tendrá el reactor: Carga térmica del reactor = AH 𝑥 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑐𝑎 CTR = −47015,88927

kJ mol

𝑥 109,30

𝑘𝑚𝑜𝑙 ℎ

= −5,13𝑥106

𝑘𝐽 ℎ

= −1427 𝑘𝑊

Por lo tanto, hay una necesidad de disipar este calor.

4.2.3 Catalizador Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción, pero sale del proceso sin sufrir cambios. Un catalizador por lo regular altera la velocidad de una reacción promoviendo un diferente camino molecular para la reacción. La catálisis es la ocurrencia, estudio y uso de catalizadores y procesos catalíticos. Los catalizadores químicos comerciales tienen una importancia enorme. Normalmente, cuando hablamos de un catalizador nos referimos a uno que acelera la reacción, aunque en términos estrictos un catalizador puede acelerar o frenar la formación de una especie en particular. Los elementos del grupo de transición (grupo VIII) y del subgrupo I se usan ampliamente en reacciones de oxidación. Ag, Cu, Pt, Fe, Ni y sus óxidos suelen ser buenos catalizadores de oxidación. Además, V2O5 y MnO2 se usan comúnmente en reacciones de oxidación. La reacción que se estudia en este proceso, es la oxidación de o-xileno a anhídrido ftálico.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 Existen diferentes tipos de catalizadores que se utilizan para la oxidación de o-xileno a anhídrido ftálico. Los tipos de catalizadores que contienen V2O5 apoyado en TiO2 son los más comunes y efectivos para este proceso. El catalizador debe funcionar entre 300 ° C y 400 ° C, ya presiones entre 1 atm y 3 atm. La cantidad de V2O5 que se usa afecta a la selectividad del AF y al CO2 producido, además de la temperatura de la conversión. En la tabla 16 se muestra las características del catalizador: Tabla 12

PROPIEDADES DEL CATALIZADOR TIPO DE CATALIZADOR Pentaóxido de Vanadio (V2O5) DENSIDAD EN ESTADO SOLIDO 3350 (KG/M3) POROSIDAD 0,45 DENSIDAD APARENTE DEL CATALIZADOR EN ESTADO SÓLIDO 1843 (KG/M3) DIÁMETRO DE LAS PARTÍCULAS DEL 0.003 CATALIZADOR (M)

4.2.4 Consideraciones de temperatura e inflamabilidad a tener en cuenta El límite inferior de inflamabilidad de o-xileno en el aire es de 1% en moles, y el límite de inflamabilidad superior es de 6% en moles. Por razones de seguridad, es necesario que las condiciones del proceso no estén dentro de estos límites. También es necesario que el contenido de o-xileno del reactor nunca exceda de 10% en moles porque, si se excede dicho límite, el catalizador ya no funciona a la selectividad deseada, la reacción podría quedar hambrienta de oxígeno, formando cantidades significativas de CO y otros subproductos no deseados. Para evitar estos problemas de inflamabilidad del gas de alimentación en el reactor, se plantea la posibilidad de una línea de reciclado de aire del efluente a la salida del reactor, que aproximadamente contiene un 8% en oxígeno, mezclándose con el aire fresco de alimentación, obteniendo un gas con un porcentaje en oxígeno alrededor del 10 -11% en oxígeno.

4.2.5 Cinética de la reacción AÑADIR INFORMACIÓN PERO PREGUNTAR A VERA PORQUE NI PUTA IDEA

4.2.6 Tipología del reactor Expuesta toda la información recogida sobre las reacciones implicadas en el proceso de obtención del anhídrido ftálico a partir del o-xileno, se ha decidido escoger un reactor catalítico de lecho fijo con control externo de la temperatura.

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Figura 16

Dónde: a) Entrada de la mezcla gaseosa b) Salida de la mezcla gaseosa c) Entrada y salida del refrigerante d) Partículas del catalizador. Los reactores, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos espaciales. Se emplea un baño de sales fundidas para su refrigeración, que controlan exactamente la temperatura y con ello, admiten una mayor carga de aire con o-xileno. El elevado desarrollo de calor conduce a un considerable ahorro de energía.

Figura 17

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4.2.7 Conclusiones Se ha decidido escoger un reactor catalítico de leche fijo con intercambio de calor con sales por varias razones: 







Al tener una reacción exotérmica necesitamos un reactor que pueda disiparlo, por ello al disponer de un intercambiador externo de sales fundidas, evacuamos el calor sobrante de la reacción. Otra de las razones, el constante control de la temperatura dentro de los rangos de operación para que la reacción tenga lugar. Por ello, con el intercambiador de calor con las sales fundidas mantendremos la reacción a una temperatura adecuada 350-400 °C. Al tener la reacción un precursor de la velocidad de oxidación, es más económico aplicar un reactor multitubular de lecho fijo ya que la desactivación del catalizador es lenta. A la hora de realizar el diseño, es más simple predecir la disposición y los cálculos pertinentes.

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4.3 Subtítulo

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4.4 Subtítulo

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4.5 Subtítulo

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Capítulo 5 Análisis de riesgos

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5.1 Subtítulo

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5.2 Subtítulo

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5.3 Subtítulo

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5.4 Subtítulo

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Capítulo 6 Distribución en planta

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6.1 Subtítulo

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6.2 Subtítulo

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6.3 Subtítulo

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6.4 Subtítulo

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Capítulo 7 Estudio económico

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7.1 Subtítulo

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7.2 Subtítulo

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7.3 Subtítulo

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7.4 Subtítulo

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Capítulo 8 Referencias bibliográficas

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8.1 Subtítulo

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8.2 Subtítulo

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8.3 Subtítulo

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8.4 Subtítulo

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Capítulo 9 Bibliografía [1] Producción de anhídrido ftálico. Departamento de ingeniería química y bioquímica. Instituto Tecnológico de Ciudad Madero (ITCM). [2] Phthalic Anhydride, CAS Nº: 85-44-9. Uned Publications [3] https://es.wikipedia.org/wiki/Anhídrido_ftálico [4] https://themoneyconverter.com/ES/USD/AUD.aspx Fuente consultada el 16 de febrero de 2017, a las 12:18 (UTC) [5] Kfkf [6] Kfkf [7] Kfkf [8] Kfkf [9] Kfkf [10]Kfkf [11]Kfkf [12]Kfkf [13]Kffk [14]Kfkf [15]Kfkf [16]Klfkf [17]Fkfk [18]Kfkf [19]Kfkf [20]Química orgánica industrial. Escrito por Klaus Weissermel, Hans-Jürgen Arpe. Reverte, 1981 - 425 páginas. Página 367. [21]Production of phthalic anhydride from o-xylene, Hassan Al-Haraz et all. King Fahd University of petroleum and minerals. College of engineering sciences and applied engineering. Department of Chemical Engineering.

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DISEÑO DE UNA PLANTA QUÍMICA DE PRODUCCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO | Curso 16/17 [22] AP 42 (Air Pollutant Emission Factors), fifth edition, Volume I. Chapter 6: Organic Chemical Process Industry. 6.5 Phtalic Anydride. https://www3.epa.gov/ttn/chief/ap42/ch06/index.html [23]Engineering and cost study of air pollution control for the petrochemical industry, vol 7: Phthalic Anhydride manufacture from ortho-xylene, EPA-450/3-73-006g, U.S. Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, NC, July 1975. [24]kfkf

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