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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (UNIVERSIDAD DEL PERÚ, DECANA DE AMÉRICA) FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA

E.A.P. INGENIERÍA QUÍMICA 0.72

SINTESIS Y ANALISIS DE PROCESOS PRODUCCION DE ACETONA A PARTIR DEL CUMENO PROFESOR:

RAYMUNDO ERAZO ERAZO

ALUMNOS:      

Willis Abad Castillo Ximena Alejandra Jiménez Asencio Nayda Rocio Peralta Gutiérrez Juan Roger López Durante María Carbajal Brenda TURNO:

11070194 14070138 14070171 110

martes y jueves 16-18 HORAS

2018

PRODUCCIÓN DE ACETONA Descripción general del proceso:

NIVEL1: ESTRUCTURA DE ENTRADA Y SALIDA DE LA MUESTRA

1: INFORMACION DE ENTRADA a) REACCIONES: PROCESO

REACCIONES 𝐶9 𝐻12 + 𝑂2 → 𝐶9 𝐻12 𝑂2

P S1 (DMBA)

𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝐻(𝐶𝐻3 )2 + 1⁄2 𝑂2 → 𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝑂𝐻(𝐶𝐻3 )2

S2 (ACETOFENONA)

𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝐻(𝐶𝐻3 )2 + 1⁄2 𝑂2 → 𝐶6 𝐻5 − (𝐶𝐻3 )𝐶 = 𝑂 + 𝐶𝐻4

OXIDACION

𝐶9 𝐻12 𝑂2 →

P

ESCISION

𝐻2 𝑆𝑂4

𝐶6 𝐻5 𝑂𝐻 + (𝐶𝐻3 )2 𝐶𝑂

S1 (AMS)

𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝑂𝐻(𝐶𝐻3 )2 → 𝐶6 𝐻5 − 𝐶(𝐶𝐻3 ) = 𝐶𝐻2 + 𝐻2 𝑂

S2 (ACETOFENONA)

𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝑂𝑂𝐻𝐶(𝐶𝐻3 )2 → 𝐶6 𝐻5 − 𝐶𝑂 − 𝐶𝐻3 + 𝐶3 𝑂𝐻

1. Reacción global del proceso: 𝐶9 𝐻12 + 𝑂2 →

𝐻2 𝑆𝑂4

𝐶6 𝐻5 𝑂𝐻 + (𝐶𝐻3 )2 𝐶𝑂

b) REACTORES : b.1) CARACTERISTICAS DE LOS REACTORES A USAR Tabla N°1: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS REACTORES EN EL PROCESO DE OXIDACION Especificaciones

Reactor 1

Reactor 2

Reactor 3

Reactor 4

Volumen (m3) Longitud (m) Diámetro (m) Material

149 12 4 Acero al Carbono

158 12 4 Acero al Carbono

Agitación Potencia (Kw) 294 312 Velocidad (m/s) 0.02 0.02 U (Kw/m2K) 0.57 0.57 Condiciones de operación: T= 90 -115 °C P= 5 bar Sglobal= 90-95% Xglobal= 32- 39%

155 12 4 Acero al Carbono

152 12 4 Acero al Carbono

305 0.02 0.57

299 0.02 0.57

Tabla N°2: ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LOS REACTORES EN EL PROCESO DE ESCISIÓN REACTORES MP Volumen (m3) Longitud (m) Diámetro (m) Material Potencia (kW) U (kW/m2K)

10 5 2 Acero inoxidable 4 0.85

REACTOR FP 50 8 3 Acero inoxidable 0.14

Condiciones de operación: TMP = 90 ° TFP= 125 °C P= 8 bar Catalizador: H2SO4 Xglobal= 82%

c) PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MATERIA PRIMA Y PRODUCTOS OBTENIDOS Tabla N°3: PROPIEDADES FISICAS DEL CUMENO NOMBRE FORMULA ESTADO PESO MOLECULAR PRESIÓN CRITICA TEMPERATURA CRITICA PUNTO DE EBULLICIÓN PUNTO DE FUSION

CUMENO C6H5-CH(CH3)2 Liquido incoloro 120.2 g/mol 31.58 atm 631 K 152 °C -96 °C

DENSIDAD 8062 Kg/m3 PRESIÓN DE VAPOR 0.01 atm a 20 °C VISCOSIDAD 0.777 cP a 21 °C PUNTO DE INFLAMABILIDAD 31 °C LIMITES DE EXPLOSIVIDAD 0.9 – 6.5 %

Tabla N°4:

PROPIEDADES FISICAS DE LA ACETONA

NOMBRE FORMULA ESTADO OLOR PESO MOLECULAR PRESIÓN CRITICA TEMPERATURA CRITICA PUNTO DE EBULLICIÓN PUNTO DE FUSION DENSIDAD PRESIÓN DE VAPOR VISCOSIDAD PUNTO DE INFLAMABILIDAD LIMITES DE EXPLOSIVIDAD TEMPERATURA DE AUTOIGNICION CALOR ESPECIFICO VAPOR (102 °C, J/MOLK) ENTALPIA DE FORMACIÓN GAS (KJ/MOL) LIQUIKDO (KJ/MOL) ENTROPÍA GAS IDEAL (J/MOLK) LIQUIDO (J/MOLK) LIMITE DE EXPLOSIVIDAD

ACETONA CH3 - CO - CH3 Liquido incoloro Dulce y aromaticos 58.08 g/mol 46.40 atm 235 °C 56.2 °C - 94.8 °C 791 Kg/m3 0.237 atm a 20 °C 0.32 cP a 20 °C -20 °C 0.9 – 6.5 % 738 K 92.1

20 °C Y 1 ATM -216.5 -248 25 °C Y 1 ATM 200.1 295.349 2.55 – 12.58 %

SOLUBILIDAD

Completamente soluble en agua, muy soluble en alcohol etílico, dietil éter, cloroformo y benceno

Tabla N°5: PROPIEDADES DEL FENOL NOMBRE FENOL FORMULA C6H5-OH ESTADO Solido cristalino blanco incoloro PESO MOLECULAR 94.1 g/mol PRESIÓN CRITICA 60.50 atm TEMPERATURA CRITICA 694.2 K PUNTO DE EBULLICIÓN 182 °C PUNTO DE FUSION 43 °C DENSIDAD 1070 Kg/m3 PRESIÓN DE VAPOR 4.64x10-4 atm a 20 °C VISCOSIDAD 3.437 cP a 50 °C PUNTO DE INFLAMABILIDAD 79 °C LIMITES DE EXPLOSIVIDAD 1.36 – 10 %

2: MATERIAS PRIMAS DEL PROCESO

Componentes

Destino

T (°C)

Cumeno

Materia prima

25 °C

Aire

Materia prima

25 °C

a) CARACTERISTICAS DEL PROCESO: Capacidad de la planta: 106

𝑘𝑔 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑎ñ𝑜

Operación: 350 dias del año

3: ESTRUCTURA GLOBAL DE LA PLANTA

 En la estructura entrada-salida se analiza el volumen de control del proceso completo. Solo se tienen en cuenta las corrientes de entrada y salida. Las corrientes intermedias del proceso, como el HPC, se asumen que reaccionan completamente. Se asume que el cumeno que sale por la evaporación se separa idealmente asumiéndose una separación ideal de fenol y acetona.  A continuación se representa una entrada-salida (Figura 1) para las condiciones expuestas. Para terminar de definir la estructura entrada-salida hay que realizar algunas decisiones que hay que considerar y que se muestran a continuación:

Figura 1 estructura entrada-salida global

 Es necesario comprobar que todos los productos abandonan el proceso en corrientes de salida, con excepción de un producto intermedio que se recupera hasta agotarse dentro del proceso, en este caso ese es el HCP. Para comprobar esto se comprueban las entradas y salidas del proceso (Tabla 1). El número de corrientes de salida será el número de grupos menos el número de corrientes de recirculación.

Tabla 1. Clasificación de los componentes

componente cumeno aire Aire(N2) acetona fenol cumeno

destino Materia prima Materia prima purga Producto A Producto B recirculación

 Se tiene 4 grupos con distinto destino, incluyendo una recirculación. Con estos resultados vemos que el número de corrientes de salida será 4-1=3 corrientes de salida. El número de corrientes de salida coincide con la estructura entrada-salida realizada (Figura 1).  Una vez vista la estructura entrada-salida global, se mira un poco más de cerca y se distinguen sus diferentes etapas (Figura 2).

Figura 2 estructura entrada-salida global

BALANCE DE MATERIA

Reacción global C6H5-CH(CH3)2 + O2 Fcumeno

→

Foxigeno

-X

-X

Fcumeno-X

Foxigeno -X

CH3-CO-CH3 + C6H5-OH -

-

+X +X

+X +X

Donde 𝐹Cumeno y 𝐹Oxigeno son los flujos molares de alimentación (kmol/año), x son los kmoles/año que reaccionan con el reactivo limitante X= 17241.38

𝑁

𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜

𝑘𝑔𝑀𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑎ñ𝑜

=𝑁

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜

− 𝑟

𝑁

=𝑁

𝑁

=𝑁

𝑁 𝑠𝑎𝑙𝑒

= 𝑁𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎

𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑂𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑂𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜

− 𝑟

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

+ 𝑟 + 𝑟

𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙

𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙

 ACETONA 𝑁

=𝑁

+ 𝑟

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

𝑠𝑎𝑙𝑒 𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

17241.38

𝑘𝑔𝑀𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑎ñ𝑜

=𝑟

 CUMENO 𝑁

𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜

=𝑁

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑐𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜

− 𝑟

Fcumeno - X = Fcumeno - 17241.38

𝑘𝑔𝑀𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

𝑋 = 17241.38

∗ 17241.38

𝐾𝑔𝑂𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜

𝐾𝑚𝑜𝑙𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑎ñ𝑜

𝑎ñ𝑜

𝑥

𝑥

1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑂2 32𝐾𝑔𝑂2

58𝐾𝑔𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝐾𝑚𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

𝑋

𝐹𝑐𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 = 2100000.08 𝐾𝑔𝐶𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 𝑥 *17241.38

𝑘𝑔𝑀𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑎ñ𝑜

𝐾𝑚𝑜𝑙𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 58𝐾𝑔𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 0.56𝐾𝑔𝑂𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑥 𝑋 𝑎ñ𝑜 𝐾𝑚𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝐾𝑔𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝐾𝑔𝑂𝑥𝑖𝑔𝑒𝑛𝑜 = 560000.02 𝑎ñ𝑜

𝐹𝑂2 = 560000.02 *17241.38

𝑎ñ𝑜

𝐾𝑚𝑜𝑙𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 𝑎ñ𝑜

𝐹𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 = 1640000.07

𝑥

58𝐾𝑔𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

𝑋 𝐾𝑚𝑜𝑙𝑎𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

= 17500.00

2.10𝐾𝑔𝐶𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 𝐾𝑔𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎 1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 120𝐾𝑔𝑐𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 1.64𝐾𝑔𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 𝐾𝑔𝐴𝑐𝑒𝑡𝑜𝑛𝑎

1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑂2 𝑎ñ𝑜

= 2100000.08 = 17500

𝐾𝑔𝐶𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 𝑎ñ𝑜

1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑢𝑚𝑒𝑛𝑜 𝑎ñ𝑜

= 1640000.07𝐾𝑔

𝐾𝑔𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 𝑎ñ𝑜

𝐾𝑔𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 1𝐾𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 𝑥 = 17446.81 𝑎ñ𝑜 𝑔𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 𝑎ñ𝑜

CALCULO DEL POTENCIAL ECONÓMICO compuesto

Precio ($/año) Flujo masico(kg/año)

Costo /venta total($/año)

Cumeno Fenol Acetona (PE) ent/sal = [Beneficio] – [Costos] (PE) ent/sal = ∑ [(flujo másico)*valor económico] productos – ∑ [(flujo másico)*valor económico] materia prima