produccion de etilbenceno

7/28/2019 Produccion de Etilbenceno

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PRODUCCIN DE ETILBENCENO

PROYECTO COMPLETO

JHON FREDY ARIAS DUQUE 300006SANDRA MILENA CASTRO SALAZAR 303012

PROYECTO INGENIERA DE PROCESOSPRESENTADO A:

LVARO GMEZ PEA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALESFACULTAD DE INGENIERA Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE INGENIERA QUMICAMANIZALES, JULIO

2008


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OBJETIVOS

GENERAL:

Aplicar el diseo conceptual al proceso de produccin de etilbenceno, con el propsito de

evaluar diferentes alternativas de produccin que optimicen el proceso desde los puntos devista operativo, econmico y ambiental.

ESPECFICOS:

1. Aplicar los conceptos adquiridos con anterioridad en las asignaturas termodinmica,balances de materia y energa, operaciones de separacin y transferencia de calor,diseo de reactores y procesos qumicos en el diseo conceptual de una planta parala produccin de etilbenceno

2. Evaluar las diferentes alternativas de produccin de etilbenceno

3. Calcular el potencial econmico del proceso de produccin de etilbenceno4. Plantear los diagramas entrada-salida, reaccin-separacin y estructuras de reciclo5. Realizar la simulacin del proceso con la aplicacin del programa ASPEN PLUS6. Encontrar la configuracin de la planta que optimice el proceso desde los puntos de

vista operativo, econmico y ambiental.


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JUSTIFICACIN

El etilbenceno es la materia prima fundamental para la manufactura de estireno. El estirenoes polimerizado en poliestireno, uno de los polmeros ms importantes en la industriaqumica. Esto ubica al etilbenceno en un lugar privilegiado en el mercado mundial, pues de

su oferta depender en gran medida la capacidad de satisfacer la demanda de poliestireno.El etilbenceno tambin se usa como solvente en combustibles, tinturas, insecticidas ypinturas.

La produccin mundial de etilbenceno es de 9.8 millones de toneladas/ao. El 5% seobtiene del alquitrn de hulla, el otro 95% se obtiene por alquilacin de benceno conetileno.

En Colombia, la importacin de estireno y sus derivados representa alrededor del 10% de lacantidad de productos qumicos importados, como consecuencia principalmente de la bajaproduccin de monmeros, la cual es suplida actualmente por materias primasimportadas.

Colombia importa en la actualidad 2000 ton/ao de etilbenceno que se usa principalmenteen la manufactura de estireno, dado que en el pas no existen grandes empresas productorasde etilbenceno, por lo que sta podra ser una opcin para la industria petroqumicanacional.


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1. ALTERNATIVAS DE PRODUCCIN

Alternativa 1: Se puede obtener del alquitrn de hulla (lquido negro y viscoso producidoen la destilacin destructiva del carbn para fabricar coque y gas), cuando ste se haformado a temperaturas muy altas (>900C), pero esto implica un costoso proceso deseparacin para obtener muy reducidas cantidades de EB.

Alquitrn de hulla Etilbenceno (T > 900C)

Alternativa 2: La produccin comercial de EB se lleva a cabo mediante la alquilacin debenceno con etileno, descrita por la siguiente reaccin:

Benceno + Etileno EtilbencenoEste proceso es bastante verstil y permite ser llevado a cabo en fase lquida, fase vapor oen equilibrio lquido-vapor. Consta de dos etapas principales: la de reaccin y la depurificacin.

a. Cuando se lleva a cabo en fase lquida se utiliza un catalizador de cloruro de aluminio,que es altamente corrosivo e involucra un complejo proceso de recuperacin y altos costosde tratamiento de residuos contaminados con aluminio.

b. El proceso en fase gaseosa se lleva a cabo en un reactor PBR con zeolitas como

catalizador que garantizan alta selectividad del proceso y menores costos en lo referente alcatalizador. En la literatura se reportan condiciones de operacin de 425C y presionesentre 1 y 2 atm, usando benceno en exceso.

Dadas las caractersticas anteriores se considera sta ltima como la alternativa deproduccin ms favorable.


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2. DESCRIPCIN DEL PRODUCTO

ETILBENCENO (EB)

El EB es un hidrocarburo lquido, inflamable, incoloro, de olor similar a la gasolina. Se le

encuentra en productos naturales tales como carbn y petrleo, como tambin en productosde manufactura como tinturas, insecticidas y pinturas.

Propiedades fsicas:Formula molecular C6H5C2H5.Masa molecular: 106.2 g/molPunto de ebullicin: 136CPunto de fusin: -95CDensidad relativa (agua = 1): 0.9Solubilidad en agua, g/100 ml a 20C: 0.015Presin de vapor, kPa a 20C: 0.9Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.7Punto de inflamacin: 18CTemperatura de autoignicin: 432CLmites de explosividad, % en volumen en el aire: 1.0-6.7

Aplicaciones e importancia industrial

El 98% del EB producido a nivel mundial es usado como materia prima para la produccinde estireno (fenileteno) que es polimerizado en poliestireno, uno de los polmeros msimportantes de la industria qumica. El EB restante es usado como solvente encombustibles, tinturas, insecticidas y pinturas.

Esto hace que la demanda de EB sea determinada por la demanda de estireno, que por susmltiples usos, en la actualidad, garantiza un mercado seguro y estable.

Requerimiento de cantidad y calidad del producto

Escala de produccin: 2000 ton/aoPureza: 95.95%

Clientes potenciales: Dow Qumica, Cartagena, mayor productor de poliestireno en elpas

Reactividad

Reacciona con oxidantes fuertes. Ataca al plstico y al caucho.


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Efectos sobre la salud

Vas de exposicin: La sustancia se puede absorber por inhalacin del vapor, atravs de la piel y por ingestin.

Riesgo de inhalacin: Por evaporacin de esta sustancia a 20C se puede alcanzarbastante lentamente una concentracin nociva en el aire. Efectos de exposicin de corta duracin: La sustancia irrita los ojos, la piel y el

tracto respiratorio. La ingestin del lquido puede dar lugar a la aspiracin delmismo por los pulmones y la consiguiente neumonitis qumica. La sustancia puedecausar efectos en el sistema nervioso central. La exposicin por encima del LELpodra causar disminucin de la consciencia.

Efectos de exposicin prolongada o repetida: El contacto prolongado o repetido conla piel puede producir dermatitis.

Modo de Almacenamiento

Se debe almacenar en ambiente fresco y seco, separado de oxidantes fuertes.


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3. MATERIAS PRIMAS:

a. BENCENO

El benceno es un lquido incoloro de aroma dulce y sabor ligeramente amargo, similar al de

la hiel. Sus vapores son explosivos, y el lquido es violentamente inflamable.La molcula de benceno consiste en un anillo cerrado de seis tomos de carbono unidos porenlaces qumicos que resuenan entre uniones simples y dobles. Cada tomo de carbono esta su vez unido a un tomo de hidrgeno, su frmula molecular es C 6H6..

Aunque insoluble en agua, es miscible en cualquier proporcin con disolventes orgnicos.El benceno es un disolvente eficaz para ciertos elementos como el azufre, el fsforo y elyodo, tambin para gomas, ceras, grasas y resinas, y para los productos orgnicos mssimples.

Propiedades fsicas:

Masa Molecular 78 g/molPunto de ebullicin: 80CPunto de fusin: 6CDensidad relativa (agua = 1): 0.88Solubilidad en agua, g/100 ml a 25C: 0.18Presin de vapor, kPa a 20C: 10Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.7Punto de inflamacin: -11CTemperatura de autoignicin: 498CLmites de explosividad, % en volumen en el aire: 1.2-8.0


Del benceno se derivan otros hidrocarburos aromticos entre los que se encuentran: eltolueno, el orto-xileno, el meta-xileno, el saca-xileno y el para-xileno y otros llamadospolinucleicos que son el naftaleno, el fenantreno, antraceno y el pireno.

El benceno se usa en grandes cantidades en los EEUU y Bolivia. Se encuentra en la lista delos 20 productos qumicos de mayor volumen de produccin. Algunas industrias usan elbenceno como punto de partida para manufacturar otros productos qumicos usados en lafabricacin de plsticos, resinas, nylon y fibras sintticas como lo es el kevlar y en ciertospolmeros. Tambin se usa benceno para hacer ciertos tipos de gomas, lubricantes, tinturas,detergentes, medicamentos y pesticidas. Los volcanes e incendios forestales constituyenfuentes naturales de benceno. El benceno es tambin un componente natural del petrleocrudo, gasolina y humo de cigarrillo.

Mezclado con grandes proporciones de gasolina constituye un combustible aceptable. EnEuropa era frecuente aadir al benceno mezclado con tolueno y otros compuestos asociados


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al combustible de los motores, y slo recientemente se ha tenido en cuenta su condicin deagente cancergeno.

Efectos sobre la salud

Respirar, inhalar, aspirar, o ingerir niveles de benceno muy altos puede causar la muerte,mientras que niveles bajos pueden causar somnolencia, mareo, alucinaciones, aceleracindel latido del corazn o taquicardia, dolores de cabeza, migraas, temblores, tiritar,confusin y prdida del conocimiento. Comer o tomar altos niveles de benceno puedecausar vmitos o acidez, irritacin del estmago, lceras estomacales, mareo, somnolenciao convulsiones; y en ltimo extremo la muerte.

La exposicin de larga duracin al benceno se manifiesta en la sangre. El benceno produceefectos nocivos en la mdula de los huesos y puede causar una disminucin en el nmerode glbulos rojos, lo que conduce a anemia. El benceno tambin puede producirhemorragias y daos en el sistema inmunitario, aumentando as las posibilidades decontraer infecciones por inmunodepresin.

Son conocidos sus efectos cancergenos A partir del benceno se obtienen numerososcompuestos, como el nitrobenceno. Tambin es empleado en la produccin de medicinas yde otros derivados importantes como la anilina y el fenol. El benceno y sus derivados seencuentran incluidos en el grupo qumico conocido como compuestos aromticos.

Proveedor Potencial: ECOPETROL

b. ETENO O ETILENO

Es el miembro ms simple de la clase de compuestos orgnicos llamados alquenos, quecontienen al menos un doble enlace carbono-carbono. El eteno es un gas incoloro, con unolor ligeramente dulce, y su frmula es CH2CH2. Es ligeramente soluble en agua, y seproduce comercialmente mediante craqueo y destilacin fraccionada del petrleo, as comodel gas natural. El eteno arde con una llama brillante.

Propiedades Fsicas

Masa Molecular 28 g/molPunto de ebullicin a 101.3 kPa: -104CPunto de fusin: -169.2CSolubilidad en agua, ml/100 ml a 15C: 14Presin de vapor, kPa a 15C: 8100Densidad relativa de vapor (aire = 1): 0.98Temperatura de autoignicin: 520CLmites de explosividad, % en volumen en el aire: 2.7-36.0



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La mayor parte del etileno se emplea para la obtencin de polmeros. Mediante reaccionesde polimerizacin se obtiene el polietileno. Tambin se obtiene dicloroetileno, intermediopara la sntesis de cloruro de vinilo, que se polimeriza a cloruro de polivinilo, y otroshidrocarburos clorados. Adems se puede hacer reaccionar con benceno para daretilbenceno, que puede polimerizarse produciendo poliestireno. Se emplea como producto

de partida de otros polmeros, como la sntesis del monmero acetato de vinilo para laobtencin de acetato de polivinilo o la sntesis de etilenglicol (a travs del intermedio xidode etileno) que con cido terftlico genera tereftalato de polietileno.

El etileno se utiliza, en combinacin con otros hidrocarburos saturados e insaturados,sintetizados a partir del caucho, teniendo estas muchas aplicaciones en la industria. Destacafundamentalmente el EPDM, con el que se obtienen pelculas de caucho saturado conmltiples aplicaciones en la industria automovilstica y de la construccin.

El etileno tambin se emplea para provocar la maduracin de la fruta.

Efectos sobre la salud Vas de exposicin: La sustancia se puede absorber por inhalacin. Riesgo de inhalacin: Al producirse prdidas en zonas confinadas este gas puede

originar asfixia por disminucin del contenido de oxgeno del aire. Efectos de exposicin de corta duracin: La exposicin podra causar disminucin

de la consciencia.

Proveedor Potencial: ECOPETROL


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4. CATALIZADOR:

Un catalizador es una sustancia que modifica y, muy particularmente, acelera (actividadcataltica) una reaccin qumica, solamente con su presencia, es decir que el catalizador seencuentra al final de la reaccin idntico a s mismo. Dado que cualquier reaccintermodinmicamente posible puede ocurrir en un cierto grado a una temperatura elevada,se deduce que el propsito de usar catalizadores es el de proveer la selectividad pertinentepara dirigir la transformacin por un camino deseado.

Para la obtencin de EB, se han desarrollado muchos catalizadores de diferentes especies,pero en los ltimos aos las investigaciones han demostrado que la utilizacin de distintostipos de zeolitas como catalizador es el medio ms eficiente para alcanzar una altaselectividad y por tanto un mayor grado de pureza del producto, adems por el bajo nivelde polietilbencenos a la salida del reactor, el transalquilador tipicamente utilizado en lasplantas de produccin de EB deja de ser imprescindible. En este caso se utilizan zeolitasdel tipo ZSM-5.

La ZSM-5 es una zeolita que por su estructura particular tiene una selectividad de formacapaz de discernir diferencias muy pequeas entre un grupo de molculas, distincin quepara otras zeolitas sera imposible. Presenta canales interconectados ms o menos elpticosy con aberturas de 5.3 a 6 , o sea que difiere de las zeolitas de poros grandes como lasfaujasitas o la mordenita as como de las de poro pequeo como la erionita o la zeolita A.Podemos decir, que la selectividad de forma de la ZSM-5 combina dos tipos de efectos: elprimero relacionado con restricciones estricas en los sitios activos y el segundo debido ala presencia de caminos difusionales preferenciales (que son los canales elpticos y linealespara hidrocarburos aromticos e isoparafinas) o los canales en zigzag, casi circulares (paralas molculas de reactivos ms ligeros).

Proveedor: Fabrica carioca de catalizadores, Brasil


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5. ESTUDIO TERMODINMICO Y CINTICO

5.1. Anlisis Dowden

Como adems de la reaccin principal (R1) se pueden presentar otras reaccionessecundarias dentro del sistema, es necesario analizar la viabilidad de que stas se presenteny la manera de ajustar las condiciones de operacin de tal manera que la cantidad desubproductos sea mnima.

C6H6 + C2H4 C6H5C2H5 (R1)

Las reacciones secundarias posibles se presentan a continuacin:

El EB puede reaccionar con el etileno para producir dietilbenceno:

C6H5C2H5 + C2H4 C6H4(C2H5)2 (R2)

Y este puede seguir alquilndose para producir otros polietilbencenos:

C6H4(C2H3)2 + C2H4 C6H3(C2H5)3 (R3)

C6H3(C2H3)3 + C2H4 C6H2(C2H5)4 (R4)

El etileno puede polimerizarse para producir polietileno o descomponerse en metano

y coque:nC2H4 -(C2H4)-n (R5)

C2H4 CH4 + C(s) (R6)

Sin embargo en el sistema reactivo la reaccin (R5) no es factible, dado que se requiere dealtas presiones (>1000 atm) y temperaturas (>200C) para la obtencin de polietileno y dela presencia de un iniciador de la polimerizacin. La factibilidad de las dems reaccionesfue estudiada mediante anlisis termodinmico.

5.2Anlisis termodinmico

El anlisis termodinmico se realiza empleando la ecuacin de Peng-Robinson para losclculos de la fase vapor. Las propiedades termodinmicas de las sustancias involucradasen el anlisis son presentados en la tabla 1.

Sustancia A B*10^3 C*10^5 D*10^8 E*10^11o

fGo

fH

Benceno 3.551 -6.184 14.365 -19.807 8.234 82.88 129.75Etileno 4.221 -8.782 5.795 -6.729 2.511 52.50 68.48


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Etilbenceno 4.544 10.578 13.644 -19.276 7.885 29.92 130.73Dietilbenceno -0.359 75.371 0.442 -5.736 2.783 -33.37 140.3Trietilbenceno 1.319 87.791 1.406 -7.682 3.595 -99.726 144.8Tetraetilbenceno 1.422 93.251 2.152 -10.123 4.304 -145.4 154.7Metano 4.568 -8.975 3.631 -3.407 1.091 -74.52 -50.45Coque (s) 2.673 2.617 -1.17e10 0 0 0 0

Tabla 1. Propiedades fsicas de las sustancias.

Donde A, B, C, D y E son los parmetros de la ecuacin (1) para el clculo de lascapacidades calorficas en la fase vapor, excepto para el coque.

432 ETDTCTBTAR

Cp++++=

(1)

Para el coque(s)

2T

C

BTACp++=

(2)Cp

Como primera aproximacin de la temperatura ptima del reactor se simula el calor dereaccin de la mezcla, para determinar si es exotrmica o endotrmica. En la Figura1 semuestra el calor de reaccin a una presin de 1 bar para las reacciones involucradas en elsistema, todas ellas son exotrmicas. Siendo la menos exotrmica la reaccin principal.

Figura 1. Calor de reaccin a P=1 bar

Sabiendo la naturaleza de la reaccin se procede a calcular la espontaneidad de lasreacciones involucradas en el proceso y determinar las condiciones ptimas de operacin,tomando como criterio de espontaneidad que la energa libre de Gibbs sea inferior a los 50KJ/mol


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La siguiente figura muestra la espontaneidad de las reacciones a la misma presin:

Figura 2. Energa libre de Gibbs a P=1 bar

La reaccin ms espontnea a todas las temperaturas es la de produccin de coque, atemperaturas altas todas las dems reacciones son menos espontneas.

Despus de este anlisis se pueden descartar las reacciones de produccin de trietilbencenoy tetraetilbenceno (R3 y R4) siempre y cuando la reaccin se lleve a cabo a temperaturassuperiores a los 450K.

En la figura 3 se analizan los efectos de la presin sobre la espontaneidad de las reacciones1, 2 y 6 a diferentes temperaturas. En ella se evidencia que a medida que aumenta lapresin todas las reacciones se ven favorecidas. Pero dado que las reacciones secundarias sefavorecen en mayor proporcin que la deseada, es ms conveniente utilizar presionescercanas a la atmosfrica.


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Figura 3. Energa libre de Gibbs vs. Temperatura a diferentes presiones para las reacciones 1, 2 y 6Despus de tener los valores reales de la energa libre de gibbs se calcula la constantetermodinmica de cada una de las reacciones, la figura 4 presenta la reversibilidad de todaslas reacciones a una presin de 1 bar. De acuerdo a ella todas las reacciones son de carcterirreversible.

Figura 4. Reversibilidad de las reacciones a P=1 bar

Del anlisis termodinmico se concluye que dentro del sistema reactivo son factibles dosreacciones adems de la principal (R2 y R6) y que las mejores condiciones de operacin,termodinmicamente hablando, son T>450K y presin atmosfrica (Fase Gaseosa).


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5.3 Aspectos cinticos involucrados

Las ecuaciones (3, 4, 5) describen las velocidades de reaccin para las reacciones presentesen el sistema.

e HCb

HCEB CCkr 22661 = (3) 222 HCEBDEB CCkr = (4)

c

HCC Ckr 223 = (5)

Los parmetros k1, k2 y k3, de las ecuaciones se relacionan con la temperatura mediante laecuacin de Arhenius:

=

RT

Ekk ii exp0 (6)

En la tabla 3 se presentan los parmetros ik0 yEde las ecuaciones (3, 4, 5).

Reaccin i ik0 (kg cat/min) E (J/mol)

R1 1 0.8974e-6 -1274R2 2 5.39e-7 -1894R6 3 1.44e-4 15641.5

Tabla 3. Parmetros para la ecuacin de Arrhenius.

Los parmetros b, e y c son 1.4587, 0.5429 y 0.5 respectivamente.

Figura 5. Variacin de la constante K de la ley de velocidad de reaccin


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con la temperatura

Anlisis de selectividadDefiniendo la selectividad como la relacin entre la velocidad de reaccin del productodeseado y la suma de las velocidades de reaccin de los productos indeseados se tiene:

CDEB

EB

rr

rS

+=

[ ] 4571.04587.1

*3*2

*1

CEKCEBK

CBKS

+=

La expresin indica que para aumentar la selectividad hacia el producto deseado, esnecesario mantener elevada la concentracin de benceno en la alimentacin.


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6. RELACIN DE ALIMENTACIN, RELACIN SELECTIVIDAD-CONVERSIN Y DISTRIBUCIN DE PRODUCTOS

6.1 Relacin selectividad-conversin:

Figura7. Selectividad hacia el etilbenceno vs. Conversin del etileno.

6.2 Distribucin de productos:

Figura 8. Distribucin de productos vs. Conversin

Selectividad vs. Conversin

S = 0,0718x2 - 0,208x + 0,9888

R2 = 0,9988

0,84

0,86

0,88

0,9

0,92

0,94

0,96

0,98

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Conversin

Selectividad


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7. RESTRICCIONES DE SEPARACIN DE PRODUCTOS Y SUBPRODUCTOS

A la salida del reactor se tendr el benceno y el etileno no convertidos, producto principal:etilbenceno, y los subproductos: dietilbenceno y metano.

La siguiente tabla muestra las temperaturas de ebullicin normal de dichas sustancias:Sustancia Temperatura de ebullicin normal (K)Benceno 353.2Etileno 169.3

Etilbenceno 409.3Dietilbenceno 456.9

Metano 111.6Tabla 4. Temperaturas normales de ebullicin

Tanto el etileno como el metano, se encuentran en estado gaseoso a condiciones normales.

La mezcla benceno, etilbenceno y dietilbenceno puede separarse hasta obtener benceno ydietilbenceno puros y etilbenceno con un 95% de pureza.

Figura 9. Curvas de residuo para la mezcla etilbenceno, dietilbenceno y benceno a P=1 atm.


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Los siguientes diagramas muestran el equilibrio lquido-vapor a P=1atm para las mezclasetilbenceno-benceno y etilbenceno-dietilbenceno. Ninguna de ellas presenta azetropos.

Figura 10. Diagrama equilibrio lquido vapor de la mezcla etilbenceno-benceno a P=1atm

Figura 11. Diagrama equilibrio lquido vapor de la mezcla etilbenceno-dietilbenceno a P=1atm


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Figura 12. Diagrama equilibrio lquido vapor de la mezcla benceno-dietilbenceno a P=1atm

Ninguna de las mezclas binarias presenta azetropos.

8. UTILIZACIN DE SUB-PRODUCTOS

El dietilbenceno, que es el subproducto principal, se utiliza en la industria como materiaprima para la produccin de divinilbenceno, un monmero especialmente valioso por su

bifuncionalidad. Este se obtiene mediante la deshidrogenacin cataltica del dietilbenceno.

Otra alternativa es la transalquilacin del dietilbenceno a altas temperaturas utilizandocloruro de aluminio como catalizador.

Puede utilizarse el potencial energtico de la corriente de metano y etileno (trazas).


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9. DIAGRAMA ENTRADA SALIDA

Diagrama con reciclo interno del benceno que no reacciona.

Figura 13. Diagrama Entrada-Salida

SUSTANCIAPRECIO

(/ton)

PRECIO

(/kmol)Etilbenceno 1140 120,84Etileno 910 25,48

Benceno 970 75,66Dietilbenceno 520 69,68

Tabla 14. Costos de materias primas y producto

SUSTANCIACALOR DE COMBUSTIN

(BTU/Kmol)PRECIO(/BTU)

PRECIO(/kmol)

Etileno 13382530 2,67E-06 21,13

Metano 8844150 2,67E-06 13,96Tabla 15. Precios de subproductos

POTENCIAL ECONMICO:

El potencial econmico global (PE) se calcula como la diferencia entre el precio deproductos y coporductos y el costo de las materias primas, para una produccin anual de2000 ton de etilbenceno:

[ ] [ ]48.2566.75)(13.2196.1368.6984.120 4++++=

EOBBOECHDEBEB FFFFFFFPEEn la figura 10 se observa que se obtiene utilidades significativas cuando la conversin deetileno supera el 65%.

Benceno

Etileno

EtilenoMetano

Etilbenceno

Dietilbenceno

PROCESO


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Figura 16. Potencial econmico vs. Conversin


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11. DIAGRAMA REACCIN-SEPARACIN

Figura 17. Diagrama Reaccin-Separacin

Resumen Generalidades del Proceso:

- Produccin anual: 2000 ton/ao.- Reaccin catalizada- Tipo de catalizador: Zeolitas ZSM5 (Slido)- Tipo de reactor: PBR- Producto principal: Etilbenceno- Subproductos: Dietilbenceno, metano- Condiciones de operacin: temperatura 450K y presin de 1 atm.- Relacin de alimentacin: 8 kg Benceno / kg Etileno

- Posibilidad de separar la mezcla benceno, etilbenceno y dietilbenceno que sale del reactor.- El benceno no convertido puede recircularse al proceso.

.

REACTORSISTEMA DESEPARACIN

Etileno

Benceno Dietilbenceno

Etilbenceno

Benceno

EtilenoMetano


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Figura 18. Diagrama de flujo para el proceso de produccin de Etilbenceno por alquilacin de Benceno con Etileno


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ETILBENCENO

Stream ID C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15

From M1 IC1 R1 IC2 FL1 FL1 IC3 TDRB TDRB TDP IC4 TDP IC5

To M1 M1 IC1 R1 IC2 FL1 IC3 TDRB M1 TDP IC4 IC5

Phase LIQUID VAPOR MIXED VAPOR MIXED MIXED VAPOR LIQUID MIXED VAPOR LIQUID LIQUID LIQUID LIQUID LIQUID

Substream: M IXED

Mole Flow kmol/hr

EB 0.0 0.0 .0334962 .0334962 67.35094 67.35094 .3584324 66.99251 .3584324 .0334962 66.95901 66.28942 66.28942 .6695901 .6695901

BENZE-01 80.10559 0.0 98.99997 98.99997 19.80297 19.80297 .7177618 19.08521 .7177618 18.89438 .1908521 .1908521 .1908521 4.45376E-9 4.45376E-9

ETHYL-02 0.0 98.55296 98.99624 98.99624 4.949812 4.949812 4.506528 .4432843 4.506528 .4432845 9.7287E-19 0.0 0.0 0.0 0.0

DEB 0.0 0.0 0.0 0.0 11.87955 11.87955 9.63219E-3 11.86992 9.63219E-3 0.0 11.86992 5.93496E-3 5.93496E-3 11.86398 11.86398

METHA-01 0.0 0.0 .0678965 .0678965 3.037784 3.037784 2.969887 .0678965 2.969887 .0678965 1.6196E-23 0.0 0.0 0.0 0.0

COQUE 0.0 0.0 0.0 0.0 2.969887 2.969887 0.0 2.969887 0.0 0.0 2.969887 1.49336E-5 1.49336E-5 2.969872 2.969872

Total Flow kmol/hr 80.10559 98.55296 198.0976 198.0976 109.9909 109.9909 8.562241 101.4287 8.562241 19.43905 81.98967 66.48622 66.48622 15.50344 15.50344

Total Flow kg/hr 6257.339 2764.781 10515.11 10515.11 10515.11 10515.11 269.4839 10245.63 269.4839 1492.990 8752.638 7053.480 7053.480 1699.157 1699.157

Total Flow l/min 119.3473 2035.872 44871.64 1.21913E+5 59470.25 5025.217 3864.211 200.0018 3249.948 9377.128 187.1605 154.3227 135.8503 33.29452 27.55413

Temperature K 298.1500 298.1500 305.3229 450.0000 450.0000 348.1500 330.0000 330.0000 298.1500 352.7243 414.7811 408.9982 298.1500 461.3656 298.1500

Pressure atm 1.000000 19.73847 1.085616 1.000000 1.085616 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000

Vapor Frac 0.0 1.000000 .5873054 1.000000 .9537233 .0921125 1.000000 0.0 .9305757 1.000000 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

Liquid Frac 1.000000 0.0 .4126946 0.0 .0462767 .9078874 0.0 1.000000 .0694242 0.0 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000 1.000000

Solid Frac 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

Enthalpy cal/mol 11733.75 12541.80 13010.36 18985.79 16592.04 4845.379 2754.178 4042.462 1744.957 20646.65 6453.722 2676.702 -2898.126 24507.62 15442.19

Enthalpy cal/gm 150.2138 447.0630 245.1065 357.6796 173.5573 50.68400 87.50778 40.01920 55.44205 268.8240 60.45475 25.23064 -27.31779 223.6124 140.8976

Enthalpy cal/sec 2.61094E+5 3.43342E+5 7.15923E+5 1.04473E+6 5.06937E+5 1.48041E+5 6550.539 1.13895E+5 4150.206 1.11487E+5 1.46983E+5 49434.40 -53523.74 1.05542E+5 66501.98

Entropy cal/mol-K -60.33300 -18.68433 -33.54363 -16.14593 -50.72467 -78.63912 -16.77338 -86.37517 -19.98636 -32.99591 -84.57160 -90.06660 -105.7325 -65.52512 -71.65515

Entropy cal/gm-K -.7723748 -.6660187 -.6319395 -.3041785 -.5305941 -.8225868 -.5329361 -.8550890 -.6350215 -.4296139 -.7922180 -.8489693 -.9966366 -.5978641 -.6537957

Densit y mol/cc .0111866 8.06804E-4 7.35794E-5 2.70818E-5 3.08252E-5 3.64797E-4 3.69297E-5 8.45231E-3 4.39096E-5 3.45505E-5 7.30119E-3 7.18043E-3 8.15680E-3 7.76076E-3 9.37757E-3

Density gm/cc .8738278 .0226338 3.90563E-3 1.43751E-3 2.94688E-3 .0348744 1.16231E-3 .8537943 1.38199E-3 2.65360E-3 .7794234 .7617675 .8653496 .8505690 1.027769

Average MW 78.11364 28.05376 53.08045 53.08045 95.59978 95.59978 31.47352 101.0131 31.47352 76.80362 106.7529 106.0894 106.0894 109.5987 109.5987

Liq Vol 60F l/min 118.1679 139.1430 285.9375 285.9375 207.0434 207.0434 10.82652 196.2169 10.82652 28.62667 167.5903 135.1539 135.1539 32.43639 32.43639

Tabla 9. Resultados obtenidos a travs de Aspen Plus


26/38

12. RED DE INTERCAMBIO DE CALOR

Corriente Tipo Tin (K) Tout (K) mCp (kW/K) Q (kW)C5 Caliente 450 348.15 14.75 -1522.11

C7 Caliente 330 298.15 0.32 -10.2418C12 Caliente 409 298.15 3.89 -431.11C14 Caliente 461.36 298.15 1.44 -150.348C3 Fra 305.33 450 9.52 1376.66

Total -737.15Tabla 16. Resumen corrientes calientes y fras

El calor disponible corresponde a -737.15kW.

12.1 Diagrama de Cascada (Tmin=10C)

Figura 19. Diagrama de Cascada

Del diagrama de cascada se aprecia que la temperatura pinch corresponde 445K.


27/38

Para la utilidad Caliente H = 84.6939kW y para la utilidad fra H = 821.844 kW, de ahque el calor disponible corresponde a -737.15 kW, valor igual al calor total de lasorrientes (Tabla 16).

12.2 Tablas de Entalpas

Corrientes Calientes

Temperatura(K)

H(Kw)

Hacumulado(Kw)

298.15 0 0315.32 89.46 89.46

330 76.48 165.94348.15 88.75 254.69408.99 1194.90 1449.59

450 695.91 2095.40461.36 11.36 2106.86

Tabla 17. Entalpas corrientes calientes Corriente Fra

Temperatura(K)

H(Kw)

Hacumulado(Kw)

305.32 814.29 814.29450 1377.35 2191.64

Tabla 17b. Entalpas corriente fras

12.3 Diagrama de Curvas Compuestas

Ahora se realiza una grfica de temperatura contra entalpa que corresponde al diagramade curvas compuestas

Figura 20. Diagrama de Curvas Compuestas


28/38

Del esquema anterior se observa que el nmero mnimo de intercambiadores de calor essiete.

12.4 Anlisis de Tmin

Para el clculo de los costos y para su anualizacin, se han empleado los siguientesdatos:

Costes de la calefaccin: 50. $/kJ. Costes de la refrigeracin: 35. $/kJ. Tiempo de amortizacin: 10. aos. Tasa de inters: 5.%. Factor de Lang: 3.4

Figura 21. Variacin de los consumos de calefaccin y refrigeracin con T mnima


29/38

Figura 22. Variacin del nmero mnimo de cambiadores con T mnima

Figura 23. Variacin de la temperatura de pinch con T mnima

12.4.2 Clculo de rea mnima de intercambiadores

+=filmCfilmH hhU

111

Luego se aplica la ecuacin:

TmlU

QA

=

Se escoge intercambio a contracorriente pues as se obtiene mayor eficiencia en elintercambio de calor.

Para proceso a contracorriente,

)12(

)21(ln

)12()21(

tT

tT

tTtTTml

=

Se obtiene el siguiente valor para el rea mnima total de los intercambiadores de calor:

Atotal=100.475 m2.


30/38

Figura 24. Variacin del rea mnima con T mnima

12.5. Costos mnimos totales:

Los costos totales corresponden a la suma de costos Energticos y de operacin ms los

costos de inmovilizados. Del libro Chemical Process Design and Integration de RobinSmith, se tienen los siguientes datos para calcular costos:

ArercambiadoCosto *50040000int += ($/ao)50=vaporCosto $/kJ

35=toenfriamienaguaCosto $/kJ.

Resolviendo por el programa int (integracin energtica), se obtiene la curva de lafuncin objetivo (costo total vs Tmin) la cual debe ser caracterizada. Para este caso se

busca obtener el punto mnimo de la funcin en cuanto a costo total.

En el clculo del rea y coste mnimos de la red de intercambio, se han obtenido lossiguientes resultados, para un T mnimo de 11.3 K que corresponde al valor de costomnimo observado en la figura 25.

Nmero mnimo de cambiadores: 10. rea mnima de la red de intercambio: 59.1914 m2. Costes mnimos:

o De operacin: 34819. $/ao.o De inmovilizado totales: $761668.o De inmovilizado anuales: $76166.8.


31/38

o Totales anuales: $110986.

Figura 25. Costo total contra Tmin

1-1522.11 14.9446450. 348.15

2-10.2418 0.321564330. 298.15

3-431.11 3.88913409. 298.15

4-163.129 1.44094461.36 348.15

51376.66 9.51613305.334450. 305.334431.8

450.

450.

438.7

438.7

1

16.3691

450.

440.4

2

114.218

370.7

438.7

3

65.6623

445.6

438.7

Figura 26. Diagrama de Trama


32/38

13. ANLISIS DE SENSIBILIDAD

13.1. Anlisis de sensibilidad para evaluar la produccin de etilbenceno en funcindel flujo de etileno en la alimentacin.

STATUS

VARY 1C2

MIXEDETHYL-02

MOLEFLOWKMOL/D

FEB(kmol/d)

FET(kmol/d)

OK 60 41,07 3,02OK 63,10 43,19 3,17OK 66,21 45,30 3,33

OK 69,31 47,42 3,48ERROR 72,41 49,53 3,64OK 75,52 51,65 3,80OK 78,62 53,76 3,95OK 81,72 55,88 4,11OK 84,83 58,00 4,26OK 87,93 60,11 4,42OK 91,03 62,23 4,57OK 94,14 64,34 4,73OK 97,24 66,46 4,88OK 100,34 68,57 5,04

OK 103,45 70,69 5,20OK 106,55 72,80 5,35OK 109,66 74,92 5,51OK 112,76 77,03 5,66OK 115,86 79,15 5,82OK 118,97 81,26 5,97OK 122,07 83,38 6,13

ERROR 125,17 167,71 8,14ERROR 128,28 167,55 11,31ERROR 131,38 167,38 14,45

ERROR 134,48 167,21 17,58ERROR 137,59 167,05 20,70ERROR 140,69 166,88 23,82ERROR 143,79 166,71 26,93ERROR 146,90 166,54 30,04ERROR 150,00 166,38 33,15

OK 99,00 67,66 4,97Tabla 18. Resultados anlisis de sensibilidad. Produccin de etilbenceno en funcin del

flujo de entrada de etileno.

Se observa que para valores mayores que 122 kmol/h la simulacin presenta errores.

Flujos mayores a 99 kmol/d, slo representan incrementos en los costos de separacin,rea de equipos y recirculacin.


33/38

13.1. Anlisis de sensibilidad para evaluar la influencia de la temperatura en lascomposiciones de salida del flash.

ANLISIS DE SENSIBILIDAD FLASH

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

290 340 390 440 490

Temperatura (K)

C

omposiciones

X etileno vapor X etileno LqX benceno vap X benceno lq

Figura 27. Resultados anlisis de sensibilidad para la columna flash.

El anlisis muestra que se logran mayores concentraciones de las sustancias de intersen la corriente de vapor cuando se emplean temperaturas menores que 390 K en lacolumna.

15. OPTIMIZACIN

15.1 Relacin ptima de alimentacin

De acuerdo a las caractersticas del sistema reaccionante, donde el etileno participa entodas las reacciones involucradas, para mejorar la selectividad hacia el etilbenceno debealimentarse benceno en exceso.

Para definir la mejor relacin de alimentacin se construye una grfica de laselectividad, definida como la relacin entre las moles de etilbenceno producidas y lasmoles de etileno convertidas, con respecto a la relacin de alimentacin (kg de

benceno/moles de etilbenceno).

De acuerdo a los resultados mostrados en la figura 6, se obtiene una mayor selectividada medida que la relacin molar de alimentacin benceno/etileno aumenta.


34/38

Figura 28. Relacin de alimentacin vs. Selectividad

Industrialmente se utiliza relaciones de alimentacin en un rango de 7 a 10 kg-benceno/kg-etileno. Se ha seleccionado un valor de esta relacin de 8 para el diseo, yaque el incremento en la relacin por encima de este valor no genera un cambiosignificativo en la cantidad de producto deseado obtenido.

El costo del benceno es superior al costo del etileno, no obstante, dado que el bencenono convertido puede separarse y recircularse al reactor, es viable usar la relacin dealimentacin encontrada (8 kg-benceno/kg-etileno).

15.2 Optimizacin del potencial econmico del proceso

Para el proceso produccin de etilbenceno por alquilacin de benceno con etileno sedispone de la siguiente informacin:

SUSTANCIAPRECIO

(/ton)PRECIO(/kmol)

Etilbenceno 1140 120,84Etileno 910 25,48

Benceno 970 75,66Dietilbenceno 520 69,68

Tabla 19. Costos de materias primas y producto


35/38

SUSTANCIACALOR DE COMBUSTIN

(BTU/Kmol)PRECIO(/BTU)

PRECIO(/kmol)

Etileno 13382530 2,67E-06 21,13Metano 8844150 2,67E-06 13,96

Tabla 19b. Precios de subproductos

La produccin por hora del etilbenceno y los dems subproductos se encuentran enfuncin de la conversin. Estos datos fueron obtenidos en la simulacin ya realizada enASPEN y las correlaciones son presentados a continuacin:

Kmol etilbenceno producido/h = 10,853x3-26,113x2+100,17x- 0,1426Kmol dietilbenceno producido/h= 7,1246x - 1,1613

Kmol metano producido/h = 1,9544x - 0,0773

Para comenzar con la optimizacin, primero es necesario conocer la variable de diseo,siendo para el caso planteado la conversin (X) y posteriormente plantear la funcinobjetivo en funcin de la variable de diseo que ser la funcin potencial econmicoPE:

PE=[Valor producto]-[Costo materia prima]-[Costo servicios]- [Costo anualizado deinstalacin]

Con la informacin disponible para la optimizacin se establece que:

[Valor producto, /*d] = 120,84/kmol*(10,853x3-26,113x2+100,17x-0,1426)+69,68/kmol *(7,1246x-1,1613)+3,96/kmol*(0,4741x2+1,4356x+0,0218)+21,13/kmol*0.911*(0,0002x2 - 99,206x + 99,206)

Costo materia prima: Costo Etileno + Costo Benceno

[Materia prima, /*d] = 75,66 /kmol*[124.02-0.95*(0,0002x2-99,206x+ 99,206)]+25,48 /kmol*[99,206-0,089*(2,3777x2 - 47,666x + 124,52)]

[Costo servicios]= 23212 /ao.

[Costo anualizados de instalacin]= 50778 /ao.

Entonces se tiene la siguiente funcin objetivo:

PE={120,84/kmol*(10,853x3-26,113x2+100,17x-0,1426)+69,68/kmol*(7,1246x-1,1613)+3,96/kmol*(0,4741x2+1,4356x+0,0218)+21,13/kmol*0.911*(0,0002x2-99,206x+99,206)-75,66/kmol*[124.02-0.95*(0,0002x2-99,206x+99,206)]+25,48/kmol*[99,206-0,089*(2,3777x2-47,666x+124,52)]}/da*300da/ao+23212/ao+50778 /ao.

Obtenindose la siguiente grfica:


36/38

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Conversin

Potencialeconmico(Euros)

Figura 29. Potencial econmico en funcin de la conversin

A simple vista se puede observar que se trata de una funcin contnua unimodal.

El siguiente paso es conocer qu punto en la conversin entrega el mximo valor para elcosto beneficio, el cual es el punto de inters para nuestro proceso de optimizacin. Porlo tanto es necesario aplicar un mtodo para conocer este punto mximo. El mtodoaplicado es el de la anulacin del gradiente, el cual consiste en derivar la funcinobjetivo por primera vez e igualarla a cero. Las raices de la nueva funcin entregarnlos valores correspondientes para los extremos de la funcin inicial (mximos ymnimos). La segunda derivada determina si se trata de un mnimo o un mximo, paravalores positivos se trata de un mnimo y para valores negativos de un mximo.

La siguiente figura muestra la variacin de la derivada de la funcin objetivo con laconversin.


37/38

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Conversin

d(PE)/d

Figura 30. Variacin de la primera derivada con respecto a la conversin

Igualando la primera derivada a cero y despejar el valor de x, se obtiene un valorextremo de la funcin para un valor de conversin de 0.8, que corresponde al puntocrtico o estacionario.

Al derivar por segunda vez la funcin de potencial econmico se obtiene

d2(PE)/dx2= -245,584

El valor de la segunda derivada para x=0,8 es menor que cero indicando que existeefectivamente un punto mximo, correspondiente al mximo valor del potencialeconmico. Este valor mximo corresponde a:

PE(0,8)= 1092059/ao


38/38

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