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Infor estireno

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DESCRIPCION DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ESTIRENO

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Infor estireno

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ UN INGENIERO QUIMÍCO, UNA EMPRESA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERIA Y TECNOLOGÍA DESHIDROGENACION CATALITICA DEL ETIL BENCENO PARA PRODUCIR ESTIRENOPRESENTADO A: Ing. INGARUCA ALVAREZ EVER FLORENCIO POR: ALIAGA RIVERA, Javier CRISTOBAL CARDENAS, Blademir HUAMAN PECHO, Henrry JURADO DE LA CRUZ, Juan Carlos MENDOZA SOOLANO, Walter ALUMNO DEL: XIII SECCION: “A” Huancayo, Julio del 2 009
  2. 2. ÍNDICECARATULA iINDICE iiNOTACIÓN iiiINTRODUCCION ivRESUMEN vOBJETIVOS viI. MARCO TEORICO 1II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Materiales 2.2 Reactivos 2.3 ProcedimientoIII. CÁLCULO Y RESULTADOSIV. DISCUSION DE RESULTADOSV. CONCLUSIONESVI. RECOMENDACIONESVII. BIBLIOGRAFIAVIII. ANEXOS
  3. 3. INTRODUCCIONEl estireno es una de las sustancias más importantes como materia prima depolímeros. En Japón, produce 1,5 millones de toneladas de estireno por año, estoes comercialmente producido por deshidrogenación del etilbenceno (reacción 2) enel cual es hecho desde el benceno y etileno (reacción 1). C6H6 + C2H4 C6H5-C2H5………………… (1) C6H5-C2H5 C6H5 –C2H5 + H2………… (2)La formación del etilbenceno es una reacción exotérmica. La alquilacion conetilbenceno en fase liquida es la mas común. El catalizador que se utiliza es elAlCl3.La producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica enfase gas, y el H2 formado se puede quemar para aportar calor al reactor. Elcatalizador más usado esta constituido por una mezcla de Fe2O3 más Cr2O3.La producción de estireno esta favorecida por temperaturas altas y bajas presionesde H2. La deshidrogenación es liberada a calor en presencia de H2O (vapor deagua) el cual es una fuente de calor.Aunque las elevadas temperaturas alcanzadas con la adición de H2O (v) favorece laconversión a Estireno.
  4. 4. RESUMENOBJETIVOSNIVEL 0:INFORMACION DE ENTRADAI. INFORMACION BASICA I.1. LAS REACIONES Y SUS CONDICIONES DE OPERACIÓN I.1.1. INFORMACION DE LAS REACCIONES Esta información se obtuvo de la literatura de principal de paper y internet, la cual es: N Minura, I.Tarahara, M. Saito, T.Hattori, K. Ohkuma, M. Ando, Appl. Caltas.45 (1998)61-64. a). Estequiometria de todas la reacciones que tiene lugar La reacción principal es la reversible y endotérmica conversión de etilbenceno a estireno e hidrogeno. C6H5-C2H5 C6H5-C2H3 + H2 Al tratarse de una reacción en fase gas, en la que se producen dos moles del producto por un mol de reactante reaccionando, bajar la presión favorece la mezcla de la reacción. Se trata de una reacción que catalíticamente puede alcanzar altos rendimientos, dándose otra reacción secundaria. C6H5-C2H3 + 2H2 C6H5CH3 + CH4 b). El rango de temperaturas y presiones parciales para las reacciones Se da en la siguiente tabla 1: Parámetros básicos para un proceso comercial. Temperatura de reaccióna. 630ºC Presión Presión atmosféricab. Component of feed gas H2O/EB = 9 Temperature of starting materials 25ºC Temperatude of products and of gas. 40ºC Reacction pathruay Deshidrogenacion simple Yield of styrene R1:35%;R2:35%;total:70% Selectivity of styrene 100% Termic efficiency of boiler 90% Teermic efficiency of heat exchanger and evaporado. 100%
  5. 5. a. Temperatura de la cabeza de R1. b. La presión es una planta comercial esta alrededor de 0.5 – 0.8 atm. c). Las fases del sistema de reacción La fase que se presentan en la reacción del sistema es la fase gaseosa y liquida. d). Formación sobre la distribución de producto versus temperatura.I.2. VELOCIDAD DE PRODUCCIÓN Base de calculo 10000 Tn / año PM estireno = 104 Kg/Kg molI.3. PUREZA DEL PRODUCTO. Tabla Nº 2 Producto Pureza (%) Precio (us$/Tn) 99.00 900 Esterino 99.00 910 99.80 920 99.85 935 Fuente: www.cis.com Precio del estireno en diferentes continentes (99.8%) continente Precio (us$/Tn fob) Norte América 920-935 Europa 930 Asia 930-940
  6. 6. I.4. PROPIEDADES FISICAS DE LOS PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS. Constante Etilbenceno Hidrogeno Tolueno Metano Estireno Formula Empírica C8H10 H2 C7 H8 CH4 C8 H8 Peso Molecular 106.168 2.016 92.141 16.043 104.152 Punto de Fusión 178.2 -259.19 178 90.7 242.5 (ºC) Punto de 136 -252.72 383.8 111.7 418.3 Ebullición(ºC) Densidad(g/cm3)ºC 0.9 0.071 0.867 0.425 0.9 Entalpia (Cal/g. 8500 216 7930 1955 8800 mol) FUENTE: Chemical, prices, wekending March.I.5. DATOS DE COSTOS Costos y Precios de venta. Etilbenceno $ 0.250/ lb Costo Vapor a 800 K $ 0.022/ lb Costo Estireno $ 0.310/ lb Precio de Venta Tolueno $ 0.220/ lb Precio de Venta Hidrogeno $ 0.104/ lb Precio de Venta Metano $ 0.043/ lb Precio de Venta Agua $ 0.002/ lb CostoI.6. VELOCIDAD DE REACCIÓN Ecuación cinética. Donde:
  7. 7. I.7. ALGUNAS RESTRIBUCIONES DEL PROCESO Algunas retribuciones que se pueden presentar en el proceso de obtener el estireno, se da en una reacción que catalíticamente puede alcanzar estos rendimientos, aunque reacciones de competencia térmica, degradan el etilbenceno a benceno y también a carbón. El etilbenceno también reacciona catalíticamente tolueno. C6H5 – C2H3 C6H6 + C2H4 ∆H = 101.8 KJ/mol C6H5 – C2H3 8C + 5H2 ∆H = 1.72 KJ/mol C6H5 – C2H3 + 2H2 C6H5CH3 + CH4 La producción de carbón mediante estas reacciones secundarias es un gran problema, ya que se trata de un veneno del catalizador. Con el uso del vapor de agua nos evitamos en gran parte de este problema mediante la reacción del carbón en el agua (vapor) para formar CO2 e H2. C + 2H2O CO2 + 2H2 H = 99.6 KJ/mol El vapor del agua en la deshidrogenación de etilbenceno tiene tres menciones fundamentales. a. Baja la presión parcial de etilbenceno. b. Aportar el calor necesario de reacción. c. Limpiar el catalizador del carbono.1.8 INFORMACION SOBRE TOXISIDAD, SEGURIDAD E IMPACTO AMBIENTAL.1.8.1. ETILBENCENO: Feniletato C8H10/C6H5 – C2H5 a) Toxicidad. Limites de Exposición. TLV (Como TWA):100ppm 434 mg/m3 (ACGJH 1995 - 1996) TLV (Como ESTEL):125 ppm, 543 mg/m3 MAK; 100 ppm; 440mg/m3 (piel) (1996) Efectos de Exposición Corta Duración: La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio, la indigestión del líquido puede dar el lugar a la aspiración del mismo por los
  8. 8. pulmones y la consiguiente niumatitis química, la sustancia puede causar efectos en el sistema nervioso central, la exposición por encima de LEL podría causar disminución de la coenzima. b) seguridad Envasado y etiquetado: Símbolo: F Símbolo: Xn Derramas y fugas: Ventilar: Recoger el liquido procedente de la fuga en recipientes tapados, absorber el liquido residual en arena o absorbente inerte y trasladarlos a un lugar segur. No verterlo al alcantarillado (protección personal adicional: respirador de filtro par vapores orgánicos). Almacenamiento: A prueba de incendio separado de oxidantes fuertes. Nota: La alerta por el olor es insuficiente. c) Impacto ambiental La sustancia es nociva para los organismos acuáticos.1.8.2. TOLUENO: C7H8 a) Toxicidad. Nivel de toxicidad: RQ : 1000 IDLH: 2000ppm. LDLo (oral): 50 mg/Kg Nivel de irritación a los ojos: 300ppm. Estados Unidos: TLV TWA: 375mg/m3 (100ppm) TLV STEL: 560 mg/m3 (150 ppm) Alemania: MAX: 375 mg/m3 (100ppm) Riesgos de salud: Su toxicidad es moderada, su principal mitabolito es el ácido benzoico, el cual se conjuga con la glicina en el hígado, pulmones y se excreta por medio de la orina como acido hipúrico. El abuso d este producto provoca daño al hígado, pulmones y disfunción cerebral. El consumo de alcohol potencializa los efectos narcóticos del tolueno.
  9. 9. b) Seguridad. Empaque: Liquido inflamable. Derrama y fugas: Usar bata y lentes de seguridad. Dependiendo de la magnitud del derrame será necesario al uso de otro equipo de seguridad como botas y equipos de respiración autónoma. Mantener cualquier punto de ignición alejado del derrame o fuga y evitar que llegue a fuentes de agua o drenaje. Si el drenaje es grande deben construirse diques para contenerlo utilizando tierra, sacos con arena o espuma de poliuretano. Usar en forma de rocío para bajar o vapores generados almacenándola en un lugar seguro para su tratamiento posterior. El liquido derramado se puede absorber con cemento en polvo, arena o algún absorbente comercial, aplicando algún agente gelante para inmovilizarlo. Si el derrame es en el agua, utiliza barreras naturales, bombas especiales para controlar derrame se extienda. Usar agentes surfactantes activos, como: Detergentes, jabones y alcoholes. También utilizar agentes gelantes para rodear con un circulo solido de derrame y incrementar la deficiencia de las bombas. Si se disuelve con una concentración mayor de 10 ppm, se una carbón activado en una proporción 10 veces mayor a la cantidad de derrame, da posteriormente, succionar el material y utilizar palas mecánicas par eliminar los sólidos contaminantes. Almacenamiento: Almacenar en un lugar bien ventilado. Libre de fuentes de ignición y alejado de productos químicos con los cuales es incompatible, debido a que tolueno no corroe los metales, en volúmenes grandes puede almacenarse en recipientes de fierro, acero o aluminio conectado a tierra.1.8.3. ESTIRENO: Feneliteleno, Venilbenceno, Cinameno 99.5% a) Toxicidad: Toxicidad oral aguda (LD50) ensayado en ratas: 5000 mg/kg GL50:/ inhal / rata: 11.9 mg/1/4 horas. Concentración superior a 100 ppm puede producir: Incidencia sobre el sistema nervioso central. Producto nocivo por inhalación.
  10. 10. Irrita los ojos y la piel. b) seguridad: Precauciones individuales: Evitar todo contacto con la piel, ojos y ropa. Evitar respirar los vapores. Extinguir llamas, evitar chispas, no fumar. Usar prendas adecuadas, guantes resistentes a productos químicos, gafas de seguridad con protección lateral, En caso de sobrepasar el valor imite establecido, es recomendable la protección de las vías respiratorias. Método de limpieza: Encausar grandes cantidades y bombearlas en recipientes: El resto recoger con material absorbente y eliminar según las precipitaciones locales y vigentes. Almacenamiento: Almacenar en un lugar bien ventilado. El producto debe ser estabilizado por lo menos de 10 ppm de butilpirocateguina terc (TBC), Debido a la facilidad con que se polimeraliza, se debe al estireno proteger del calor durante el transporte y también se debe almacenar en sitios frescos u oscuros. Limites de explosividad en el aire. • Inferior: 1.1% Vol. • Superior: 6.1% Vol. • Temperatura d ignición: 490ºc c). Impacto ambiental Toxicidad en peces (aguda) 10 mg/L Toxicidad en daphnias (aguda) 4.7 mg/L Toxicidad en algas 1.4 mg/L Toxicidad en bacterias 72 mg/L Inhibición de la actividad respiratoria del lodo activado de una planta depuradora comunitaria 140 mg/L. El producto no debe ser vertido al desarrollo general sin un tratamiento previo (depuradora biológica). Valoración global:”peligro para el medio ambiente”.1.8.4. METANO CH4 100% a) Toxicidad: No se conocen los efectos toxicológicos de este producto. b) Seguridad:
  11. 11. Envasado y etiquetado: Extremadamente inflamable. Vertido ambiental: Precauciones personales: Utilizar equipos de respiración autónoma cuando entren en el área a menos que este probado que la atmosfera es seguro. Evacuar el área. Asegurar la adecuada ventilación de aire. Eliminar las fuentes de ignición. Almacenamiento: Mantener en un lugar seco y fresco. Separa de los gases oxidantes de otros materiales oxidantes durante el almacenamiento. Mantener el contenedor por debajo de 50ºC en el lugar bien ventilado. Manipulación: Asegúrese que el equipo esta adecuadamente conectado a la tierra. Debe prevenirse la filtración de agua al interior del recipiente. c) Impacto ambiental No se conocen daños ecológicos causados por este producto factor de calentamiento global (CO2 =: 21 1).1.8.5. HIDROGENO: H2 99.999% Molar a) Toxicidad: El hidrógeno es un asfixiante simple. Concentración Sistema de exposición 12-16 % Oxigeno Respiración y grado del pulso aumenta, coordinación muscular es ligeramente alterada. 10-14 % Oxigeno Efectos emocionales, fatiga, anormal, respiración perturbada, 06-10 % Oxigeno Nausea y vómitos, colapso o perdida de la conciencia. Abajo 6 % Movimientos convulsivos, colapso respiratorio y posible muerte. b) seguridad: c) impacto ambiental:
  12. 12. NIVEL 1: SISTEMAS CONTINUOS VS DISCONTINUOSPara elegir entre los procesos continuos y discontinuos se procede de lasiguiente manera:1.1 Velocidad de producciónPara saber cuál será la velocidad de producción se debe hacer un análisisde mercado.  Analisis de la demanda  Analisis de la oferta  Analissis de la demanda insatisfecha.Además nuestro producto no es estacionario esto quiere decir que serequiere todo el año en el mercado.La velocidad de reacción es rápida e influenciada por la temperatura:Existen varios operaciones y procesos químicosSuponiendo que el 10% de la demanda insatisfecha es 1000Tn/año, esta esla cantidad que pensamos producir.1.2 SELECTIVIDAD Y CONVERSIONWenner and Dybdal presentan algunos datos de distribución para laproducción de estireno.Las reacciones que ellos consideran son:Dados a temperatura de 1115 ºF y una presión de 25 psia.Y los puntos leídos de sus gráficos son dados en las tablas 1 y 2.Tabla 1:
  13. 13. Moles de estireno por mol de benceno vs conversión. 0.0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.14Conversion X 0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275Elaboración: James M Douglas B = 0.333 X − 0.215 X 2 + 2.547 X 3 ETabla 1:Moles de Tolueno por mol de estireno vs conversión.mol Tolueno 0 0.006 0.015 0.030 0.045 0.070 0.11 0.16 molEstirenoConversion X 0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275Elaboración: James M Douglas T = 0.084 X − 0.264 X 2 + 2.638 X 3 E1.3 CINETICA DE REACCIONLa expresión de velocidad de reacción, para la reacción principal es: EB ← → E + H 2  k 2  1 1 1  k1 r = k1  EB − C .CE 2 .CH2 2  KE =  KE  k2Donde: k1 = 383 exp− 20440  −1   [RT ( º R ) ] hr  k E = 7.734 x10 6 exp− 27170  −1   [T ( º R )] hr  T = 1115 + 460 = 1575 º R R = 10.73159 ft 3 .psi .R −1.lb mol −11.3 CONVERSION DE EQUILIBRIO Cuando la velocidad de reacción alcanza el equilibrio r = 0: Entonces:
  14. 14. C E .C H 2 2 −1 KE = ε = =1 C EB 1 EB0 (1 − X ) EB0 (1 − X ) C EB = = 1 + εX 1+ X EB0 ( X ) EB0 ( X ) CE = = 1 + εX 1+ X EB0 ( X ) EB0 ( X ) CH2 = = 1 + εX 1+ XPara una temperatura de 1575 ºR K eq=0.249Luego EB0 ( X ) EB0 ( X ) . 1+ X 1 + X = 0.249 EB0 (1 − X ) 1+ XSimplificando: EB0 ( X ) 2 = 0.249 1− X 2Para una concentración del etil benceno de E0= 1 molar Xe = 0.446
  15. 15. NIVEL 2: ESTRUCTURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL FLOWSHEET2.1 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO H2; C2H4; CH4 Estireno Etilbenceno Benceno Tolueno2.2 Variable de Diseño, Balance de Materia y Costos de Flujos de Entrada y Salida2.2.1 Variables de DiseñoX = 0.70 y S = 0.353Donde: X: Conversión S: Selectividad2.2.2 Balance total de materia2.2.2.1 Procedimiento de balance de materia a) Velocidad de producción deseada PE = 24.885 lb mol E/h b) Calculo de la selectividad 1 S= = 0.353 1 + 0.417 X − 0.479 X 2 + 5.185 X 3 b.1 Deducción para calcular la selectividad Dado el mecanismo de reacción Etilbenceno Estireno + H2 X Etilbenceno Benceno + Etileno Etilbenceno + H2 Tolueno + Metano
  16. 16. No se convierte Rciclo (1-x)1 mol EB Etilbenceno a b Conertido B/E = f1(x) Benceno c Tolueno T/E = f2(x) f1(x)=B=(0.333X-0.215X2+2.547X3)E f2(x)=T=(0.084X-0.264X2+2.638X3)E Si la conversión (x=a+b+c) moles de estireno producido S= = 0.353 moles de etilbencen o convertido a 24.885 S= = a+b+c 24.885 + 24.885 * f1 (x) + 24.885 * f 2 (x)  1  S =  1 + f (x) + f (x)    1 2   1  S=  1 + 0.417 X − 0.479 X 2 + 5.185 X 3     C) Calculo De flujos de los reactantes, productos y subproductos c.1) Etilbenceno alimentado (FFEB) PE S= FFEB PE 24.885 FFEB = = = 70.49 Lbmol EB / h S 0.353 c.1.1 Etilbenceno alimentado total FFEB 70.49 FTEB = = = 100.71 Lbmol EB / h X 0.70 C.2) TOLUENO PRODUCIDO
  17. 17. T= (0.084X-0.264X2+2.638X3)PET= (0.084(0.7)-0.264(0.7)2+2.638(0.7)3)*(24.885) T= 20.75 Lb molT/hc.3) Benceno producidoB= (0.333X-0.215X2+2.547X3)PEB= (0.333(0.7)-0.215(0.7)2+2.547(0.7)3)*(24.885)B= 24.91 Lb molB/hBalance Para El Gas En Subconjunto Etilbenceno Estireno + H2 Etilbenceno Benceno + Etileno Etilbenceno + H2 Tolueno + MetanoFV=20(FTEB) =20.1420 Lb mol V /hC.3.1) Balance Para El Hidrogeno24.885- Lb mol H2 producidos en la primera reacción20.75 Lb mol H2 que reacciona en la tercera reacción4.145 Lb mol H2 que no reacciona.C.3.2) BALANCE DEL ETILENO (C2H4)C2H4= (0.333X-0.215X2+2.547X3) PEC2H4= 24.81 Lb mol E/hC.2.3) BALANCE PARA EL METANO (CH4)CH4= (0.084X - 0.264X2 + 2.638X3) PECH4=20.75 Lb mol M/hEntonces; El balance de gas en su conjunto es:G=m+n+pG= 4.135+24.91+20.55G=49.795 Lb mol G/h2.2.2.2 BALANCE DE MATERIA EN TABLAS A) VARIABLES DE DISEÑO
  18. 18. VELOCIDAD DE PRODUCCION 24.885 CONVERSION DE ETILBENCENO 0.70 COMPOSICION DE HIDROGENO 0.083 COMPOSICION DE ETILENO 0.500 COMPOSICION DE METANO 0.417 B) CALCULO DE LA SELECTIVIDAD S = 0.353 F5:H2; C2H4; CH4 F2:Estireno F1:Etilbenceno F3:Benceno F4:ToluenoCOMPUESTOS F1 F2 F3 F4 F5(Lb mol /h)H2 0 0 0 0 4.135CH4 0 0 0 0 20.75C2H4 0 0 0 0 24.91Tolueno 0 0 0 20.75 0Benceno 0 0 24.81 0 0Estireno 0 24.885 0 0 0Etilbenceno 100.71 0 0 0 0Temperatura(ºF) 1115 1115 1115 1115 1115Presion(Psia) 25 25 25 25 25COSTO DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTOScomponente PM US$/Lb US$/Lb US$/ton mol A) Materia prima  Etilbenceno 106.168 26.542 0.250 450  Agua 18 0.396 0.022 48.51 B) Productos  Estireno 104.142 32.287 0.310 638.55FUENTE:
  19. 19. VALOR DE LOS PRODUCTOS COMO COMBUSTIBLECOMPONENTE PM Valor de Valor de combustible combustible(BTU/Lb mol)H2 2.00 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$CH4 16 4x10-6BTU 0.336 x106 BTU/$C2H4 28 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$Tolueno 92.10 4x10-6BTU 1.630x106 BTU/$Benceno 78 4x10-6BTUEstireno 104.152 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$Etilbenceno 106.163 4x10-6BTUDETERMINACION DE LOS COSTOS Valor de Materias primas:  ton  US $  US $Etilbenceno :  41313.9989  450  = 18591299.5  año  ton  año US $subtotal = 18591299.5 año Valor del Producto:3582118.982271572.656394861.89  ton  US $  US $Estireno : 10014.6612  663.550  = 6394861.89  año  ton  año Valor del Subproducto:  ton  US $  US $Tolueno :  7384.2898  485.10  = 3582118.98  año  ton  año  ton  US$  US $Benceno :  7507.56898  302.571  = 2271572.65  año  ton  año US$Costo total de subproducto = 12248553.5 año Valor de Purga:
  20. 20.  ton  US$  US $Me tan o : 1282.82993  94.815  = 121631.52  año  ton  año  ton  US $  US $Hidrogeno :  31.9548299  229.32  = 7327.8816  año  ton  año  ton  US $  US$Etileno :  2695.02476 1201.72  = 3238665.16  año  ton  año US $subtotal = 3367624.56 añoPRIMER POTENCIAL ECONOMICOPE1=Costo del producto + costo de subproducto + costo de purga – costo demateria prima US$ US$ US$ US $PE1= 6394861.89 + 12248553.5 + 3367624.56 − 18591299.5 año año año año US$PE1= 2602268.44 año

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