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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO

FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA E INGENIERIA METALURGICA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUÍMICA

SEMESTRE 2013-II

“PRODUCCIÓN DE ACETATO DE VINILO”

ASIGNATURA:DISEÑO DE PROCESOS

DOCENTE: DR. ING. BALTAZAR NICOLAS CACERES HUAMBO

ESTUDIANTES: NICOLAS PUMA MUJICA SUSAN JALIXTO FERNANDEZ MARLENI CURASI ORDOÑEZ

CUSCO – PERÚ

CONTENIDO

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1.- Introducción

2.- Objetivos

2.1.- Objetivo General

2.2.- Objetivos Específicos

3.- Justificación

4.- Marco Teórico

5.- Diagrama de Bloques Global

6.- Descripción del Proceso

7.- Diagrama de Flujo del Proceso Global

8.- Balance de Masa

9.- Balance de Energía

10.- Bibliografía

11.- Anexos

1. INTRODUCCION   

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En el presente proyecto se realizará el modelado del proceso de obtención del monómero

acetato de vinilo. Primero se realizara un modelado teórico del proceso, posteriormente será

implementado en el simulador Hysys. Los datos de partida para realizar el siguiente trabajo es

una estructura del diagrama de bloques con información sobre corrientes y equipos.

Incentivando el desarrollo industrial de nuestro país, haciendo posible de esta manera el

crecimiento económico de nuestra nación, procurando poner en práctica los conocimientos

adquiridos en nuestra formación profesional, haciendo uso de bibliografía especializada,

tomando como referencia este tipo de industrias existentes en el mercado.

2. OBJETIVOS   

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2.1.- Objetivo General:

Simular el proceso de producción de Acetato de Vinilo.

2.2.- Objetivos Específicos:

Realizar el diagrama de bloques del proceso.

Realizar el diagrama de flujo del proceso.

Realizar los balances de masa y energía.

Simular el proceso de producción de Acetato de Vinilo.

3. JUSTIFICACION   

El acetileno, debido a su precio, ha sido sustituido por etileno que es una alternativa de menor coste.

El acetato de vinilo (CH3COOCH=CH2) es un compuesto de la industria química básica orgánica y constituye el primer eslabón para la fabricación de innumerables compuestos usados cotidianamente en todo el mundo. Actualmente, se producen en torno a 4,9 millones de toneladas anuales en todo el mundo, de las que Estados Unidos acapara el 30% aproximadamente.

El acetato de vinilo (AV) es un producto químico de gran importancia industrial, ya que es usado para fabricar una amplia variedad de productos industriales y de consumo, entre ellos el poliacetato de vinilo usado para producir las pinturas, pegamentos y capas para los substratos flexibles; el alcohol polivinílico, los acetales polivinílicos utilizados en la producción del aislamiento para el alambre magnético y los copolímeros del acetato de vinilo del etileno.

Entre los países productores de acetato de vinilo destacan, además de Estados Unidos: Australia, Brasil, Canadá, China, Francia, Alemania, los países británicos, India, Japón, Méjico, Sudáfrica y España. El precio de mercado es de 50€ la tonelada.

Perú carece de la existencia de una industria petroquímica desarrollada, lo que lo convierte en un importador neto de insumos y materias plásticas en formas primarias. De acuerdo con datos de la Sociedad Nacional de Industriales de Perú (SNI), el 99% de estas son de origen extranjero.

De acuerdo con datos del Ministerio de la Producción, en Perú existen 916 empresas dedicadas a la fabricación de productos de plástico, donde la región de Lima concentra el 82,6%, Callao, el4,0%, Arequipa, el 3,3%, y Junín, el 2,8%.

Como se observa, el acetato de vinilo es una de las materias primas más imprescindibles para la producción de plásticos y por ello, es de necesidad importante el aumento de su producción a nivel nacional, y aún a nivel regional.

4. MARCO TEÓRICO   

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4.1.- Acetato de vinilo:

El acetato de vinilo es una sustancia química reactiva que es polimerizada típicamente para formar el acetato de polivinilo y los copolímeros de acetato de vinilo. El acetato de vinilo es un líquido incoloro parcialmente soluble en agua, muy inflamable. Tiene un olor dulce a frutas en cantidades pequeñas, pero el olor puede volverse intenso e irritante a niveles más altos. Por lo general se embarca y almacena en recipientes de capacidad grande, a granel marcados claramente.

El acetato de vinilo (AV) es un monómero que al polimerizar forma algunos polímeros de importantes aplicaciones industriales como lo son el acetato de polivinilo, alcohol de polivinilico, el butiral polivinilico, copolimeros vinil cloraros y fibras acrílicas entre otros; industrialmente es producido por diferentes métodos que se basan en la reacción de acetileno a acetato de vinilo, ya sea en fase liquido o en fase gaseosa.

La fórmula general del acetato de vinilo es:

TABLA 4.: PROPIEDADES DEL ACETATO DE VINILO

Fuente: Handbook of Polymer Synthesis.

PROPIEDADES GENERALES DEL MONÓMERO DE ACETATO DE VINILO

PROPIEDADES VALORPeso de la fórmula 86.09

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Temperatura crítica 246°C (474.8°F)Presión crítica 574.0 psia (39.0 atm)Punto normal de ebullición @ 760 mm Hg = 72.7°C (162.9°F)Calor de combustión @ 25°C = -495 Kcal/moleÍndice de refracción (nD^20) 1.3953Punto de inflamabilidad Tag Closed Cup =-8°C (18°F); Tag Open Cup =-°C(25°F)Temperatura de auto ignición 385-426.9°C (725-800°F)Estado físico LíquidoTasa de evaporación relativa (n-acetato de butilo = 1)

8.9

Presión de vapor @ 60°C 487.4 mm HgPresión de vapor @ 20°C 89.1 mm HgEcuación de Antoine Log P = A - [B/(T+C)] - Log = Base 10 - T = °C

- P = mm Hg - Range = 10 to 83°CCoeficiente de ecuación - A = 7.51868 - B = 1452.058 - C = 240.588Color Claro y sin colorGravedad específica (20/20°C) 0.934

Densidad del vapor (Aire =1.00) 2.97Viscosidad @ 20°C 0.43 cpsPunto de derretimiento -92.8°C (-135°F)Calor de vaporización (1 atm) 87.6 cal/gCalor de polimerización 21.3 Kcal/moleCalor específico @ 20°C (liq.) 0.46 cal/g °COlor No desagradable, olor dulzón en pequeñas cantidadesUmbral de olor Aprox. 0.25-0.5 ppmReactividad Reactivo con sí mismo y con una variedad de otras

sustancias químicas. Es estable cuando está almacenado e inhibido adecuadamente.

Solubilidad en el agua: - AV en agua @ 20°C

2.3% por peso

- AV en agua @ 20°C 1% por pesoSensibilidad a la luz La luz promueve la polimerizaciónConductividad eléctrica @ 23°C 2.6 x 104 pS/m (1 S = 1 mho)Tensión de la superficie (20°C) 23.6 dynes/cmCoeficiente de expansión cúbica 0.00137 per °C at 20°CLímite superior de inflamabilidad 13.4 vol% en aireLímite inferior de inflamabilidad 2.6 vol% en airewww.lyondellbasell.com/techlit/...GUIA PARA EL MANEJO SEGURO DEL ACETATO DE VINILO. VINIL ACETATE COUNCIL (Consejo del Acetato de Vinilo).

El acetato de vinilo fue reportado por primera vez en 1912 en una patente que describe la preparación del 1,1-diacetoxyetano a partir de la reacción del acetileno y el ácido acético, apareciendo el acetato de vinilo como un subproducto de esta reacción. El interés industrial en el acetato de vinilo y el acetato de polivinilo comenzó en 1925 cuando se perfeccionaron procesos de obtención con mayores

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conversiones, pero fue hasta 1986 donde se produjeron grandes cantidades anuales de acetato de vinilo en Estados Unidos, Europa y Japón.

4.2.- Aplicaciones

Las principales aplicaciones del acetato de vinilo se mencionan a continuación:

Plásticos Películas y láminas plásticas Adhesivos y pegamentos Pinturas de emulsión en agua Revestimiento en plásticos para envasar alimentos Cristales de seguridad Materiales adhesivos de aplicación en la construcción Fibras acrílicas Papel Aditivos de aceites lubricantes Modificador de almidón

De todas las aplicaciones, la más importante sin duda es la fabricación de plásticos, y a su vez la

producción se distribuye del modo siguiente: 82% acetatos polivinílicos; de entre los que destaca el

alcohol de polivinilo (PVHO), 8% acetato del vinilo del etileno (EVA), 6% alcohol del vinilo del etileno

(EVOH), 1% cloruro de vinilo/copolímero del acetato de vinilo (VCM/VAM) y un 3% de otros polímeros.

4.3.- Procesos de producción

Existen varias rutas posibles para la producción de acetato de vinilo, son las siguientes:

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El acetileno, debido a su precio, ha sido sustituido por etileno que es una alternativa de menor coste.

5. DIAGRAMA DE BLOQUES GLOBAL   

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6. DESCRIPCION DEL PROCESO   

Para la obtención de acetato de vinilo se emplean tres reactivos: etileno (C2H4), oxígeno (O2) y ácido acético (HAc). Dichos reactivos se convierten en acetato de vinilo (VAc) como producto principal, además también se obtienen agua y dióxido de carbono como subproductos. Consideramos las dos siguientes reacciones:

Las reacciones exotérmicas tienen lugar en un reactor catalítico. Las reacciones son

irreversibles y los órdenes de reacción tienen una dependencia con la temperatura tipo

Arrhenius.

El efluente del reactor fluye hasta un intercambiador de calor. Después es enfriado con agua

refrigerante; la corriente gaseosa (oxígeno, etileno, dióxido de carbono) y líquida (acetato de

vinilo, agua, ácido acético) son separadas en un separador. La corriente gaseosa procedente del

separador es enviada a un compresor; a su vez, la corriente líquida se convierte en parte de la

alimentación de la columna de destilación azeotrópica. El gas de salida del compresor se

introduce en el fondo de un absorbedor, donde se recupera el acetato de vinilo restante. Parte

 

CO₂(g)

H₂O(l)

A de V (g)

O₂ (g)

C₂H₄ (g)

A. ACETICO(l)

SISTEMA DE SEPARACION

DESTILACION

REACTOR

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de la corriente líquida que se obtiene por el fondo se enfría e introduce en la mitad del

absorbedor. Ácido acético líquido que ha sido enfriado se introduce en la cabeza del

absorbedor para facilitar el lavado final. Los productos líquidos de cola obtenidos en el

absorbedor se mezclan con la corriente líquida procedente del separador alimentándose a la

columna de destilación.

Parte del gas de cabeza que abandona el absorbedor se introduce en el sistema de eliminaci ón

de dióxido de carbono, éste es como un separador con una determinada eficiencia que es

función de la velocidad y la composición. La corriente gaseosa (menos el dióxido de carbono) es

evacuada, parte de la misma se envía a la purga para eliminar el etano (inerte) del proceso. El

resto se mezcla con la corriente de gas de reciclo y se dirige al intercambiador de calor situado

tras el reactor. Hay una corriente de alimentación de etileno fresco. La corriente de gas de

reciclo, la alimentación de ácido acético fresco, y la corriente líquida de ácido acético de reciclo

se introducen en el evaporador, donde se emplea vapor para vaporizar el líquido. La corriente

gaseosa obtenida en el evaporador es después calentada hasta la temperatura deseada de

entrada el reactor. Se añade oxígeno fresco a dicha corriente gaseosa antes de introducirla en

el reactor para mantener la composición de oxígeno en la corriente de reciclo de gas fuera de la

región de explosividad.

La columna de destilación azeotrópica separa el acetato de vinilo y el agua del ácido acético no

convertido. El producto de cabeza es condensado con agua de refrigeración y el líquido es

enviado al decantador, donde se separan el acetato de vinilo y el agua. Los productos orgánicos

y acuosos son enviados a un posterior refinamiento en otra sección de destilación. Ignoramos

los pasos de separación adicional requeridos para producir acetato de vinilo con la suficiente

pureza. El producto de cola de la columna de destilación contiene ácido acético, parte de esta

corriente se recircula al vaporizador junto con ácido acético fresco. Otra parte de la corriente

de cola constituye el ácido de lavado empleado en el absorbedor después de ser enfriada.

7. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO   

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8. BALANCE DE MASA   

Se tiene las reacciones químicas globales:

① C₂H₄ + CH₃COOH + ⅟₂O₂→ CH₂CHOCOCH₃ + H₂O

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② C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

De la reacción ①:

CH₃COOH necesario para la conversión:

→ n CH₃COOH (100) = 60(100) = 214.2857 Kg n C₂H₄                              28

CH₂CHOCOCH₃ obtenido:

→   nCH₂CHOCOCH₃(94) = 86(94) = 288.71 Kg n C₂H₄                                    28

C₂H₄ que se alimenta:

→ n C₂H₄ (100)*(0.999) = 28(100)*(0.999) = 32.5256 Kg n CH₂CHOCOCH₃ 86

C2H6 inerte que se alimenta en la corriente de etileno

→ n C₂H6(0.1) = 30*(100)(0.001) = 0.0349 Kg n CH₂CHOCOCH₃ 86

O₂ que se alimenta:

→ nO₂ (94)*(0.08) = 0.5* 32*(100)*(0.08) = 4.5714 Kg nC₂H₄                                  28

H₂O formado:

→ nH₂O (94) = 18(94) = 60.43 Kg nC₂H₄                 28

De la reacción ②: C₂H₄ necesario:

→ n C₂H₄ (94)*(0.999) = 28(94)(0.999) = 29.8792 Kg nCO₂ 2* 44

C₂H₄ que se alimenta:

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→ n C₂H₄ (100)*(0.999) = 28(100)(0.999) = 31.7864 Kg nCO₂ 2* 44

C2H6 inerte que se alimenta en la corriente de etileno

→ n C₂H6 (94) = 30*(100)*(0.001) = 0.0341 Kg nCO₂ 2*44

O2 que reacciona:

→ nO₂ (29.8792)*(0.08) = 3* 32*(29.8792)*(0.08) = 8.1954 Kg nC₂H₄                                               28

CO₂ formado:

→ nCO₂ (29.8792) = 2*44(29.8792) = 93.9061 Kg nC₂H₄                                28

H₂O formado:

→ nH₂O (29.8792) = 2*18(29.8792) = 38.4161Kg nC₂H₄                              28

Alimentación total.

C₂H = (₄ 32.5256+31.7864) =64.312 kg CH₃COOH=214.2857 kg O2= (8.1957+4.5714)=12.7668 kg C2H6= (0.0349+0.0341)=0.0698 Kg

Producto total:

CH₂CHOCOCH₃ =288.17 Kg H₂O =38.4161Kg

CO₂ =93.9061 kg

Fracción másica:

Alimentos:

alimentación Kg X masa

C2H4 64.312 0.2206740

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CH3COOH 214.28570.7352796

2

O2 12.76680.0438067

9

C2H6 0.06980.0002395

1 Total 291.4343 1

Productos:

producto kg x masaCH2CHOCOCH

3 288.170.6853159

2

H2O 38.41610.0913598

4

CO2 93.90610.2233242

4total 420.4922 1

BASE DE CÁLCULO: 300 MMPPY = 17257.018 kg/hr = 200.5 Kgmol/hr DE ACETATO DE VINILO:

PRODUCTOS:

producto kg x masa Z (kg/hr)CH2CHOCOCH

3 288.170.6853159

2 17257.018

H2O 38.41610.0913598

42300.5424

9

CO2 93.90610.2233242

45623.5529

7

total 420.4922 125181.113

5

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ALIMENTACION.

componentes kg X masa F( kg/hr)

C2H4 64.3120.2206740

95556.8193

9

CH3COOH 214.28570.7352796

218515.159

4

O2 12.76680.0438067

91103.1036

5

C2H6 0.06980.0002395

1 6.031005

Total 291.4343 125181.113

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BALANCE DE ENERGIA

① C₂H₄ + CH₃COOH + ⅟₂O₂→ CH₂CHOCOCH₃ + H₂O

② C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O

Datos: T₁ = 140°C

T₂ = 160°C

Capacidades caloríficas y entalpías de formación de los reactantes y de los productos:

SUSTANCIACpi( kJ

kg .mol .ºC )CH₃COOH 83.77

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C₂H₄ 53.49

O₂ 30.32

ACETATO DE VINILO 132.4

H₂O 34.63

CO₂ 42.29

C₂H6 66.75

CALOR DE REACCION ESTANDAR

∆Hº298 (kJ/mol)

reacción 1 -176.264

reacción 2 -1323.03

ΔH(sale) – ΔH(entra) = (n₄ΔH°₄ + n₅ΔH°₅ + n₆ΔH°₆) – (n₁ΔH°₁ + n₂ΔH°₂ + n₃ΔH°₃)

+ ʃ (n₄Cp₄ + n₅Cp₅ + n₆Cp₆)dT - ʃ (n₁Cp₁ + n₂Cp₂ + n₃Cp₃)dT

Ecuación obtenida del texto:

Himmelblau, David M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. 6ta ed.

Prentice-Hall Hispanoamericana S. A. 1997. Pág. 444.

Para el CH₃COOH = (45.9 Kgmol/h*--484.5 KJ/Kgmol) = --22238.55 KJ/h

Para el C₂H₄ = (44.2 Kgmol/h* 52.51 KJ/Kgmol) = 2320.94 KJ/h

Para el O₂ = (9.9 Kgmol/h* 0) = 0

Para el H₂O = (49.9 Kgmol/h*--241.818 KJ/Kgmol) = --12066.72 KJ/h

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Para el CO₂ = (19.5 Kgmol/h*--393.509 KJ/Kgmol) = --7673.43 KJ/h

Para el Acetato = (30.6 Kgmol/h*--316.103 KJ/Kgmol) = --9672.75 KJ/h.

Para el CH₃COOH:

Q₁ = 45.9 Kgmol 109.8 KJ (159 – 140) °C = 95756.58 KJ/h.

hKg.mol.°C

Para el C₂H₄:

Q₂ = 44.2 Kgmol 55.25 KJ (159 – 140) °C = 46398.95 KJ/h.

hKg.mol.°C

Para el O₂:

Q₃ = 9.9 Kgmol 30.51 KJ (159 – 140) °C = 5738.93 KJ/h.

hKg.mol.°C

Para el H₂O:

Q₄ = 49.9 Kgmol 34.92 KJ (159 – 140) °C = 33107.65 KJ/h.

hKg.mol.°C

Para el CO₂:

Q₅ = 19.5 Kgmol 42.29 KJ (159 – 140) °C = 15668.45 KJ/h.

hKg.mol.°C

Para el Acetato de Vinilo:

Q₆ = 30.6 Kgmol 132.3 KJ (159 – 140) °C = 76919.22 KJ/h.

hKg.mol.°C

Reemplazando en la anterior ecuación:

ΔH(sale) – ΔH(entra) = (--29412.9 + 19917.61) KJ/h + (125695.32–147894.46) KJ/h

= --31694.43 KJ/h.

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9. CONCLUSIONES   

La reacción es altamente exotérmica de la cual se puede aprovechar la energía.

El porcentaje de conversión del etileno se ha supuesto por datos experimentales 94%.

De acuerdo al balance de masa podemos deducir que a ver una pequeña generación de

residuos.

10. BIBLIOGRAFIA:   

SINTESIS DE ACETATO DE VINILO A PARTIR DE LA REACCION CETENA Y ACETALDEHIDO. Autores: Ederman Calderón Bohorquez y Néstor Mauricio Sarmiento Delgado. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS, ESCCUELA DE INGENIERIA QUIMICA. BUCARAMANGA 2005.http://www.repositorio.uis.edu.co/...

PLASTICO Y SUS MANUFACTURAS EN PERU. Marzo 04 del 2009.www.legiscomex.com/BancoMedios/...

MODELADO, SIMULACION Y CONTROL DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ACETATO DE VINILO. Yolanda Sánchez Reina.http://www.bibling.us.es/...

GUIA PARA EL MANEJO SEGURO DEL ACETATO DE VINILO. VINIL ACETATE COUNCIL (Consejo del Acetato de Vinilo).www.lyondellbasell.com/techlit/...

GUIA: Díaz Bravo, Pablo. Balance de Materia y Energía-Problemas Resueltos. 3ra.Ed. 1997. Págs. 88-89.

Himmelblau, David M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. 6ta ed.

Prentice-Hall Hispanoamericana S. A. 1997. Pág. 444.

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ANEXOS