UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UN INGENIERO QUIMÍCO, UNA EMPRESA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA,INGENIERIA Y TECNOLOGÍA

PRESENTADO 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

DESHIDROGENACION CATALITICA DEL ETIL BENCENO

PARA PRODUCIR ESTIRENO

ÍNDICE

CARATULA i

INDICE ii

NOTACIÓN iii

INTRODUCCION iv

RESUMEN v

OBJETIVOS vi

I. MARCO TEORICO 1

II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1 Materiales

2.2 Reactivos

2.3 Procedimiento

III. CÁLCULO Y RESULTADOS

IV. DISCUSION DE RESULTADOS

V. CONCLUSIONES

VI. RECOMENDACIONES

VII. BIBLIOGRAFIA

VIII. ANEXOS

INTRODUCCION

El estireno es una de las sustancias más importantes como materia prima de

polímeros. En Japón, produce 1,5 millones de toneladas de estireno por año, esto

es comercialmente producido por deshidrogenación del etilbenceno (reacción 2) en

el 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 con

etilbenceno en fase liquida es la mas común. El catalizador que se utiliza es el

AlCl3.

La producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica en

fase gas, y el H2 formado se puede quemar para aportar calor al reactor. El

catalizador más usado esta constituido por una mezcla de Fe2O3 más Cr2O3.

La producción de estireno esta favorecida por temperaturas altas y bajas presiones

de H2. La deshidrogenación es liberada a calor en presencia de H2O (vapor de

agua) el cual es una fuente de calor.

Aunque las elevadas temperaturas alcanzadas con la adición de H2O (v) favorece la

conversión a Estireno.

RESUMEN

OBJETIVOS

NIVEL 0:

INFORMACION DE ENTRADA

I. 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.

Presión

Component of feed gas

Temperature of starting materials

Temperatude of products and of gas.

Reacction pathruay

Yield of styrene

Selectivity of styrene

Termic efficiency of boiler

Teermic efficiency of heat exchanger and

evaporado.

630ºC

Presión atmosféricab.

H2O/EB = 9

25ºC

40ºC

Deshidrogenacion simple

R1:35%;R2:35%;total:70%

100%

90%

100%

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 mol

I.3. PUREZA DEL PRODUCTO.

Tabla Nº 2

Producto Pureza (%) Precio (us$/Tn)

Esterino

99.00

99.00

99.80

99.85

900

910

920

935

Fuente: www.cis.com

Precio del estireno en diferentes continentes (99.8%)

continente Precio (us$/Tn fob)

Norte América

Europa

Asia

920-935

930

930-940

I.4. PROPIEDADES FISICAS DE LOS PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS.

Constante Etilbenceno Hidrogeno Tolueno Metano Estireno

Formula Empírica C8H10 H2 C7H8 CH4 C8H8

Peso Molecular 106.168 2.016 92.141 16.043 104.152

Punto de Fusión

(ºC)

178.2 -259.19 178 90.7 242.5

Punto de

Ebullición(ºC)

136 -252.72 383.8 111.7 418.3

Densidad(g/cm3)ºC 0.9 0.071 0.867 0.425 0.9

Entalpia (Cal/g.

mol)

8500 216 7930 1955 8800

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 Costo

I.6. VELOCIDAD DE REACCIÓN

Ecuación cinética.

Donde:

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

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.

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.

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:

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:

NIVEL 1: SISTEMAS CONTINUOS VS DISCONTINUOS

Para elegir entre los procesos continuos y discontinuos se procede de la

siguiente manera:

1.1 Velocidad de producción

Para saber cuál será la velocidad de producción se debe hacer un análisis

de mercado.

Analisis de la demanda

Analisis de la oferta

Analissis de la demanda insatisfecha.

Además nuestro producto no es estacionario esto quiere decir que se

requiere todo el año en el mercado.

La velocidad de reacción es rápida e influenciada por la temperatura:

Existen varios operaciones y procesos químicos

Suponiendo que el 10% de la demanda insatisfecha es 1000Tn/año, esta es

la cantidad que pensamos producir.

1.2 SELECTIVIDAD Y CONVERSION

Wenner and Dybdal presentan algunos datos de distribución para la

producción 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:

Moles de estireno por mol de benceno vs conversión.

0.0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.14

Conversion X 0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275

Elaboración: James M Douglas

Tabla 1:

Moles de Tolueno por mol de estireno vs conversión.

0 0.006 0.015 0.030 0.045 0.070 0.11 0.16

Conversion X 0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275

Elaboración: James M Douglas

1.3 CINETICA DE REACCION

La expresión de velocidad de reacción, para la reacción principal es:

Donde:

1.3 CONVERSION DE EQUILIBRIO

Cuando la velocidad de reacción alcanza el equilibrio r = 0:Entonces:

Para una temperatura de 1575 ºR K eq=0.249Luego

Simplificando:

Para una concentración del etil benceno de E0= 1 molar

Xe = 0.446

Benceno

NIVEL 2: ESTRUCTURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL FLOWSHEET

2.1 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO

2.2 Variable de Diseño, Balance de Materia y Costos de Flujos de Entrada y Salida

2.2.1 Variables de Diseño

X = 0.70 y S = 0.353Donde:

X: ConversiónS: Selectividad

2.2.2 Balance total de materia

2.2.2.1 Procedimiento de balance de materia

a) Velocidad de producción deseada

PE = 24.885 lb mol E/h

b) Calculo de la selectividad

b.1 Deducción para calcular la selectividad

Dado el mecanismo de reacción

Etilbenceno Estireno + H2

X Etilbenceno Benceno + Etileno

Etilbenceno + H2 Tolueno + Metano

Etilbenceno

H2; C2H4; CH4

Estireno

Tolueno

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)

C) Calculo De flujos de los reactantes, productos y subproductos

c.1) Etilbenceno alimentado (FFEB)

c.1.1 Etilbenceno alimentado total

C.2) TOLUENO PRODUCIDO

No se convierte

Etilbenceno

Conertido

(1-x)Rciclo

Tolueno

a

c

1 mol EB

Benceno B/E = f1(x)

T/E = f2(x)

b

T= (0.084X-0.264X2+2.638X3)PE

T= (0.084(0.7)-0.264(0.7)2+2.638(0.7)3)*(24.885)

T= 20.75 Lb molT/h

c.3) Benceno producido

B= (0.333X-0.215X2+2.547X3)PE

B= (0.333(0.7)-0.215(0.7)2+2.547(0.7)3)*(24.885)

B= 24.91 Lb molB/h

Balance Para El Gas En Subconjunto

Etilbenceno Estireno + H2

Etilbenceno Benceno + Etileno

Etilbenceno + H2 Tolueno + Metano

FV=20(FTEB) =20.1420 Lb mol V /h

C.3.1) Balance Para El Hidrogeno

24.885- 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/h

C.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/h

2.2.2.2 BALANCE DE MATERIA EN TABLAS

F3:Benceno

A) VARIABLES DE DISEÑOVELOCIDAD DE PRODUCCION 24.885CONVERSION DE ETILBENCENO 0.70COMPOSICION DE HIDROGENO 0.083COMPOSICION DE ETILENO 0.500COMPOSICION DE METANO 0.417

B) CALCULO DE LA SELECTIVIDAD

S = 0.353

COMPUESTOS (Lb mol /h)

F1 F2 F3 F4 F5

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 25

COSTO DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTOS

componente PM US$/Lb mol

US$/Lb US$/ton

A) Materia prima Etilbenceno Agua

106.16818

26.5420.396

0.2500.022

45048.51

B) Productos Estireno 104.142 32.287 0.310 638.55

F1:EtilbencenoF2:Estireno

F4:Tolueno

F5:H2; C2H4; CH4

FUENTE: VALOR DE LOS PRODUCTOS COMO COMBUSTIBLE

COMPONENTE PM Valor de combustible

Valor de 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 4x10-6BTU

DETERMINACION DE LOS COSTOS

Valor de Materias primas:

Valor del Producto:3582118.982271572.656394861.89

Valor del Subproducto:

Costo total de subproducto =

Valor de Purga:

PRIMER POTENCIAL ECONOMICO

PE1=Costo del producto + costo de subproducto + costo de purga – costo de materia primaPE1=

PE1=