Asignación # 2: Balances de materia y especificación de equipos de la planta

NITROBENCENO

GRUPO # 2

ASIGNACIÓN # 2

ALBIN F. AGUIRRE CARVAJAL

NATALIA GONZALEZ

JONATHAN OSPINO P.

SARA M. TABORDA

Profesor:

HEBERTO TAPÍAS.

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE ING. QUIMICA DISEÑO I

Grupo 2: Nitrobenceno 2

NITROBENCENO

1. INFORMACIÓN DE ENTRADA

1.1. MERCADO DEL PRODUCTO

1.1.1. Calidad del producto/usos

Calidad:

Las especificaciones del nitrobenceno obtenido son como se muestra en la siguiente tabla:

Componentes Contenido Nitrobenceno 99.86% Agua 0.1281% Benceno < 25 ppm Dinitrofenol < 0.006%

Usos:

El nitrobenceno cuenta con diferentes usos, pero el principal de ellos es como materia prima

en la producción de anilina.

Los principales usos en Estados Unidos son:

Producción de anilina en un 97%

Solvente y síntesis de otros compuestos químicos en un 1,5%

Producción de dinitrobenceno y dicloroanilinas en un 1%

Otros en un 0,5%

Los principales usos en Europa occidental son.

Producción de anilina en un 95,41%

Producción de ácido m-nitrobencenosulfónico en un 1,26%

Producción de m-cloronitrobenceno en un 1,08%

Producción de hidrazo-benceno en un 1%

Producción de dinitrobenceno en un 1%

Otros en un 0,25%

1.1.2. Área geográfica/países

Se seleccionó un conjunto de países para los cuales se va a producir el nitrobenceno:

Colombia

Brasil

Perú

Uruguay

Chile


1.2. CAPACIDAD DE LA PLANTA

1.2.1. Toneladas del producto comercial

Se producirán 85000 Ton/año de nitrobenceno grado químico con un porcentaje de pureza mínimo del 98%.

1.3. TECNOLOGÍA SELECCIONADA DEL PROCESO

1.3.1. SPDF

1.3.2. Descripción del proceso

Se tiene alimentación fresca al proceso de benceno por la corriente (5), de acido nítrico al

60% wt por la corriente (8) y de acido sulfúrico al 68,5% wt por la corriente (7), estos van a

una batería de reactores (R1, R2, R3, R4), pero antes de llegar al sistema reaccionante, la

corriente de benceno entra a un mezclador (M3) en el cual entra benceno recirculado por la

corriente (32). El acido nítrico y el acido sulfúrico al igual que la corriente (17), recirculada

con este ultimo acido entran a un mezclador (M4), luego al reactor (R1) entran la corriente

(6) con un exceso del 10% mol de benceno y la corriente (9) con un contenido de acido

nítrico en un 5,2% wt, de acido sulfúrico en un 62% wt y de agua en un 32,3% wt a una

temperatura de 90°C.

Los tiempos de reacción son pequeños, al igual que los volúmenes de los reactivos, de tal

forma que se minimicen los peligros de explosión.


En los reactores se presentan las siguientes reacciones:

Los productos obtenidos de la batería de reactores salen a 136°C y son llevados a un

separador mecánico (S1) atreves de la corriente (13), este separador trabaja por gravedad,

donde la fase acuosa sale por la corriente (15) y la fase orgánica por la corriente (14).

La corriente (15) luego es llevada a un flash (T1), para concentrar el acido sulfúrico a un

68%wt y recircularlo en el proceso, la corriente (17) lleva el acido sulfúrico concentrado

hasta el mezclador (M4), junto con trazas de acido nítrico, mononitrobenceno, dinitrofenol,

trinitrofenol y benceno y la corriente (16) es llevada a un mezclador (M5) junto con la

corriente (14) de allí sale la corriente (18) que llega hasta el reactor (R5) para la

neutralización de los ácidos donde también llega la corriente (21), ésta proviene de un

mezclador con agua e hidróxido de sodio; en el reactor (R5) se producen las siguientes

sales:

Luego a través de la corriente (22) que sale del reactor (R5) son llevados los productos a un

separador (S2) donde se separan las sales por la corriente (24), la corriente (23) es llevada a

un mezclador (M6) al igual que la corriente (25) que contiene agua, la corriente resultante

de la mezcla; (26) entra a un separador (S3) del cual sale la corriente (28) con las sales

diluidas y la corriente (27) que contiene el nitrobenceno junto con benceno, agua,

dinitrofenol y trinitrofenol.

La corriente (27) es llevada a una torre de destilación (T2) donde se purifica el nitrobenceno

que sale por el residuo a traves de la corriente (28) en un 99.86% wt y el benceno por el

destilado a través de la corriente (31), esta corriente entra a un separador (S4) para lograr

una separación de los compuestos aromáticos del agua y luego por la corriente (33) se

recircula hasta el mezclador (M3), llevando esta corriente como principal componente al

benceno y trazas se agua y mononitrobenceno .


1.4. DECISIONES SOBRE % DE PERDIDAS DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTO DEL

PROCESO

Materias Primas: se consideraran perdidas de materia prima globales no superiores al 2%.. Producto: se consideraran pérdidas de producto globales no superiores al 2%.

1.5. CALIDAD DE MATERIAS PRIMAS, PROVEEDOR Y PRECIO

BENCENO Calidad: 99,80% wt Impurezas: 0.2% de cenizas Proveedor: Ecopetrol S.A Precio: 500.00 USD por tonelada. 2008

ACIDO NITRICO Calidad: 70% wt Impurezas: 29.99% de H2O 0.01% de Fe Proveedor: Monómeros Colombo-venezolanos Precio: 380.00 USD por tonelada. 2008

ACIDO SULFURICO Calidad: 99.988% wt Impurezas: 0.003% de SO2 0.003% de Se 0.001% de Pb 0.005% de Fe Proveedor: Monómeros Colombo-venezolanos Precio: 400.00 USD por tonelada. 2008

HIDROXIDO DE SODIO Calidad: 99-100% wt (solido) y 10-60% wt (acuoso) Proveedor: Belchen Precio: 270.00 USD por tonelada. 2008

1.6. TIPO DE OPERACIÓN BATCH/CONTINUA

La operación de la planta se va a realizar en continuo, debido a que el proceso de producción de nitrobenceno por medio de la nitración es un proceso muy exotérmico, por lo cual se hace necesario utilizar reactores de menor volumen que si se trabajara por lotes, disminuyendo así los posibles riesgos de explosión.


1.7. OPERACIÓN ANUAL HORAS/AÑO

Se va a definir un tiempo de trabajo para la planta de 335 días (8040 horas), en los que la planta operara en continuo y se reservará un tiempo de 30 días (720 horas) , los cuales serán utilizados para el mantenimiento de la planta, reparación de equipos e instrumentos de control.

2. INFORMACIÓN DE SALIDA 2.1. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA PLANTA

2.1.1. Matriz de caracterización de corrientes de proceso

Flujo (kg/h) 1 2 3 4 5

Ácido nítrico (HNO3) 5547.2664 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Benceno (C6H6) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 6894.0470

Ácido sulfúrico (H2SO4) 0.0000 0.0000 0.0000 491.1181 0.0000

Agua (H2O) 2377.3999 1320.7777 20674.6453 0.0000 0.0000

Nitrobenceno (C6H5NO2) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Dióxido de nitrógeno (NO2) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Dinitrofenol (C6H4N2O5) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Trinitrofenol (C6H3N3O7) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

TOTAL 7924.6663 1320.7777 20674.6453 491.1181 6894.0470

CONDICIONES 1 2 3 4 5

Temperatura (°C) 28 28 28 28 28

Presión (atm) 1 1 1 1 1

Estado de agregación L L L L L


Flujo (kg/h) 6 7 8 9 10


Benceno (C6H6) 7562.9602 0.0000 0.0000 0.0781 1309.8316


Agua (H2O) 1.8987 20674.6453 3698.1776 34494.4116 35939.9054




DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000


TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

TOTAL 7781.9378 21165.7634 9245.4440 106805.6183 114587.5762


Temperatura (°C) 29 28 45 90 132

Presión (atm) 1 1 1 1 5.42


Flujo (kg/h) 11 12 13 14 15


Benceno (C6H6) 16.2377 16.1640 725.7408 645.8857 79.8551


Agua (H2O) 1997.2166 1997.2904 36074.7467 18.5212 36056.2256




DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000


TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

TOTAL 2784.5146 2784.5146 114587.5781 11423.1728 103164.4053


Temperatura (°C) 135 135.5 136 50 50

Presión (atm) 5.42 5.42 5.42 1 1



Flujo (kg/h) 16 17 18 19 20


Benceno (C6H6) 79.7770 0.0781 725.6627 0.0000 0.0000


Agua (H2O) 25934.6368 10121.5887 25953.1580 0.0000 456.9005




DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000


TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0000 0.0000 0.0000 456.9005 0.0000

Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

TOTAL 26769.9905 76394.4148 38193.1633 456.9005 456.9005


Temperatura (°C) 190 190 50 28 28


Estado de agregación V L L L L

Flujo (kg/h) 21 22 23 24 25


Benceno (C6H6) 0.0000 725.6627 701.9822 23.6805 0.0000


Agua (H2O) 456.9005 26596.9193 59.4264 26537.4929 23487.3477




DNPONa 0.0000 2.4304 0.0000 2.4304 0.0000


TNPONa 0.0000 0.3143 0.0000 0.3143 0.0000

NaOH 456.9005 41.6544 3.2291 38.4253 0.0000

Na2SO4 0.0000 711.6201 55.1659 656.4542 0.0000

NaNO3 0.0000 29.3491 2.2751 27.0740 0.0000

TOTAL 913.8010 39106.9643 11743.6738 27363.2904 23487.3477


Temperatura (°C) 42 50 50 50 28




Flujo (kg/h) 26 27 28 29 30


Benceno (C6H6) 701.9822 682.6639 19.3183 682.6639 13.6533


Agua (H2O) 23546.7740 57.3971 23489.3770 57.3971 0.0261




DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000


TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 3.2291 0.0000 3.2291 0.0000 0.0000

Na2SO4 55.1659 0.0000 55.1659 0.0000 0.0000

NaNO3 2.2751 0.0000 2.2751 0.0000 0.0000

TOTAL 35231.0215 11600.2197 23630.8018 11600.2197 10656.6458


Temperatura (°C) 31 50 50 211.755 257.49

Presión (atm) 1 1 1 2.55 2.72

Estado de agregación L L L L-V L

Flujo (kg/h) 31 32 33

Ácido nítrico (HNO3) 0.0000 0.0000 0.0000

Benceno (C6H6) 669.0106 668.9132 0.0974

Ácido sulfúrico (H2SO4) 0.0000 0.0000 0.0000

Agua (H2O) 57.3710 1.8989 55.4721

Nitrobenceno (C6H5NO2) 217.1923 217.1674 0.0249

Dióxido de nitrógeno (NO2) 0.0000 0.0000 0.0000

Dinitrofenol (C6H4N2O5) 0.0000 0.0000 0.0000

DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

Trinitrofenol (C6H3N3O7) 0.0000 0.0000 0.0000

TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

TOTAL 943.5740 887.9795 55.5945

CONDICIONES 31 32 33

Temperatura (°C) 49 50 50

Presión (atm) 2.04 1 1

Estado de agregación L L L


2.2. DESCRIPCION DEL PROCESO

2.2.1. Diagrama de flujo del proceso (PFD) El diagrama para la producción de nitrobenceno es tal como se muestra en la Fig. 1.

2.2.2. Descripción en prosa del proceso

Al proceso entra acido nítrico al 70% en peso por la corriente (1) y se mezcla con agua fresca que entra por la corriente (2); estas líneas entran al mezclador M1 y salen por la corriente 8. Al mezclador M2 entran las corrientes 3 y 4, las cuales llevan agua y acido sulfúrico al 99.9% en peso respectivamente. Del mezclador M2 sale la corriente 7 la cual se mezcla con la corriente 8 y una corriente de recirculación 17 que lleva acido sulfúrico concentrado; todas estas mezclas entran al mezclador M4, del cual sale una corriente 9 que va directo al reactor R1. Al mezclador M3 entra la corriente 5 que lleva benceno al 99.98% en peso y la corriente 32 la cual está compuesta en su gran mayoría por benceno. De este sale la corriente 6 la cual entra a una unidad de acondicionamiento E1, que después desemboca al reactor R1. En el reactor R1, se lleva a cabo la reacción de nitración del benceno, obteniéndose una conversión del 91%, de este sale la corriente 10, la cual alimenta al reactor R2 donde se completa en parte la reacción que se dio en el reactor R1, de igual forma sucede con R3 y R4. En esta batería de reactores se llevan a cabo las siguientes reacciones:

Del reactor R4 sale la corriente 13 a una presión de 65 psi y una temperatura de 132 º C, la presión se reduce a 14,7 psi, dado que la corriente 13 entra a una válvula de expansión, después dicha corriente se acondiciona mediante el intercambiador E2, del cual sale al separador líquido-líquido S1, de él se desglosan dos corrientes: la 14 y la 15, la corriente 15 es rica en ácido sulfúrico y agua, mientras que la corriente 14 es rica en nitrobenceno y benceno.


Fig. 1. Diagrama para la producción de nitrobenceno


La corriente 15 es acondicionada por medio de un intercambiador de calor E4. Esta es llevada a la unidad de separación flash (T1), donde sale ácido sulfúrico concentrado por la línea 17, que es recirculada al mezclador M4, también sale la línea 16 que es acondicionada por el intercambiador E3, antes de ser recirculada al mezclador M5, junto con la corriente 14, de este mezclador sale la corriente 18 que ingresa a el reactor R5, al cual es alimentado con hidróxido de sodio acuoso por la línea 21, en este se lleva a cabo la reacción de neutralización de los ácidos provenientes de la línea 18, los productos formados en esta unidad de reacción y demás, son llevados a la unidad de separación S2 por la corriente 22, de este separador liquido-liquido, salen las corrientes 23 y 24, la corriente 24 es rica en agua y sales disueltas y la corriente 23 es llevada aun mezclador M7 donde se carga agua con el fin de hacer un lavado, la corriente 26 que sale de M7 es acondicionada por el intercambiador E5, antes de ser llevada al separador líquido-líquido S3; cuando esta llega al separador líquido-líquido S3, salen dos corrientes, 27 y 28, la corriente 28 es rica en sales diluidas y agua mientras que la corriente 27 es rica en nitrobenceno y benceno, esta corriente entra a la bomba P1, la cual impulsa al fluido al acondicionador E6, del cual sale la corriente 29 que ingresa a una torre de destilación T2, donde se rectifica el nitrobenceno, el cual sale por la cola que corresponde a la línea 30, por el destilado sale la corriente 31 que es rica en benceno y agua, esta corriente entra a un separador liquido-liquido S4 donde el benceno sale por la línea 32 y es recirculada al mezclador M3, de este también sale la corriente 33, la cual está compuesta en su mayoría por agua.

2.3. DESCRIPCION DE FUNCIONES DE LOS EQUIPOS

M1: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (1) con acido nítrico fresco y a la corriente (2) con agua para diluir el acido nítrico que entra a un 70% wt y es llevado a un 60% wt

M2: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (3) con agua y a la corriente (4) con acido sulfúrico fresco para diluirlo de 99.988% wt hasta un 68.5% wt

M3: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (5) con benceno con una calidad del 99.80%wt y a la corriente (32) con benceno como componente principal que proviene de la recirculación, de tal forma que haya un exceso de benceno del 10% mol con respecto al acido nítrico.

M4: Unidad de mezclado que recibe a las corrientes (7) y (8) con acido sulfúrico y acido nítrico respectivamente y a la corriente (17) con acido sulfúrico como componente principal que proviene de una recirculación, para obtener una mezcla previa de ácidos antes de entrar a los reactores y ponerse en contacto con el benceno.

S1: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de una mezcla inmiscible de la corriente (13) en una corriente de fase orgánica (14) la cual contiene el producto de interés y una corriente de fase acuosa (15) en la cual su mayor componente es el acido sulfúrico que cumple la función de catalizador en el proceso y será recirculado.

M5: Unidad de mezclado que recibe a las corrientes (14) que contiene la fase orgánica que sale del separador S1 y (16) que viene del flash T1 con el componente de interés y con acido nítrico y sulfúrico para luego ser neutralizados.


M6: Unidad de mezclado que recibe a las corrientes (19) y (20) que contienen hidróxido de sodio y agua fresca respectivamente, para obtener el hidróxido de sodio acuoso y llevarlo a través de la corriente (21) al reactor (R5).

S2: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de la corriente (22) la cual

contiene sales provenientes del reactor (R5), separando la fase acuosa por la corriente (24) que contiene las sales y la fase orgánica por la corriente (23) con el producto de interés.

M7: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (23) proveniente del proceso con sales y a la corriente (25) con agua fresca para disolver las sales que se han producido en el reactor (R5).

S3: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de la mezcla que contiene sales diluidas en la corriente (26) y que separa la fase orgánica que contiene el nitrobenceno, compuesto de interés por la corriente (27), de la fase acuosa con las sales diluidas por la corriente (28).

S4: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de la corriente (31) proveniente de la torre de destilación, para separar la fase acuosa por la corriente (33) con agua y la fase orgánica por la corriente (32) con el benceno como el componente en mayor proporción para recircularlo al proceso.

Reactores: La planta de nitrobenceno consta de 4 reactores tipo cstr, los

cuales poseen sus respectivos sistemas de agitación.

R1, Reactor: Reactor de tanque agitado que opera a 131 ªC y a 4.42

atmósferas en forma; es la primera unidad de reacción del proceso, al cual

ingresan las corrientes 6 y 9. La corriente 6 es una mezcla liquida que

contiene benceno. La corriente 9 es una mezcla líquida de ácidos que

contiene ácido sulfúrico, nítrico y agua, estos entra a una temperatura de

90ªC; cuando estas entran al reactor se lleva a cabo la rxn de nitración, la

cual es exotérmica, por lo cual se utiliza una chaqueta de refrigeracion para

mantener la temperatura en un valor deseado 135ª C. En este reactor se

alcanza una conversión del 91 %.

R2, R3 Y R4 Reactores: Los reactores R2, R3 y R4 son análogos al reactor R1.

Son de tipo cstr y operan a temperaturas de 132, 135.5, 136 ºC,

respectivamente; en cada uno de ellos se alcanzan conversiones de 98%,

99% y 99.5% respectivamente.

Intercambiadores de calor: En la planta hay seis intercambiadores de calor,

(E1, E2, E3, E4, E5, E6) los cuales se emplean para acondicionar las

corrientes.


E1: Eleva la temperatura de 29 ºC hasta los 90ºC

E2: Baja la temperatura desde 136º C hasta 50º C

E3: Baja la temperatura de 190 ºC hasta los 50ºC


E5: Baja la temperatura desde 50º C hasta 29º C


3. PROCESO DE GENERACION DE INFORMACIÓN DE SALIDA 3.1. INFORMACIÓN SOBRE REACTORES

3.1.1. Reacciones REACCIÓN PRINCIPAL

1. Nitración del benceno La reacción de nuestro interés, corresponde a la nitración del benceno por medio del uso de una mezcla de ácidos (ácido sulfúrico, ácido nítrico y agua).

REACCIONES COLATERALES

La formación de subproductos se debe fundamentalmente a reacciones de formación, como:

2. Formación de Dinitrofenol (DNP)


3. Formación de Trinitrofenol (TNP)

El dinitrofenol se favorecerá a una temperatura superior a 80°C

OTRAS REACCIONES EN EL PROCESO En el proceso se presentan reacciones de neutralización para los compuestos de carácter ácido que acompañan al nitrobenceno obtenido de la batería de reactores (nitrobenceno crudo), tales como ácido nítrico, ácido sulfúrico, dinitrofenol y trinitrofenol, utilizando una base fuerte, en nuestro caso el hidróxido de sodio. Tal como se muestra en las siguientes reacciones:

Neutralización del ácido nítrico

Neutralización del ácido sulfúrico

Neutralización del Dinitrofenol

Neutralización del trinitrofenol

3.1.2. Condición de operación de los reactores

3.1.2.1. Proporción en que se alimentan los reactivos

En el caso de la batería de reactores (R1-R4), se alimentará con: (1) una mezcla de ácidos (5.2% p/p de acido nítrico, 62.5% p/p de ácido sulfúrico y 32.3% p/p de agua) y (2) benceno, el cual se alimenta con un 10% en exceso, molar estequiométrico. Para el caso de la neutralización de los ácidos (reactor R5), se alimentará una solución de hidróxido de sodio (50%p/p) en un 10% en exceso, molar estequiométrico, con respecto a los reactivos presentes (ácido sulfúrico, ácido nítrico, DNP y TNP).


3.1.2.2. Temperatura y presión de operación

Condiciones de operación de los reactores

Reactor Temperatura (°C) Presion (psig)

R1 132 65 R2 135 65 R3 135.5 65 R4 136 65

R5 50 0

3.1.3. Tipo de reactor

Todos los reactores a utilizar serán CSTR.

3.1.4. Naturaleza del catalizador

El catalizador será el acido sulfúrico, un ácido inorgánico fuerte, el cual entrará a la batería de reactores, en una mezcla de ácidos, en la cual tiene una concentración del 62.5% p/p.

3.1.5. Conversiones

Reactor % conversión R1 91 R2 98 R3 99 R4 99.5 R5 100

3.1.6. Selectividad y rendimiento Las selectividades para el caso del sistema de reacciones (R1-R4) se muestran en la siguiente tabla:

Producto % Selectividad

Nitrobenceno 99.926 DNP 0.06726 TNP 7.1382x10-3

TOTAL 100

3.2. TIPO DE OPERACIONES UNITARIAS QUE APARECEN EN EL SPFD En el diagrama se pueden observar equipos para transferencia de masa, de calor y de momentum, especificando cada operación se presenta lo siguiente:

TRANSFERENCIA DE MASA Torre de destilación en una etapa (flash): T1


Torre de destilación: T2 TRANSFERENCIA DE CALOR

Intercambiadores de calor (calentadores y refrigeradores): E1,E2,E3,E4,E5,E6

TRANSFERENCIA DE MOMENTUM Sistema de bombeo: P1

Sistema de mezclado: M1, M2, M3,M4,M5

Separación mecánica: S1, S2, S3

3.3. SECUENCIA DE CALCULOS

3.3.1. ESTIMACIÓN DE MATERIAS PRIMAS

Se desean producir 85000 ton/año de nitrobenceno 98% en peso (como mínimo), luego el nitrobenceno (MNB) puro que se necesita obtener está dado por:

Considerando pérdidas globales de producto del 2%, se calcula el total de nitrobenceno, tal que se cubran las pérdidas planteadas, así:

Luego, se calcula el ácido nítrico (nuestro reactivo limitante) consumido para producir los 10572.1393 kg/h de nitrobenceno, así:

Considerando pérdidas globales de materia prima del 2% y la conversión neta en la batería de reactores del 99.5% respecto al ácido nítrico, se calcula el ácido nítrico puro alimentado al proceso:


3.3.2 MEMORIAS DE CALCULO DE LA PENÚLTIMA ITERACIÓN

3.3.2.1 Balance de materia en la batería de reactores R1-R4

CORRIENTES DE ENTRADA

CORRIENTE 9: T = 90 ºC, P= 14.7 psia, ESTADO: L Peso

molecular Componente % wt Ni, kgmol/h Fi, kg/h

63 NITRIC ACID 5.1994 88.1473 5553.2799

78 BENZENE 0.0001 0.0010 0.0784

98 SULFURIC ACID 62.4931 681.0832 66746.1536

18 WATER 32.2964 1916.3562 34494.4116

123 MNB 0.0110 0.0951 11.6959

46 NO2 1.8726 x10-7 4.3478x10-6 0.0002

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2685.6828 106805.6197

CORRIENTE 6: T = 29 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L

Peso molecular Componente % wt Ni, kgmol/h Fi, kg/h

63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 97.1873 96.9610 7562.9599

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.0802 0.3469 6.2438

123 MNB 2.7325 1.7287 212.6360

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 99.0367 7781.8397


MODELO MATEMATICO

NOTACIÓN

Reacciones Nitración del benceno

Formación de Dinitrofenol (DNP)

Formación de Trinitrofenol (TNP)

Balance de reactivos


Balance de productos

Balance de inertes

CORRIENTES DE SALIDA CORRIENTE 13: T = 136 ºC, P = 65 psig, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0242 0.4407 27.7664

78 BENZENE 0.6334 9.3044 725.7408

98 SULFURIC ACID 58.2491 681.0832 66746.1536

18 WATER 31.4861 2004.3940 36079.0918

123 MNB 9.6034 89.4655 11004.2562

46 NO2 0.0013 0.0320 1.4722

184 DNP 0.0024 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0003 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2784.7358 114587.4814


3.3.2.2 Balance de materia en el separador líquido-líquido S1

CORRIENTES DE ENTRADA CORRIENTE 13’: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L

Peso molecular

Componente % wt Ni, kgmol/h Fi, kg/h

63 NITRIC ACID 0.0242 0.4407 27.7664

78 BENZENE 0.6334 9.3044 725.7408

98 SULFURIC ACID 58.2491 681.0832 66746.1536

18 WATER 31.4861 2004.3940 36079.0918

123 MNB 9.6034 89.4655 11004.2562

46 NITROGEN

DIOXIDE 0.0013 0.0320 1.4722

184 DNP 0.0024 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0003 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2784.7358 114587.4814

MODELO MATEMATICO

Balance global

Balance para un componente i


Criterio de equilibrio de fases para un componente i

De las ecuaciones anteriores se obtiene:

Luego, a una presión fija se busca la temperatura (T<T burbuja, en nuestro caso 105.27 ºC) que dé como resultado la separación que se necesita. En nuestro caso se obtuvieron los coeficientes de distribución (Ki) usando PRO II v8.0, con el modelo termodinámico UNIQUAC. Por ausencia de parámetros, se supuso que los compuestos DNP y TNP se iban por la fase orgánica, corriente 14, es decir que la cantidad de ellos en la corriente 15 era despreciable. Cuando se fija una temperatura se debe buscar una raíz β, tal que 0< β <1 y que además satisfaga la siguiente ecuación:

CORRIENTES DE SALIDA


Peso


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0007

78 BENZENE 5.6561 8.2803 645.8596

98 SULFURIC ACID 1.3077 1.5238 149.3286

18 WATER 0.1621 1.0286 18.5147

123 MNB 92.8431 86.1913 10601.5302

46 NO2 0.0046 0.0115 0.5274

184 DNP 0.0238 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0025 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 97.0514 11418.7615


CORRIENTE 15: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Peso


63 NITRIC ACID 0.0269 0.4407 27.7657

78 BENZENE 0.0774 1.0241 79.8812

98 SULFURIC ACID 64.5514 679.5594 66596.8250

18 WATER 34.9530 2003.3654 36060.5772

123 MNB 0.3904 3.2742 402.7260

46 NO2 0.0009 0.0205 0.9448

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2687.6844 103168.7199

3.3.2.3 Balance de materia en el flash T1

CORRIENTES DE ENTRADA CORRIENTE 15’: T = 190 ºC, P = 14.7 psi, ESTADO: L-V


63 NITRIC ACID 0.0269 0.4407 27.7657

78 BENZENE 0.0774 1.0241 79.8812

98 SULFURIC ACID 64.5514 679.5594 66596.8250

18 WATER 34.9530 2003.3654 36060.5772

123 MNB 0.3904 3.2742 402.7260

46 NO2 0.0009 0.0205 0.9448

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2687.6844 103168.7199


MODELO MATEMATICO

Balance global




Luego, a una presión fija se busca la temperatura que dé como resultado la separación que se necesita. Para esta unidad se uso el modelo termodinámico XXX, en PRO II. Cuando se fija una temperatura se debe buscar una raíz , tal que 0< <1 y que además satisfaga la siguiente ecuación:



CORRIENTE 16: T = 190 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: V Peso


63 NITRIC ACID 0.0812 0.3453 21.7528

78 BENZENE 0.2981 1.0231 79.8031

98 SULFURIC ACID 1.2767 3.4881 341.8352

18 WATER 96.8800 1441.0549 25938.9886

123 MNB 1.4605 3.1791 391.0311

46 NO2 0.0035 0.0205 0.9446

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1449.1111 26774.3554



63 NITRIC ACID 0.0079 0.0954 6.0129

78 BENZENE 0.0001 0.0010 0.0781

98 SULFURIC ACID 86.7276 676.0713 66254.9899

18 WATER 13.2491 562.3105 10121.5886

123 MNB 0.0153 0.0951 11.6949

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0002

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1238.5733 76394.3645


3.3.2.4 Balance de materia en el mezclador M5

CORRIENTES DE ENTRADA CORRIENTE 14: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L

Peso molecular


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0007

78 BENZENE 5.6561 8.2803 645.8596

98 SULFURIC ACID 1.3077 1.5238 149.3286

18 WATER 0.1621 1.0286 18.5147

123 MNB 92.8431 86.1913 10601.5302

46 NO2 0.0046 0.0115 0.5274

184 DNP 0.0238 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0025 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 97.0514 11418.7615

CORRIENTE 16’: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0812 0.3453 21.7528

78 BENZENE 0.2981 1.0231 79.8031

98 SULFURIC ACID 1.2767 3.4881 341.8352

18 WATER 96.8800 1441.0549 25938.9886

123 MNB 1.4605 3.1791 391.0311

46 NO2 0.0035 0.0205 0.9446

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1449.1111 26774.3554


MODELO MATEMATICO

Balance global

Balance para cualquier componente i

Ó




63 NITRIC ACID 0.0570 0.3453 21.7535

78 BENZENE 1.9000 9.3034 725.6627

98 SULFURIC ACID 1.2860 5.0119 491.1637

18 WATER 67.9638 1442.0835 25957.5032

123 MNB 28.7815 89.3704 10992.5613

46 NO2 0.0039 0.0320 1.4720

184 DNP 0.0071 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0008 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1546.1625 38193.1168


3.3.2.5 Balance de materia en el reactor R5


CORRIENTE 18: T = 50 ºC, P= 14.7 psia, ESTADO: L Peso


63 NITRIC ACID 0.0570 0.3453 21.7535

78 BENZENE 1.9000 9.3034 725.6627

98 SULFURIC ACID 1.2860 5.0119 491.1637

18 WATER 67.9638 1442.0835 25957.5032

123 MNB 28.7815 89.3704 10992.5613

46 NO2 0.0039 0.0320 1.4720

184 DNP 0.0071 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0008 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1546.1625 38193.1168

CORRIENTE 21: T = 28 ºC, P = 14.7 psi Peso


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 50.0000 25.3857 456.9419

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 50.0000 11.4235 456.9419

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 36.8092 913.8838


MODELO MATEMATICO

Reacciones Neutralización del ácido nítrico

Neutralización del ácido sulfúrico

Neutralización del Dinitrofenol

Neutralización del trinitrofenol

Balance de reactivos

Donde,

Balance de productos


Balance de inertes

CORRIENTES DE SALIDA CORRIENTE 22: T = 50 ºC, P = 14.7 psia


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.8556 9.3034 725.6627

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 68.0219 1477.8513 26601.3228

123 MNB 28.1089 89.3704 10992.5613

46 NO2 0.0038 0.0320 1.4720

184 DNP 0.0014 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0062 0.0118 2.4304

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0008 0.0013 0.3143

40 NaOH 0.1065 1.0415 41.6582

142 Na2SO4 1.8198 5.0119 711.6862

85 NaNO3 0.0751 0.3453 29.3500

--- TOTAL 100.0000 1582.9717 39107.0007





63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.8556 9.3034 725.6627

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 68.0219 1477.8513 26601.3228

123 MNB 28.1089 89.3704 10992.5613

46 NO2 0.0038 0.0320 1.4720

184 DNP 0.0014 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0062 0.0118 2.4304

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0008 0.0013 0.3143

40 NaOH 0.1065 1.0415 41.6582

142 Na2SO4 1.8198 5.0119 711.6862

85 NaNO3 0.0751 0.3453 29.3500

--- TOTAL 100.0000 1582.9717 39107.0007

MODELO MATEMATICO

Balance global





Luego, a una presión fija se busca la temperatura (T<T burbuja) que dé como resultado la separación que se necesita. En nuestro caso se obtuvieron los coeficientes de distribución (Ki’s) usando PRO II v8.0, con el modelo termodinámico NRTL. Cuando se fija una temperatura se debe buscar una raíz β, tal que 0< β <1 y que además satisfaga la siguiente ecuación:




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0866 0.3038 23.6951

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 96.9822 1474.5510 26541.9185

123 MNB 0.2780 0.6185 76.0707

46 NO2 0.0050 0.0295 1.3579

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0089 0.0118 2.4304

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0011 0.0013 0.3143

40 NaOH 0.1404 0.9608 38.4303

142 Na2SO4 2.3990 4.6235 656.5438

85 NaNO3 0.0989 0.3185 27.0758

--- TOTAL 100.0000 1481.4187 27367.8369




NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

BENZENE 5.9797 8.9996 701.9676

SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

WATER 0.5060 3.3002 59.4044

MNB 92.9921 88.7520 10916.4906

NO2 0.0010 0.0025 0.1141

DNP 0.0046 0.0029 0.5427

DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

TNP 0.0000 0.0000 0.0000

TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0275 0.0807 3.2278

Na2SO4 0.4697 0.3883 55.1424

NaNO3 0.0194 0.0268 2.2741

TOTAL 100.0000 101.5530 11739.1638





NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

BENZENE 5.9797 8.9996 701.9676

SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

WATER 0.5060 3.3002 59.4044

MNB 92.9921 88.7520 10916.4906

NO2 0.0010 0.0025 0.1141

DNP 0.0046 0.0029 0.5427

DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

TNP 0.0000 0.0000 0.0000

TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

NaOH 0.0275 0.0807 3.2278

Na2SO4 0.4697 0.3883 55.1424

NaNO3 0.0194 0.0268 2.2741

TOTAL 100.0000 101.5530 11739.1638




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 100.0000 1304.3515 23478.3275

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1304.3515 23478.3275

MODELO MATEMATICO

Balance global


Ó





63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.9932 8.9996 701.9676

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 66.8353 1307.6518 23537.7319

123 MNB 30.9974 88.7520 10916.4906

46 NO2 0.0003 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0015 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0092 0.0807 3.2278

142 Na2SO4 0.1566 0.3883 55.1424

85 NaNO3 0.0065 0.0268 2.2741

--- TOTAL 100.0000 1405.9045 35217.4913


CORRIENTES DE ENTRADA CORRIENTE 26’: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.9932 8.9996 701.9676

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 66.8353 1307.6518 23537.7319

123 MNB 30.9974 88.7520 10916.4906

46 NO2 0.0003 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0015 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0092 0.0807 3.2278

142 Na2SO4 0.1566 0.3883 55.1424

85 NaNO3 0.0065 0.0268 2.2741

--- TOTAL 100.0000 1405.9045 35217.4913


MODELO MATEMATICO

Balance global




Luego, a una presión fija se busca la temperatura (T<T burbuja) que dé como resultado la separación que se necesita. En nuestro caso se obtuvieron los coeficientes de distribución (Ki) usando PRO II v8.0, con el modelo termodinámico NRTL. Cuando se fija una temperatura se debe buscar una raíz β, tal que 0< β <1 y que además satisfaga la siguiente ecuación:





63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 5.8871 8.7519 682.6479

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.4948 3.1875 57.3755

123 MNB 93.6135 88.2536 10855.1869

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0047 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 100.1959 11595.7531



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0818 0.2477 19.3197

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 99.4015 1304.4642 23480.3564

123 MNB 0.2595 0.4984 61.3037

46 NO2 0.0005 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0137 0.0807 3.2278

142 Na2SO4 0.2334 0.3883 55.1424

85 NaNO3 0.0096 0.0268 2.2741

--- TOTAL 100.0000 1305.7086 23621.7382


3.3.2.9 Balance de materia en la torre de destilación T2 A continuación se mostrara el algoritmo utilizado para realizar los balances de masa en la torrre de destilación.

1) Se calculo para la alimentación “corriente de entrada”, la temperatura de burbuja y de rocio Nota: El modelo termodinamico usado en los calculos es uniquac, puesto que se modelara una mezcla polar altamente no ideal. El artículo de la universidad de Alicante [1] sugiere trabajar con un modelo de coeficiente de actividad.

Corriente 29

Sustancia Flujo (kmol/h) Fracción mol Flujo (kg/h)

BENCENO (C6H6) 8.75189615 0.08734783 682.6479

AGUA (H2O) 3.18752778 0.03181295 57.3755

NITROBENCENO (C6H5NO2) 88.253552 0.8808098 10855.1869

DINITROFENOL (C6H4N2O5) 0.00294785 2.9421E-05 0.5427

Total 100.195924 1 11595.753

Temperatura de burbuja (K) 395.21

Temperatura de rocio (K) 478.55

2) Especificación de la alimentación: como primera estimación se eligio una temperatura de

(T = 436.80K) la cual se encuentra entre la de rocio y la de burbuja. Esta estimacion se hizo con el fin de evitar que la alimentación entrara a la torre como un liquido subenfriado ver corriente 29.

Ahora se organizaran los compuestos en orden de volatilidad decreciente con el fin de escoger de forma correcta los componentes clave ligero y clave pesado. Datos del flash hecho en pro II a una temperatura de T = 436.80K, presión de P=14.7 psi y a la composicion de entrada.

Sustancia Alimentación (kmol/h)

Fracción molar (zF)

Coeficientes de reparto

Volatilidades

AGUA (H2O) 3.18752778 0.03181295 38.0547 131.5168

BENCENO (C6H6)

8.75189615 0.08734783 7.4139 25.6224

NITROBENCENO (C6H5NO2)

88.253552 0.8808098 0.2894 1.0000

DINITROFENOL (C6H4N2O5)

0.00294785 2.9421E-05 N.D N.D

Total 100.195924 1

Nota: N.D significa no definido.


Debido a que los software utilizados (Aspen, Pro II, Chemcad ) no poseen datos del dinitrofenol, ni tampoco la enciclopedia Dechema, se buscaron compuestos analogos “parecidos” a este, tales como: (dinitrotolueno, dinitrobenceno) , pero sus propiedades fisicoquímicas son muy diferentes (entalpía de vaporización, punto de ebullición, punto de fusión, densidad, entre otras), por tal razón se analizó el peso molecular y a la arquitectura de la molécula este compuesto y se asumio que este es más pesado que el clave pesado, por ende, como una primera estimación consideramos que todo lo que entra a la alimentación del dinitrofenol, sale por las colas (sugerencia: profesor Heberto Tapias).

3) Especificación de los componentes claves y el grado de separación de estos. Componentes clave: Clave ligero (Benceno): 98 % de la alimentacion por el destilado.

98.0:lk

lklklk FD Flujo del componente clave ligero en el destilado.

Donde

ligeroclavecomponentedelseparaciondeGradolk ______:

lklklk DFB Flujo del componente clave ligero por los fondos.

Clave pesado (nitrobenceno): 98 % de la alimentacion por los fondos

98.0:hk

hkhkhk FB Flujo del componente clave pesado en el residuo o fondos

Donde pesadoclavecomponentedelseparaciondeGradohk ______:

hkhkhk BFD Flujo del componente clave pesado en el destilado.

Componentes claves Alimentación (kmol/h)

Destilado (kmol/h)

Fondos (kmol/h)

Benceno 8.75189615 8.576858 0.17504

Nitrobenceno 88.253552 1.765071 86.48848

Este grado de separación se define con el objetivo de obener la pureza que requiere el nitrobenceno.

4) Estimar las separaciones de los componentes no clave. Para realizar una primera aproximación de como se da la separación de los componentes no claves atraves de la torre, se emplea la ecuación de Hengstebeck-Geddes. El primer paso consiste en hallar los coeficientes de distribución (ki) y la volatilidad relativa de todos los componentes (α), a las condiciones de entrada:

hk

i

k

k


i

ii

x

yk

Sustancia Xi Yi Ki Volatilidad

BENCENO (C6H6)

0.0575 0.4263 7.4139 25.6224

AGUA (H2O) 0.0080 0.3033 38.0547 131.5168


0.9345 0.2704 0.2894 1.0000


N.D N.D N.D N.D

El segundo paso consiste en calcular los flujos de salida de los componentes no clave con la ecuación de Hengstebeck-Geddes:

blog*ab

dlog i

i

i

El factor “b” se determina aplicando la ecuación anterior al compuesto clave pesado, puesto que el logaritmo de su volatilidad es cero y de esta forma la ecuacion queda en terminos de variables conocidas.

bb

dlog

i

i

Ahora se determinara el factor “a” aplicando la ecuacion de Hengstebeck-Geddes al componente clave ligero.

i

i

i

log

bb

dlog

a

Determinación de los flujos de salida de los componentes no clave:

ba

i

i i

b

d log10 ; iii bdf

Combinando las ecuaciones anteriores se tiene:

bloga

blogai

ii

i

10

10*fd

; iii dfb

Factores a y b

a b

2.3998 -1.6902


Flujos de salida de los no claves (kmol/h)

Sustancia di/bi di bi

BENCENO (C6H6) 48.999 8.576858 0.17504

AGUA (H2O) 2124.866 3.1873 0.0015

NITROBENCENO (C6H5NO2) 0.020408 1.765071 86.48848

DINITROFENOL (C6H4N2O5) N.D 0 0.00294785

Total 13.52923 86.66797

Nota: La ecuación de Hengstebeck-Geddes no se aplico al dinitrofenol, la cantidad de bi es la misma cantidad que entro a la alimentación.

5) Para determinar la presión y el tipo de condensador se desarrollo el siguiente algoritmo:

Realizando un flash isotermico al destilado en pro II a una temperatura de 120 ºF y en su punto de burbuja se estimo la presión de burbuja.

Presión de burbuja (Psi) 10.79

Presión en el destilado (Psi) 30

Temperatura del destilado (K) 120

Tipo de condensador Total

Asumiendo una caida de presión en el condensador de 5 Psi y en la columna de 10 Psi y considerando que la alimentación se encuentra justamente en la mitad de la torre se tiene que: PAlimentación = PD + 7.5psia y PFondos = PD +10 psia


Presión en la alimentación (Psi) 30

Presión en los fondos (Psi) 40

6) Se aplica un flash adiabatico al flujo de entrada de la torre, a la presión que se determino

PAlimentación= 37.5 psia para el alimento; esto se hizo con el fin de verificar que el orden de volatilidades no hubiese cambiado.

Esta iteración se hace desde el numeral 1 hasta el numeral 6. Se lleva a cabo hasta que la presión calculada en el destilado no varie.

Sustancias di bi

BENCENO (C6H6) 8.576858 0.17504

AGUA (H2O) 3.1873 0.0015


1.765071 86.48848


0 0.00294785

Total 13.52923 86.66797

Mediante el software Pro II se corrio un flash adiabatico con las composiciones y la presión de los fondos y se estimo la temperatura de burbuja; esta debe ser menor a las temperaturas criticas de los compuestos que hay en el fondo. Tburbuja = 530.49 K

Sustancias Temperaturas críticas (K)

BENCENO (C6H6)

562

AGUA (H2O) 647


719


780

De lo anterior se concluye que todos los compuestos estan por debajo de la temperatura critica

7) A continuación se calculara la distribucion de volatilidad del componente clave ligero atraves de la torre, si esta da mayor al 15% se utiliza la correlación de Win para estimar el número mínimo de etapas, si da menor al 15% se utiliza la correlación de fenske.

%2822.49%100*d,i

b,id,i

Con base en el cálculo anterior, se estimara el número mínimo de etapas con la ecuación de Win.


La ecuación anterior contiene dos parámetros empíricos, los cuales se estimaron aplicando la ecuación a los componentes claves.

Resolviendo el anterior sistema de ecuaciones se tiene:

11,7760

0,6258

Ahora que se han estimado los parámetros para la ecuación de Winn se tiene:

8) Ahora teniendo el número mínimo de etapas podemos recalcular la distribución de los componentes no claves, y comparar estos resultados con la distribución arrojada por Hengstebeck-Geddes.

r,iN

1

r

r

ii

min

r,ir,i

D

B

d

b

1

fd

r,ir,i

min

1

r

r

r,iN

ii

D

B

d

b

1

fb

i

ibB

i

idD


Sustancias di bi

BENCENO (C6H6)

8.5771 0.1750

AGUA (H2O) 3.1873 0.00148


1.7658 86.5238


0 0.00294785

Total 13.53 86.703

Como puede verse, la diferencia entre los flujos calculados es de 0.00. Por lo tanto, se tiene que los flujos de salida de la torre: destilado y fondo son:

Sustancia

Destilado Fondos Composición destilado en

peso

Composición fondo en peso

Corriente 31 Flujo(kg/h)




BENCENO (C6H6) 669.0138 13.65 0.70901756 0.00128089

AGUA (H2O) 57.3714 0.02664 0.06080193 2.4998E-06


217.1934 10642.4274 0.23018051 0.99866568


0 0.54269919 0 5.0926E-05

Total 943.5786 10652.6467 1 1

Obteniendo por el destilado, un producto de una pureza de: %Pureza = 10642.4274 kg NB * 100 % = 99.90 % en peso 10652.6467kg producto De lo anterior podemos concluir que las especificaciones de la torre cumplen con los requerimientos del producto.




CORRIENTE 31: T = 48.89 ºC, P = 30 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 70.9096 8.5769 668.9950

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 6.0787 3.1861 57.3495

123 MNB 23.0117 1.7651 217.1037

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 13.5280 943.4482

MODELO MATEMATICO

Balance global





Luego, a una presión fija se busca la temperatura (T<T burbuja) que dé como resultado la separación que se necesita. En nuestro caso se obtuvieron los coeficientes de distribución (Ki) usando PRO II v8.0, con el modelo termodinámico NRTL. Cuando se fija una temperatura se debe buscar una raíz β, tal que 0< β <1 y que además satisfaga la siguiente ecuación:




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 75.3369 8.5756 668.8976

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.2138 0.1055 1.8987

123 MNB 24.4493 1.7649 217.0789

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 10.4460 887.8752




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.1752 0.0012 0.0974

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 99.7800 3.0806 55.4508

123 MNB 0.0448 0.0002 0.0249

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 3.0820 55.5730

3.3.3 RESULTADOS OBTENIDOS EN LA ÚLTIMA ITERACION



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 97.1861 96.9610 7562.9602

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.0244 0.1055 1.8987

123 MNB 2.7895 1.7649 217.0789

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 98.8314 7781.9378




63 NITRIC ACID 5.1994 88.1473 5553.2799

78 BENZENE 0.0001 0.0010 0.0781

98 SULFURIC ACID 62.4931 681.0832 66746.1536

18 WATER 32.2964 1916.3562 34494.4116

123 MNB 0.0109 0.0951 11.6949

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0002

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2685.6828 106805.6183

CORRIENTE 13: T = 136 ºC, P = 65 psig, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0242 0.4407 27.7664

78 BENZENE 0.6334 9.3044 725.7408

98 SULFURIC ACID 58.2490 681.0832 66746.1536

18 WATER 31.4822 2004.1526 36074.7467

123 MNB 9.6072 89.5016 11008.6980

46 NO2 0.0013 0.0320 1.4722

184 DNP 0.0024 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0003 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2784.5305 114587.5781


CORRIENTE 13’: T = 50 ºC, P = 14.7 psig, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0242 0.4407 27.7664

78 BENZENE 0.6334 9.3044 725.7408

98 SULFURIC ACID 58.2490 681.0832 66746.1536

18 WATER 31.4822 2004.1526 36074.7467

123 MNB 9.6072 89.5016 11008.6980

46 NO2 0.0013 0.0320 1.4722

184 DNP 0.0024 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0003 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2784.5305 114587.5781



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0007

78 BENZENE 5.6542 8.2806 645.8857

98 SULFURIC ACID 1.3073 1.5239 149.3400

18 WATER 0.1621 1.0290 18.5212

123 MNB 92.8455 86.2268 10605.8973

46 NO2 0.0046 0.0115 0.5275

184 DNP 0.0238 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0025 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 97.0877 11423.1728




63 NITRIC ACID 0.0269 0.4407 27.7657

78 BENZENE 0.0774 1.0238 79.8551

98 SULFURIC ACID 64.5541 679.5593 66596.8136

18 WATER 34.9503 2003.1236 36056.2256

123 MNB 0.3904 3.2748 402.8007

46 NO2 0.0009 0.0205 0.9447

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2687.4428 103164.4053

CORRIENTE 15’: T = 190 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L-V Peso


63 NITRIC ACID 0.0269 0.4407 27.7657

78 BENZENE 0.0774 1.0238 79.8551

98 SULFURIC ACID 64.5541 679.5593 66596.8136

18 WATER 34.9503 2003.1236 36056.2256

123 MNB 0.3904 3.2748 402.8007

46 NO2 0.0009 0.0205 0.9447

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2687.4428 103164.4053


CORRIENTE 16: T = 190 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: V


63 NITRIC ACID 0.0813 0.3453 21.7522

78 BENZENE 0.2980 1.0228 79.7770

98 SULFURIC ACID 1.2767 3.4875 341.7781

18 WATER 96.8795 1440.8132 25934.6368

123 MNB 1.4610 3.1797 391.1019

46 NO2 0.0035 0.0205 0.9445

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1448.8690 26769.9905



63 NITRIC ACID 0.0813 0.3453 21.7522

78 BENZENE 0.2980 1.0228 79.7770

98 SULFURIC ACID 1.2767 3.4875 341.7781

18 WATER 96.8795 1440.8132 25934.6368

123 MNB 1.4610 3.1797 391.1019

46 NO2 0.0035 0.0205 0.9445

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1448.8690 26769.9905




63 NITRIC ACID 0.0079 0.0955 6.0135

78 BENZENE 0.0001 0.0010 0.0781

98 SULFURIC ACID 86.7276 676.0718 66255.0355

18 WATER 13.2491 562.3105 10121.5887

123 MNB 0.0153 0.0951 11.6988

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0002

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1238.5738 76394.4148



63 NITRIC ACID 0.0570 0.3453 21.7529

78 BENZENE 1.9000 9.3034 725.6627

98 SULFURIC ACID 1.2859 5.0114 491.1181

18 WATER 67.9524 1441.8421 25953.1580

123 MNB 28.7931 89.4065 10996.9992

46 NO2 0.0039 0.0320 1.4720

184 DNP 0.0071 0.0147 2.7136

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0008 0.0013 0.2867

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1545.9567 38193.1633




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 50.0000 25.3834 456.9005

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 50.0000 11.4225 456.9005

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 36.8059 913.8010



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.8556 9.3034 725.6627

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 68.0107 1477.6066 26596.9193

123 MNB 28.1203 89.4065 10996.9992

46 NO2 0.0038 0.0320 1.4720

184 DNP 0.0014 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0062 0.0118 2.4304

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0008 0.0013 0.3143

40 NaOH 0.1065 1.0414 41.6544

142 Na2SO4 1.8197 5.0114 711.6201

85 NaNO3 0.0750 0.3453 29.3491

--- TOTAL 100.0000 1582.7625 39106.9643




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0865 0.3036 23.6805

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 96.9821 1474.3052 26537.4929

123 MNB 0.2780 0.6184 76.0608

46 NO2 0.0050 0.0295 1.3579

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0089 0.0118 2.4304

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0011 0.0013 0.3143

40 NaOH 0.1404 0.9606 38.4253

142 Na2SO4 2.3990 4.6229 656.4542

85 NaNO3 0.0989 0.3185 27.0740

--- TOTAL 100.0000 1481.1718 27363.2904



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 5.9775 8.9998 701.9822

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.5060 3.3015 59.4264

123 MNB 92.9942 88.7881 10920.9383

46 NO2 0.0010 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0046 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0275 0.0807 3.2291

142 Na2SO4 0.4698 0.3885 55.1659

85 NaNO3 0.0194 0.0268 2.2751

--- TOTAL 100.0000 101.5908 11743.6738




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 100.0000 1304.8526 23487.3477

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1304.8526 23487.3477



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.9925 8.9998 701.9822

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 66.8353 1308.1541 23546.7740

123 MNB 30.9981 88.7881 10920.9383

46 NO2 0.0003 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0015 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0092 0.0807 3.2291

142 Na2SO4 0.1566 0.3885 55.1659

85 NaNO3 0.0065 0.0268 2.2751

--- TOTAL 100.0000 1406.4434 35231.0215




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 1.9925 8.9998 701.9822

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 66.8353 1308.1541 23546.7740

123 MNB 30.9981 88.7881 10920.9383

46 NO2 0.0003 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0015 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0092 0.0807 3.2291

142 Na2SO4 0.1566 0.3885 55.1659

85 NaNO3 0.0065 0.0268 2.2751

--- TOTAL 100.0000 1406.4434 35231.0215



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 5.8849 8.7521 682.6639

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.4948 3.1887 57.3971

123 MNB 93.6156 88.2896 10859.6160

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0047 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 100.2333 11600.2197




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0818 0.2477 19.3183

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 99.4015 1304.9654 23489.3770

123 MNB 0.2595 0.4986 61.3223

46 NO2 0.0005 0.0025 0.1141

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0137 0.0807 3.2291

142 Na2SO4 0.2334 0.3885 55.1659

85 NaNO3 0.0096 0.0268 2.2751

--- TOTAL 100.0000 1306.2101 23630.8018

CORRIENTE 29: T = 211.755 ºC, P = 37.5 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 5.8849 8.7521 682.6639

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.4948 3.1887 57.3971

123 MNB 93.6156 88.2896 10859.6160

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0047 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 100.2333 11600.2197




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.1281 0.1750 13.6533

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.0002 0.0014 0.0261

123 MNB 99.8665 86.5238 10642.4237

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0051 0.0029 0.5427

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 86.7032 10656.6458

CORRIENTE 31: T = 48.89 ºC, P = 30 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 70.9018 8.5771 669.0106

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 6.0802 3.1873 57.3710

123 MNB 23.0180 1.7658 217.1923

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 13.5301 943.5740




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 75.3298 8.5758 668.9132

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.2138 0.1055 1.8989

123 MNB 24.4564 1.7656 217.1674

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 10.4469 887.9795



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.1752 0.0012 0.0974

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 99.7800 3.0818 55.4721

123 MNB 0.0448 0.0002 0.0249

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 3.0832 55.5945

Una vez cerrados los balances en los recirculaciones, se procede con el cálculo de las corrientes involucradas en la sección de preparación de materias primas y entre los reactores R1 a R4, corrientes 1-5, 7, 8,19, 20, 10-12, respectivamente. Los resultados son tal como se muestran a continuación:


3.4.1 Balance de materia en el mezclador M1




63 NITRIC ACID 70.0000 88.0518 5547.2664

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 30.0000 132.0778 2377.3999

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 220.1296 7924.6663



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 100.0000 73.3765 1320.7777

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 73.3765 1320.7777

MODELO MATEMATICO

Balance global



Ó




63 NITRIC ACID 60.0000 88.0518 5547.2664

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 40.0000 205.4543 3698.1776

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 293.5062 9245.4440




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 100.0000 1148.5914 20674.6453

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1148.5914 20674.6453




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 100.0000 5.0114 491.1181

18 WATER 0.0000 0.0000 0.0000

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 5.0114 491.1181

MODELO MATEMATICO

Balance global


Ó




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 2.3203 5.0114 491.1181

18 WATER 97.6797 1148.5914 20674.6453

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1153.6028 21165.7634






63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 100.0000 88.3852 6894.0470

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.0000 0.0000 0.0000

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 88.3852 6894.0470



63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 75.3298 8.5758 668.9132

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.2138 0.1055 1.8989

123 MNB 24.4564 1.7656 217.1674

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 10.4469 887.9795


MODELO MATEMATICO

Balance global


Ó




63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 97.1861 96.9610 7562.9602

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 0.0244 0.1055 1.8987

123 MNB 2.7895 1.7649 217.0789

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 98.8314 7781.9378




CORRIENTE 7: T =28 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 2.3203 5.0114 491.1181

18 WATER 97.6797 1148.5914 20674.6453

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1153.6028 21165.7634


Peso


63 NITRIC ACID 60.0000 88.0518 5547.2664

78 BENZENE 0.0000 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000 0.0000

18 WATER 40.0000 205.4543 3698.1776

123 MNB 0.0000 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 293.5062 9245.4440




63 NITRIC ACID 0.0079 0.0955 6.0135

78 BENZENE 0.0001 0.0010 0.0781

98 SULFURIC ACID 86.7276 676.0718 66255.0355

18 WATER 13.2491 562.3105 10121.5887

123 MNB 0.0153 0.0951 11.6988

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0002

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 1238.5738 76394.4148

MODELO MATEMATICO

Balance global


Ó

CORRIENTES DE SALIDA CORRIENTE 9: T = 90 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 5.1994 88.1473 5553.2799

78 BENZENE 0.0001 0.0010 0.0781

98 SULFURIC ACID 62.4931 681.0832 66746.1536

18 WATER 32.2964 1916.3562 34494.4116

123 MNB 0.0109 0.0951 11.6949

46 NO2 0.0000 0.0000 0.0002

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2685.6828 106805.6183


CORRIENTES EFLUENTES DE LOS REACTORES R1-R3 CORRIENTE 10: T = 132 ºC, P = 65 psig, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.4362 7.9333 499.7952

78 BENZENE 1.1431 16.7927 1309.8316

98 SULFURIC ACID 58.2490 681.0832 66746.1536

18 WATER 31.3646 1996.6614 35939.9054

123 MNB 8.8036 82.0146 10087.7999

46 NO2 0.0012 0.0293 1.3465

184 DNP 0.0022 0.0135 2.4818

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0002 0.0011 0.2622

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 2784.5291 114587.5762

CORRIENTE 11: T= 135ºC, P = 65psig, ESTADO: L

Peso


63 NITRIC ACID 0.2650 0.1171 7.3779

78 BENZENE 0.5831 0.2082 16.2377

98 SULFURIC ACID 24.4597 6.9498 681.0832

18 WATER 71.7258 110.9565 1997.2166

123 MNB 2.9653 0.6713 82.5696

46 NO2 0.0011 0.0006 0.0295

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0001

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 118.9035 2784.5146


CORRIENTE 12: T = 135.5ºC, P = 65 psig, ESTADO: L Peso


63 NITRIC ACID 0.2623 0.1159 7.3041

78 BENZENE 0.5805 0.2072 16.1640

98 SULFURIC ACID 24.4597 6.9498 681.0832

18 WATER 71.7285 110.9606 1997.2904

123 MNB 2.9680 0.6719 82.6433

46 NO2 0.0011 0.0006 0.0295

184 DNP 0.0000 0.0000 0.0001

206 DNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 118.9061 2784.5146

CORRIENTES DE ALIMENTACIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO Y AGUA CORRIENTE 19: T = 28 ºC, P = 14.7 psi, ESTADO: L

Peso


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000

18 WATER 40.0000 16.9222 304.6003

123 MNB 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000

40 NaOH 60.0000 11.4225 456.9005

142 Na2SO4 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 28.3448 761.5008


CORRIENTE 20: T = 28ºC, P = 14.7 psi, ESTADO: L


63 NITRIC ACID 0.0000 0.0000

78 BENZENE 0.0000 0.0000

98 SULFURIC ACID 0.0000 0.0000

18 WATER 100.0000 8.4611 152.3002

123 MNB 0.0000 0.0000

46 NO2 0.0000 0.0000

184 DNP 0.0000 0.0000

206 DNPONa 0.0000 0.0000

229 TNP 0.0000 0.0000

251 TNPONa 0.0000 0.0000

40 NaOH 0.0000 0.0000

142 Na2SO4 0.0000 0.0000

85 NaNO3 0.0000 0.0000

--- TOTAL 100.0000 8.4611 152.3002

3.4. CUANTIFICACIÓN DE PRODUCCIÓN HORARIA DEL PRODUCTO PURO (kgmol/hora)

De la iteración final (Corriente (27)) se tiene que se producen 10642.4237 kg/h de nitrobenceno puro.

3.5. CUANTIFICACIÓN DE MATERIAS PRIMAS PURAS (kgmol/hora) Una vez converge el proceso iterativo, se encuentra que se hacen necesarias las siguientes cantidades de las materias primas:

Materia prima Kgmol/h ACIDO

NITRICO 88.0518

ACIDO SULFURICO

5.0114

BENCENO 88.3852 AGUA 2535.28

HIDROXIDO DE SODIO

11.4225


3.6. CALCULOS ITERATIVOS PARA OBTENER INFORMACIÓN SOBRE CORRIENTES Y CONDICIONES DE OPERACIÓN DE EQUIPOS

Una vez se realiza una iteración, se calcula un porcentaje de desviación para cada corriente, y todos estos en conjunto nos dan un porcentaje de desviación promedio, el cual lo podemos calcular de acuerdo a la siguiente expresión.

Donde, corresponde al valor de una variable en la presente iteración y al valor de la misma

variable, pero correspondiente a la iteración inmediatamente anterior. Los resultados de aplicar esta fórmula a la última iteración con respecto a la penúltima, usando como variable de comparación los flujos másicos, se muestran en la tabla del anexo.

Asignación # 2: Balances de materia y especificación de equipos de la planta

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