Hidrodesalquilación térmica Tolueno

REPORTE DEL PROCESO

HIDRODESALQUILACIÓN TÉRMICA DEL TOLUENO (C7H8) PARA LA OBTENCIÓN DE BENCENO (C6H6)

ASIGNATURA

SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

CARRERA

INGENIERÍA QUÍMICA

INTEGRANTES

ARCIGA DURÁN EARVING

BALDERRAMA JUSTO HUGO

CORNEJO SÁNCHEZ ROXANA

GARCÍA VALENCIA ALMA DELIA

LEZMA GÓMEZ ERVEY

LOZANO VAZQUEZ GÉNESIS

OCHOA BARRERA FLORA IDALIA

SÁNCHEZ ZARAGOZA PERLA IVONNE

TORRES ACOSTA VIANEY

VILLA COBOS LUIS ROBERTO

DOCENTE

DR. ZENAIDO MARTÍNEZ RAMÍREZ

23 DE OCTUBRE DEL 2013

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Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas

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1. RESUMEN

2. INTRODUCCIÓN

3. OBJETIVOS

Simular, en estado estacionario, el proceso de hidrodesalquilación del tolueno para producir benceno.

Dimensionar y establecer las condiciones de operación de los equipos que intervienen en el proceso; tales como, intercambiadores de calor, reactor tubular y destilador flash.

4. ESTADO DEL ARTE

4.1 Hidrodesalquilación del tolueno (HDA)Es la reacción del tolueno con hidrógeno, que produce benceno y metano. La HDA se hace industrialmente en procesos catalíticos, usando como catalizadores óxidos de cromo o molibdeno, platino u óxidos de platino, soportados sobre sílica o alúmina; o también en procesos puramente térmicos a presiones y temperaturas elevadas.Las condiciones típicas de operación de los procesos térmicos están en el rango de 811K a 1072K (1000°F – 1470°F), preferiblemente a 922K (1200°F) y de 13.8 bar - 68.9 bar (200 psi - 1000 psi), aunque también se reportan rangos distintos de acuerdo al proceso, por ejemplo 866K - 1144K, (1100°F -1600°F), o 839K - 1033K (1050°F – 1400°F) y 27.6 bar - 41.4 bar (400 psi - 600 psi).Dado que la reacción es altamente exotérmica (Hrx = −41.76 kJ/mol) se emplea un exceso de hidrógeno, obtenido recirculando H2 de la salida (e introducido en varios puntos), para bajar la temperatura en el reactor, con relaciones molares hidrógeno a hidrocarburos aromáticos del orden de 8:1, aunque puede haber variaciones, por ejemplo 1.5:1 - 20:1, o 2:1 - 15:1. La conversión usualmente está en el rango de 70% - 80%. En los procesos catalíticos las condiciones son usualmente menos severas que en los térmicos, mientras que la presencia de hidrógeno mejora el rendimiento de los catalizadores.

Las condiciones típicas de la HDA catalítica son de 40 bar - 60 bar y de 773K a 868K (500°C – 595°C), con variaciones dependiendo de cada versión del proceso, por ejemplo 811K - 978K (1000°F – 1300°F) y 1 atm -100 atm, 811K - 1089K (1000°F – 1500°F) y 20.7 bar - 69.0 bar. Igual que en la HDA térmica el hidrógeno se alimenta en exceso, con relaciones molares hidrógeno a hidrocarburos aromáticos de 5:1 a 12:1. Las conversiones por paso alcanzan

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el 90%, y la selectividad a benceno (teniendo en cuenta que la alimentación incluye mezclas de hidrocarburos aromáticos) es con frecuencia de más del 95%.

4.2 Descripción del procesoEl proceso consiste en la hidrodesalquilación térmica de tolueno puro (C7H8) para la producción de benceno (C6H6). Éste inicia cuando se introduce la corriente de alimentación de tolueno puro a un intercambiador de calor para elevar su temperatura hasta 276°F y posteriormente pasa a una serie de compresores para elevar su presión hasta 510psia, esta corriente es mezclada con una corriente de hidrógeno a 276°F y 510 psia. A continuación la corriente de la mezcla, (C7H8 + H2), entra a un intercambiador de calor que eleva su temperatura hasta 430°F; en seguida, la corriente entra a un horno que eleva la temperatura hasta 1160°F para su posterior entrada al reactor.

Al salir del reactor, la corriente entra a otro intercambiador de calor donde es enfriada hasta 100°F, en tales condiciones entra a una válvula que desciende la presión de la corriente hasta 480 psia. Finalmente la corriente entra a un destilador flash a 100°F y 480psia donde se recupera hidrógeno que posteriormente es recirculado al proceso.

Para una mejor comprensión del proceso en estudio, se muestra la siguiente ilustración.

Cabe destacar que se trata de un reactor tubular no catalítico adiabático, que opera con una conversión por paso de tolueno del 50% y una selectividad de tolueno a benceno del 99%; ésta se encuentra limitada por la conversión por paso elegida, produciéndose difenilo (C12H10) e hidrógeno en una reacción secundaria.

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4.3 Cinética de las reaccionesLas reacciones efectuadas durante el proceso de hidrodesalquilación del tolueno son las siguientes:

Reacción principal: C7H 8+H 2→C6H 6+CH 4

Reacción secundaria: 2C6H 6→C12H 10+H 2

Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas en Luybenetal. (“Plantwide Process Control”, McGraw-Hill). Sin embargo, cuando se usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno.Se tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son:

R1=3.68 ∙106 ∙ e

(−90800RT

)∙PT ∙ PH2

R2=9∙104 ∙ e

(−90800RT )∙ PB

2−2.553 ∙105 ∙ e(−90800RT )

∙ PD ∙ PH 2

Donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3 las concentraciones están en lbmol/pie3 la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR.

4.4 Reactivos

4.4.1 Tolueno (C6H6) Descripción: También conocido como metil-benceno, es un

hidrocarburo líquido, incoloro, transparente con un olor característico. El tolueno existe naturalmente en el petróleo crudo y en el árbol tolú. Es producido en el proceso de manufactura de la gasolina y de otros combustibles a partir del petróleo crudo, en la manufactura de coque a partir del carbón y como subproducto en la manufactura del estireno.

Aplicaciones y usos: Es utilizado en combustibles para automóviles y aviones; como disolvente de pinturas, barnices, hules, gomas, etil celulosa, poliestireno,

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polialcohol vinílico, ceras, aceites y resinas, reemplazando al benceno. También se utiliza como materia prima en la elaboración de una gran variedad de productos como benceno, ácido benzoico, fenol, benzaldehído, explosivos (TNT), colorantes, productos farmacéuticos (por ejemplo, aspirina), adhesivos, detergentes, monómeros para fibras sintéticas, sacarinas, saborizantes y perfumes.

Tabla de propiedades

Propiedades físicas y termodinámicas

Punto de ebullición 111°C

Punto de fusión -95 °C

Densidad a 20°C 0.87 g/mol

Temperatura critica 318.64 °C

Presión critica 40.55 atm

Entalpia de formación 2.867 Kcal/mol

Entalpia de combustión 934.5 Kcal/mol

Capacidad calorífica 0.4709 cal/(g K)

Energía libre de formación 27.282 Kcal/K

4.4.2 Hidrógeno (H2)

Descripción: Es un elemento químico que en condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. En estado libre sólo se encuentra en muy pequeñas cantidades en la atmósfera, se estima que el 90% del universo visible está compuesto de hidrógeno. Es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como el metano.

Aplicaciones y usos:Es usado como agente reductor en procesos de la industria química y metalúrgica, procesos de tratamientos de aguas, procesos de refrigeración, además de producir llamas de alta temperatura que pueden ser usadas en procesos de corte, soldadura, producción de cuarzo, puede servir como combustible aeroespacial, puede emplearse en la producción de semiconductores, entre otros.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

http://es.wikipedia.org/wiki/Condiciones_normales_de_presi%C3%B3n_y_temperatura



Punto de ebullición -232.8 °C

Punto de fusión -259.2 °C

Densidad a 25°C 0.08235 kg/m3

Temperatura critica -240 °C

Presión critica 12.8 bar

Entalpía de formación 0 Kcal/mol

Entalpía de combustión –286 kJ/mol

Capacidad calorífica a P= cte. 0.029 kJ/(mol K)

4.5 Productos

4.5.1 Benceno (C6H6)

Descripción: Conocido también como benzol, es un hidrocarburo aromático, líquido, incoloro, de olor dulce, componente natural del petróleo crudo, aunque también se puede encontrar en los gases emitidos por volcanes e incendios forestales. Existen cuatro procesos químicos que contribuyen a la producción de benceno industrial: reformado catalítico, hidrodesalquilación de tolueno, desproporción de tolueno y craqueo a vapor.

Aplicaciones y usos: El benceno se utiliza principalmente como un producto intermedio para hacer otros productos químicos. Alrededor del 80% de benceno se consume en la producción de tres productos químicos: etilbenceno, cumeno y ciclohexano. Su derivado que más se produce es etilbenceno, precursor de estireno, que se utiliza para hacer polímeros y plásticos. El cumeno se convierte fenol para resinas y adhesivos. El ciclohexano se utiliza en la fabricación de nylon. Pequeñas cantidades de benceno se utilizan para hacer ciertos tipos de

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gomas, lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos, explosivos y pesticidas.



Punto de ebullición 80°C

Punto de fusión 6°C

Densidad relativa al H2O 0.88

Densidad relativa al aire 2.7

Temperatura de inflamación -11°C

Presión de vapor a 20°C 10 kPa

Entalpía de formación(*) 49.08 kJ/mol

Energía libre de formación(*) 124.42 kJ/mol

(* ) A 25°C y 1atm, para la fase líquida.

4.5.2 Metano (CH4)

Descripción: Es el hidrocarburo más simple; un gas incoloro e inodoro o un líquido bajo presión. Este gas se produce de forma natural por la descomposición de la materia orgánica. Las principales fuentes productoras de metano son el proceso digestivo de los rumiantes, la combustión de biomasa, la actividad microbiana en aguas servidas, así como determinadas acumulaciones de hidrocarburos tales como campos de petróleo, gas y carbón que lo emiten espontáneamente.

Aplicaciones y usos: El metano se utiliza como fuente de luz y combustible, es el principal gas del gas natural. También se utiliza en la elaboración de muchas sustancias químicas, tales como acetileno y metanol. En los últimos años ha sido aplicado con buenos resultados, como fuente energética alternativa en pequeña escala, generándolo a partir de residuos orgánicos agrícolas.

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Punto de ebullición -162°C

Punto de congelación -183°C


Temperatura critica -82.5°C

Presión de vapor a 20°C >760 mm Hg

Entalpía de formación -74.85 kJ/mol

Energía libre de formación -50.8 kJ/mol

4.5.3 Difenil (C12H10)

Descripción: También conocido como bifenilo o fenil-benceno, es un compuesto orgánico así como hidrocarburo aromático; de aroma agradable, sólido, que se forma de manera incolora a cristales amarillos. El bifenilo, se encuentra de manera natural en alquitrán mineral, crudo y gas natural, y puede ser producido con esos materiales a partir de la destilación.

Aplicaciones y usos: Es usado ampliamente como fluido dieléctrico y agente de transferencia de calor. También es un intermediario para la producción como anfitrión de otros compuestos orgánicos como emulsificantes, iluminadores ópticos, productos insecticidas y plásticos. El bifenilo previene el crecimiento de moho y hongos, y es usado como conservante particularmente en la preservación de los cítricos durante su transporte.



Punto de ebullición 256 °C

Punto de fusión 70 °C


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Temperatura de inflamación 113 °C

Temperatura crítica 516.1 °C

Presión crítica 38.50 bar

Presión de vapor a 25°C 1.19 Pa

5. SIMULACIÓN EN CHEMCAD

5.1 Intercambiador de calor #2

5.2 Reactor tubular

5.3 Intercambiador de calor #7

5.4 Destilador Flash

6. CÁLCULOS

6.1 Volumen del reactor tubular

Condiciones de operaciónPtotal 521 psiaT 1150ºF = 169.7ºRR 1.9858 Btu/(lbmol°R)

C7H 8+H 2→C6H 6+CH 4 Reacción 1

C6H 6→12C12H 10+

12H 2 Reacción 2

Cinética de las reacciones

R1=3.68 ∙106 ∙ e

(−90800RT

)∙PT ∙ PH2

R2=9∙104 ∙ e

(−90800RT )∙ PB

2−2.553 ∙105 ∙ e(−90800RT )

∙ PD ∙ PH 2

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Balance por componente

Especie Balance Pi=XiPTotal

ToluenoBencenoDifeniloHidrógenoMetano

1-X1

X1-X2

(½)X2

1+(½)X2-X1

X1

521(1-X1)521(X1-X2)260.5(X2)521(1+(½)X2-X1)521(X1)

Por lo tanto

r1=9.99x 1011∗e

−90800R∗T (1−X1)(1+(½)X2−X 1)

r2=2.47x 1012∗e

−90800R∗T (X 1−X2 )2−3.565 x 105∗e

−90800R∗T (X2)(1+(½)X2−X1)

Entonces, partiendo de:

dVF t

=dxr

∂ X1

∂( VFt

)=0.4604 (1−X1)(1+(½)X 2−X1)

∂ X2

∂( VFt

)=1.1383 (X1−X2 )2−0.016 (X2)(1+(½)X2−X1)

Resolviendo por medio de Runge-Kutta grado 4 se obtienen las siguientes conversiones máximas:

d(V/F)

X1 X2 Xtotal

0 0 0 00.1 0.04401377 4.0495E-05 0.04405426

0.2 0.084320280.0004297

9 0.084750070.3 0.12137955 0.0014847 0.12286432

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80.4 0.15558476 0.0034224 0.15900716

0.5 0.187272980.0063762

3 0.19364921

0.6 0.216733940.0104123

2 0.22714626

0.7 0.244217210.0155438

2 0.25976103

0.8 0.269938270.0217439

3 0.2916822

0.9 0.294083540.0289570

3 0.323040561 0.31681462 0.037108 0.35392263

X1= 0.3168 X2= 0.0371

Si Ft= kmol/h de Tolueno + kmol/h de Hidrógeno + kmol/h Benceno + kmol/h Metano + kmol/h Difenilo

Ft= 1204.3 kmol/h

Por lo tanto, el volumen del reactor tubular será:

V=F t X total

r

V=4505.11

lbh

(0.3168+0.0371)

0.4604 (1−0.3168)(1+0.5 (0.0371 )−0.3168)

V=7223 ft3

6.2 Área del intercambiador de calor #7

Condiciones de operaciónCorriente 5 (mezcla) T1= 1160.35°F

T2 = 100.13°FCp. = 21.4579 Btu/lbm °Fµ = 0.0589 Lbm/ft hk = 0.115 Btu/ft h °FP = 0.507 psiaW = 45077.25 Lbm/h

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Corriente (agua de enfriamiento)

t1 = 80°Ft2 =?Cp. = 1 Btu/lbm °Fµ = 0.69 Lbm/ft hk = 0.255 Btu/ft h °Fw =?

Qmezcla=nmezcla∗Cp∗∆T

Qmezcla=45192686.72Btu /h

Con 0.507 psia, T=80°F

Por lo tanto: ΔH = 1048 Btu/lbm

Sí;

Qmezcla=Q vapor

Qvapor=45192686.72Btu /h

mvapor=Q vapor

∆H=43122.79 Lbm/h

Qvapor=mvapor∗Cp∗(t 2−t1 )

Despejando t2

t2 = 1128 °F

Calculo del tubo interno del fluido caliente (mezcla).

a f=πD2

4=0.006 ft 2

Gf=Wa f

=7512875 Lbm / ft2h

Re=D∗G f

μ=11129241.95@JH=1000

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hi=JH ( kD )( cμk )0.33

( μμw )

0.14

hi=1033.94737Btu

ft2h° F

hio=hi(Di

D e)=821.5181 Btu

ft2h° F

Calculo en el anulo para el fluido frio (agua).

aanulo=π (D2

2−D12 )

4=0.0138 ft2

De=(D2

2−D 12)

D1

=0.1597 ft

Ga=Waanulo

=31248329.85 Lbm/ ft2h

Re=De∗Ga

μ=723241.92@JH=1000

ho=J H( kDe )( cμk )

0.33

( μμw )

0.14

ho=2235.44Btu

ft2h° F

Calculo del coeficiente total limpio y coeficiente total de diseño.

U c=h io∗hohio+ho

=600.74 Btuft2h° F

U D=U c

U c∗Rd+1=593.608 Btu

ft2h° F

Calculo del área.

A= QU D∗MLDT

= 45192686.72593.608∗25.76

=2955.4428 ft2

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Nota: se requerirán tres intercambiadores con el área de 2955.4428 ft2

6.3 Destilador Flash

Condiciones:

Compuestos Flujos de Entrada (Lb/h)Tolueno 19984.6934

Hidrógeno 3061.0525Metano 12870.917

Benceno 8824.957Difenilo 335.6308

Total 45077.2507

6.1 Diagrama de Destilación Flash

Calculamos % de flujo, lbmol y fracción mol.

% de flujo= Flujo del componenteFlujoTotal

x100

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Lbmol=%del componentePesoMolecular delcomponente

Fracciónmol= Lbmoldel componenteLb molTotal

Compuesto % de Flujo Lb-mol Fracción molTolueno 44.33432184 0.481157377 0.081762936Hidrógeno 6.790681447 3.368393575 0.572390162Metano 28.55302131 1.779780672 0.302437623Benceno 19.57740737 0.250626102 0.042588822Difenilo 0.744568036 0.004828211 0.000820456

Balance de Materia

F=L+V

Balance de Componente más Volátil

F∗z=L∗x+V∗y

Cálculo de Presiones de Vapor de Antoine

Pv , i=[e(A 1− A2Tb+A 3 )] [Pc ]

Compuesto Presión de VaporTolueno 57.0026106Hidrógeno 14.78140998Metano 14.65274541Benceno 14.55183937Difenilo 14.70067272

Cálculo de Presión Total

P=Pv ,a+Pv ,b

P=115.6892781Psia

Cálculo de Ki

Ki= yixi

= Pv , iP

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Compuesto KiTolueno 0.492721638Hidrógeno 0.127768193Metano 0.126656036Benceno 0.12578382Difenilo 0.127070313

γ=VF

Ƴ = 0.3765914078

Calculamos x e y

Compuesto x yTolueno 0.079663519 0.002099406

Hidrógeno 0.000684613 0.571705568Metano 0.00304056 0.168221331

Benceno 0.039386153 0.012778677Difenilo 0.000820413 8.9615E-06

7. CONCLUSIONES

8. REFERENCIAS Carrero Mantilla Javier Ignacio. (2005). Simulación molecular del equilibrio

químico para las reacciones de hidrogenación de benceno a ciclohexano, de hidrodesalquilación de tolueno a benceno y de hidrogenación de etileno a etano y de propileno a propano. Universidad del Valle. Cali, Colombia.

centrodeartigos.com/articulos-utiles/article_116863.html campus.usal.es/~ingquimica/benceno_archivos/benceno.htm IPCS, CE 2005, Fichas internacionales de seguridad química www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs56.html www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/17tolueno.pdf www.minambiente.gov.co/documentos/Guia25.pdf www.cnrcop.es/gc/assets/docs/Bifenilos%20policlorados.pdf www.uam.es/docencia/elementos/spV21/conmarcos/elementos/h.html elementos.org.es/hidrogeno www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/hidrogeno.htm www.infra.com.mx/servicio_atencion/libreria/gases/documentos/msds/

hidrogeno.pdf encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?LanguageID=9&GasID=36 www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/Metano.htm www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/

Ficheros/101a200/nspn0106.pdf

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