UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER UN INGENIERO QUIMCO, UNA EMPRESADEPARTAMENTO ACADMICO DE QUMICA,INGENIERIAY TECNOLOGAPRESENTADO 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, Juliodel 2 009DESHIDROGENACION CATALITICA DEL ETIL BENCENO PARA PRODUCIR ESTIRENONDICECARATULAiINDICE iiNOTACIN iiiINTRODUCCIONivRESUMEN vOBJETIVOSviI. MARCO TEORICO 1 II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL2.1 Materiales2.2 Reactivos2.3 ProcedimientoIII. CLCULO Y RESULTADOSIV. DISCUSION DE RESULTADOSV. CONCLUSIONESVI. RECOMENDACIONESVII. BIBLIOGRAFIAVIII. ANEXOSINTRODUCCIONEl estirenoesunadelassustancias msimportantes comomateriaprimade polmeros. En Japn, produce 1,5 millones de toneladas de estireno por ao, esto es comercialmente producido por deshidrogenacin del etilbenceno (reaccin 2) en el cual es hecho desde el benceno y etileno (reaccin 1).C6H6 + C2H4 C6H5-C2H5 (1)C6H5-C2H5C6H5 C2H5 + H2(2)Laformacindel etilbenceno esunareaccinexotrmica. Laalquilacioncon etilbencenoenfaseliquidaeslamascomn. El catalizador queseutilizaesel AlCl3. La produccin de estireno a partir de etilbenceno es una reaccin endotrmica en fasegas, yel H2formadosepuedequemar paraaportar calor al reactor. El catalizador ms usado esta constituido por una mezcla de Fe2O3 ms Cr2O3.La produccin de estireno esta favorecida por temperaturas altas y bajas presiones deH2. Ladeshidrogenacinesliberadaacalor enpresenciadeH2O(vapor de agua) el cual es una fuente de calor.Aunque las elevadas temperaturas alcanzadas con la adicin de H2O(v) favorece la conversin a Estireno. RESUMEN OBJETIVOS NIVEL 0:INFORMACION DE ENTRADAI. INFORMACIONBASICAI.1. LAS REACIONES Y SUS CONDICIONES DE OPERACINI.1.1. INFORMACION DE LAS REACCIONESEstainformacinseobtuvo delaliteratura deprincipal depaper y internet, la cual es:NMinura, I.Tarahara,M. Saito, T.Hattori, K. Ohkuma, M. Ando, Appl. Caltas.45 (1998)61-64.a). Estequiometria de todas la reacciones que tiene lugarLareaccinprincipal eslareversibleyendotrmicaconversinde etilbenceno a estireno e hidrogeno.C6H5-C2H5 C6H5-C2H3+H2 Al tratarse de una reaccin en fase gas, en la que se producen dos moles del productoporun molde reactante reaccionando,bajar la presin favorece la mezcla de la reaccin.Setratadeunareaccinquecatalticamentepuedealcanzar altos rendimientos, dndose otra reaccin secundaria.C6H5-C2H3 + 2H2C6H5CH3 + CH4b).El rango de temperaturas y presiones parciales para las reaccionesSe da en la siguiente tabla 1:Parmetros bsicos para un proceso comercial.Temperatura de reaccina. PresinComponent of feed gasTemperature of starting materialsTemperatude of products and of gas.Reacction pathruayYield of styrene Selectivity of styreneTermic efficiency of boilerTeermic efficiency of heat exchanger and evaporado.630CPresin atmosfricab.H2O/EB = 925C40CDeshidrogenacion simpleR1:35%;R2:35%;total:70%100%90%100%a. Temperatura de la cabeza de R1.b. La presin es una planta comercial esta alrededor de 0.5 0.8 atm.c).Lasfases del sistema de reaccinLafasequesepresentanenlareaccindel sistemaeslafase gaseosa y liquida.d). Formacin sobre la distribucin de producto versus temperatura. I.2. VELOCIDAD DE PRODUCCINBase de calculo 10000Tn / aoPM estireno = 104 Kg/Kg molI.3. PUREZADEL PRODUCTO.Tabla N 2Producto Pureza (%) Precio (us$/Tn)Esterino99.0099.0099.8099.85900910920935Fuente: www.cis.comPrecio del estireno en diferentes continentes (99.8%)continente Precio (us$/Tn fob)Norte AmricaEuropaAsia920-935930930-940I.4. PROPIEDADES FISICAS DE LOS PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS.Constante Etilbenceno Hidrogeno Tolueno Metano EstirenoFormula Emprica C8H10 H2 C7H8 CH4 C8H8Peso Molecular 106.168 2.016 92.141 16.043 104.152Punto de Fusin (C)178.2 -259.19 178 90.7 242.5Puntode Ebullicin(C)136 -252.72 383.8 111.7 418.3Densidad(g/cm3)C 0.9 0.071 0.867 0.425 0.9Entalpia (Cal/g. mol)8500 216 7930 1955 8800FUENTE: Chemical, prices, wekending March.I.5. DATOS DE COSTOSCostos y Precios de venta.Etilbenceno $ 0.250/ lb CostoVapor a 800 K $ 0.022/ lb CostoEstireno $ 0.310/ lb Precio de VentaTolueno $ 0.220/ lb Precio de VentaHidrogeno $ 0.104/ lb Precio de VentaMetano $ 0.043/ lb Precio de VentaAgua$ 0.002/ lb CostoI.6. VELOCIDAD DE REACCINEcuacin cintica.Donde:I.7. ALGUNAS RESTRIBUCIONES DEL PROCESOAlgunas retribuciones que se pueden presentar en el proceso de obtener elestireno,se da en una reaccin que catalticamente puede alcanzar estos rendimientos, aunque reacciones de competencia trmica, degradan eletilbenceno a benceno y tambin a carbn.Eletilbenceno tambin reacciona catalticamente tolueno. C6H5 C2H3C6H6+C2H4 H= 101.8KJ/molC6H5 C2H38C+5H2H= 1.72KJ/molC6H5 C2H3+2H2 C6H5CH3+ CH4La produccin de carbn mediante estas reacciones secundarias es un gran problema, ya que se trata de un veneno del catalizador.Conel usodel vapor deaguanosevitamosengranpartedeeste problema mediante lareaccin del carbn enel agua (vapor) para formar CO2 e H2.C+2H2OCO2+2H2 H = 99.6 KJ/molEl vapor del aguaenladeshidrogenacindeetilbencenotienetres menciones fundamentales.a. Baja la presin parcial de etilbenceno.b. Aportar el calor necesario de reaccin.c. Limpiar el catalizador del carbono.1.8 INFORMACION SOBRE TOXISIDAD, SEGURIDAD E IMPACTO AMBIENTAL.1.8.1. ETILBENCENO: FeniletatoC8H10/C6H5 C2H5a) Toxicidad.Limites de Exposicin.TLV (Como TWA):100ppm 434 mg/m3 (ACGJH 1995 - 1996)TLV (Como ESTEL):125 ppm, 543 mg/m3MAK; 100 ppm; 440mg/m3 (piel) (1996)Efectos de ExposicinCorta Duracin:La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio, la indigestin del lquido puede dar el lugar alaaspiracin del mismo por los pulmones ylaconsiguienteniumatitis qumica, lasustanciapuede causar efectos en el sistema nervioso central, la exposicin por encima de LEL podra causar disminucin de la coenzima.b) seguridadEnvasado y etiquetado: Smbolo: FSmbolo: XnDerramas y fugas:Ventilar:Recoger el liquido procedente delafuga enrecipientes tapados,absorberel liquido residualenarena o absorbenteinertey trasladarlos a un lugar segur. No verterlo al alcantarillado (proteccin personal adicional: respirador de filtro par vapores orgnicos).Almacenamiento:A prueba de incendio separado de oxidantes fuertes.Nota: La alerta por el olor es insuficiente.c) Impacto ambientalLa sustancia es nociva para los organismos acuticos. 1.8.2. TOLUENO: C7H8a) Toxicidad.Nivel de toxicidad:RQ : 1000IDLH: 2000ppm.LDLo (oral): 50 mg/KgNivel de irritacin 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 principalmitabolito es elcido benzoico,elcualse conjuga con la glicina en elhgado, pulmones y se excretapor medio de la orina como acido hiprico.El abuso d este producto provoca dao al hgado,pulmones y disfuncincerebral. El consumodealcohol potencializalosefectos narcticos del tolueno.b) Seguridad.Empaque: Liquido inflamable.Derrama y fugas:Usar bataylentesdeseguridad. Dependiendodelamagnituddel derramesernecesarioal usodeotroequipodeseguridadcomo botas y equipos de respiracin autnoma.Mantener cualquier puntodeignicinalejadodel derrameofugay evitar que llegue a fuentes de agua o drenaje.Si el drenajees grandedebenconstruirsediques paracontenerlo utilizando tierra,sacos con arena o espumade poliuretano.Usaren forma de roco para bajar o vapores generados almacenndola en un lugar seguroparasutratamientoposterior. El liquidoderramadose puedeabsorber concementoenpolvo, arenaoalgnabsorbente comercial, aplicandoalgnagentegelanteparainmovilizarlo. 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. Tambin utilizar agentes gelantes para rodear con un circulo solido de derrame y incrementar la deficiencia de las bombas.Si se disuelve con una concentracin mayor de 10 ppm, se una carbn activado en una proporcin 10 veces mayor a la cantidad de derrame, da posteriormente, succionar el material y utilizar palas mecnicas par eliminar los slidos contaminantes.Almacenamiento:Almacenar en un lugar bien ventilado. Libre de fuentes de ignicin y alejado de productos qumicos con los cuales es incompatible, debido aquetoluenonocorroelosmetales, envolmenesgrandespuede almacenarse en recipientes de fierro,acero o aluminio conectado a tierra. 1.8.3. ESTIRENO: Feneliteleno, Venilbenceno, Cinameno99.5%a) Toxicidad:Toxicidad oral aguda (LD50) ensayado en ratas: 5000 mg/kgGL50:/ inhal / rata: 11.9 mg/1/4 horas.Concentracin superior a 100 ppm puede producir: Incidencia sobre el sistema nervioso central.Producto nocivo por inhalacin.Irrita los ojos y la piel.b) seguridad:Precaucionesindividuales:Evitar todocontactoconlapiel, ojosy ropa. Evitar respirarlosvapores. Extinguirllamas, evitarchispas, no fumar.Usar prendas adecuadas,guantes resistentes a productos qumicos, gafas de seguridad con proteccin lateral,En caso de sobrepasar el valor imiteestablecido, esrecomendablelaproteccindelasvas respiratorias.Mtodo de limpieza:Encausar grandes cantidades y bombearlas en recipientes: El resto recoger con material absorbente y eliminar segn las precipitaciones locales y vigentes.Almacenamiento:Almacenar en un lugar bien ventilado. El producto debeser estabilizado por lo menos de 10ppm de butilpirocateguina terc (TBC),Debido a la facilidad con que se polimeraliza,se debe al estirenoproteger del calor duranteel transporteytambinsedebe almacenar en sitios frescos u oscuros.Limites de explosividad en el aire. Inferior: 1.1% Vol. Superior: 6.1% Vol. Temperatura d ignicin: 490cc). Impacto ambientalToxicidad en peces (aguda) 10 mg/LToxicidad en daphnias (aguda) 4.7 mg/LToxicidad en algas 1.4 mg/LToxicidad en bacterias 72 mg/LInhibicin 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 tratamientoprevio (depuradora biolgica).Valoracin global:peligro para el medio ambiente.1.8.4. METANO CH4 100%a) Toxicidad:No se conocen los efectos toxicolgicos de este producto.b) Seguridad:Envasado y etiquetado: Extremadamenteinflamable.Vertido ambiental:Precauciones personales:Utilizar equipos de respiracin autnoma cuando entren en el rea a menos que este probado que la atmosfera es seguro. Evacuar el rea.Asegurar la adecuada ventilacin de aire.Eliminar las fuentes de ignicin.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 50C en el lugar bien ventilado.Manipulacin:Asegrese que el equipo esta adecuadamente conectado a la tierra.Debe prevenirse la filtracin de agua al interior del recipiente.c) Impacto ambientalNo se conocen daos ecolgicos causados por este producto factor de calentamiento global (CO2 =: 21 1).1.8.5. HIDROGENO: H299.999% Molara) Toxicidad:El hidrgeno es un asfixiante simple.Concentracin Sistema de exposicin12-16 % Oxigeno Respiracin y grado del pulso aumenta, coordinacin muscular es ligeramente alterada.10-14 % Oxigeno Efectos emocionales, fatiga, anormal, respiracin perturbada,06-10 % Oxigeno Nausea y vmitos, colapso o perdida de la conciencia.Abajo 6 %Movimientos convulsivos, colapso respiratorioy posible muerte. b) seguridad:c) impacto ambiental:

NIVEL 1: SISTEMAS CONTINUOS VS DISCONTINUOSPara elegir entre los procesos continuos y discontinuos se procede de la siguiente manera: 1.1 Velocidad de produccin Para saber cul ser la velocidad de produccin se debe hacerun anlisis de mercado. Analisis de la demanda Analisis de la oferta Analissis de la demanda insatisfecha.Adems nuestro producto no es estacionario esto quiere decir que se requiere todo el ao en el mercado.La velocidad de reaccin es rpida e influenciadapor la temperatura:Existen varios operaciones y procesos qumicos Suponiendo que el 10% de la demanda insatisfecha es 1000Tn/ao, esta es la cantidad que pensamos producir.1.2 SELECTIVIDAD Y CONVERSIONWenner and Dybdal presentan algunos datos de distribucin para la produccin de estireno.Las reacciones que ellos consideran son:Dados a temperatura de 1115 F y una presin de 25 psia.Y los puntos ledos de sus grficos son dados en las tablas 1 y 2.Tabla 1:Moles de estireno por mol de benceno vs conversin.0.0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.14Conversion X 0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275Elaboracin: James M Douglas3 2547 . 2 215 . 0 333 . 0 X X XEB+ Tabla 1:Moles de Tolueno por mol de estireno vs conversin.o molEstirenTolueno mol0 0.006 0.015 0.030 0.045 0.070 0.11 0.16Conversion X 0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275Elaboracin: James M Douglas3 2638 . 2 264 . 0 084 . 0 X X XET+ 1.3 CINETICA DE REACCIONLa expresin de velocidad de reaccin, para la reaccin principal es:22H E EBk+ 21212112. .1kkK C CKC k rE H EEEB;' Donde: ( ) [ ]1120440exp 383;' hrR RTk( ) [ ]1 627170exp 10 734 . 7;' hrR Tx kE1 1 3. . . 73159 . 10 1575 460 1115 + mol lb R psi ft RR T1.3 CONVERSION DE EQUILIBRIOCuando la velocidad de reaccin alcanza el equilibrio r = 0:Entonces:111 2.2 EBH EECC CK( ) ( )X X EBXX EBCEB++11110 0( ) ( )XX EBXX EBCE++1 10 0( ) ( )XX EBXX EBCH++1 10 02Para una temperatura de 1575 R K eq=0.249Luego( ) ( )( )249 . 0111.100 0++ +X X EBXX EBXX EBSimplificando:( )249 . 01220 XX EBPara una concentracin del etil benceno deE0= 1 molarXe= 0.446 a cBencenoNIVEL 2: ESTRUCTURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL FLOWSHEET2.1 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO 2.2 Variable de Diseo, Balance de Materia y Costos de Flujos de Entrada y Salida2.2.1 Variables de DiseoX = 0.70 y S =0.353Donde:X: ConversinS: Selectividad2.2.2 Balance total de materia2.2.2.1 Procedimiento de balance de materiaa) Velocidad de produccin deseadaPE = 24.885lb mol E/hb) Calculo de la selectividad353 . 0185 . 5 479 . 0 417 . 0 113 2+ +X X XSb.1 Deduccin para calcular la selectividadDado el mecanismo de reaccin EtilbencenoEstireno+H2X Etilbenceno Benceno + EtilenoEtilbenceno + H2 Tolueno+ MetanoEtilbencenoH2; C2H4; CH4EstirenoTolueno a cf1(x)=B=(0.333X-0.215X2+2.547X3)Ef2(x)=T=(0.084X-0.264X2+2.638X3)ESi la conversin (x=a+b+c)353 . 0 convertido o etilbencen de molesproducido estireno de molesS(x) f * 885 . 24 (x) f * 885 . 24 885 . 24885 . 242 1+ ++ +c b aaS

,_

+ +(x) f (x) f 112 1S

,_

+ +3 2185 . 5 479 . 0 417 . 0 11X X XSC) Calculo De flujos de los reactantes, productos y subproductosc.1) Etilbenceno alimentado (FFEB)FEBF EPS h EB LbmolPFEFEB/ 49 . 700.353885 . 24S c.1.1 Etilbenceno alimentado totalh EB LbmolFFFEBTEB/ 71 . 1000.7049 . 70X C.2) TOLUENO PRODUCIDONo se convierteEtilbencenoConertido(1-x)RcicloTolueno a c1 mol EBBencenoB/E = f1(x)T/E = f2(x)bT= (0.084X-0.264X2+2.638X3)PET= (0.084(0.7)-0.264(0.7)2+2.638(0.7)3)*(24.885)T= 20.75 Lb molT/hc.3) Benceno producidoB= (0.333X-0.215X2+2.547X3)PEB= (0.333(0.7)-0.215(0.7)2+2.547(0.7)3)*(24.885)B= 24.91 Lb molB/hBalance Para El Gas En SubconjuntoEtilbencenoEstireno+H2 Etilbenceno Benceno + EtilenoEtilbenceno + H2 Tolueno+ MetanoFV=20(FTEB) =20.1420 Lb mol V /hC.3.1)Balance Para El Hidrogeno24.885- Lb mol H2 producidos en la primera reaccin20.75 Lb mol H2 que reacciona en la tercera reaccin4.145 Lb mol H2 que no reacciona.C.3.2) BALANCE DEL ETILENO (C2H4)C2H4= (0.333X-0.215X2+2.547X3) PEC2H4= 24.81 Lb mol E/hC.2.3) BALANCE PARA EL METANO (CH4)CH4= (0.084X - 0.264X2 + 2.638X3) PECH4=20.75 Lb mol M/hEntonces; El balance de gas en su conjunto es:G=m+n+pG= 4.135+24.91+20.55G=49.795 Lb mol G/h2.2.2.2 BALANCE DE MATERIA EN TABLASA) VARIABLES DE DISEOF3:BencenoVELOCIDAD DE PRODUCCION 24.885CONVERSION DE ETILBENCENO 0.70COMPOSICION DE HIDROGENO 0.083COMPOSICION DE ETILENO 0.500COMPOSICION DE METANO 0.417B) CALCULO DE LA SELECTIVIDADS = 0.353COMPUESTOS (Lb mol /h)F1F2F3F4F5H20 0 0 0 4.135CH40 0 0 0 20.75C2H40 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(F) 1115 1115 1115 1115 1115Presion(Psia) 25 25 25 25 25COSTO DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTOScomponente PM US$/Lb molUS$/Lb US$/tonA) Materia prima Etilbenceno Agua106.1681826.5420.3960.2500.02245048.51B) Productos Estireno104.142 32.287 0.310 638.55FUENTE: F1:EtilbencenoF2:EstirenoF4:ToluenoF5:H2; C2H4; CH4VALOR DE LOS PRODUCTOS COMO COMBUSTIBLECOMPONENTE PM Valor de combustibleValor de combustible(BTU/Lb mol)H22.00 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$CH416 4x10-6BTU 0.336 x106 BTU/$C2H428 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$Tolueno 92.10 4x10-6BTU 1.630x106 BTU/$Benceno 78 4x10-6BTUEstireno 104.152 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$Etilbenceno 106.163 4x10-6BTUDETERMINACION DE LOS COSTOSValor de Materias primas:aoUStonUSo Etilbencen$18591299.5$450aoton41313.9989 : ,_

,_

aoUSsubtotal$18591299.5 Valor del Producto:3582118.982271572.656394861.89aoUStonUSEstireno$6394861.89$550 . 663aoton10014.6612 : ,_

,_

Valor del Subproducto:aoUStonUSTolueno$3582118.98$10 . 485aoton7384.2898 : ,_

,_

aoUStonUSBenceno$2271572.65$571 . 302aoton7507.56898 : ,_

,_

Costo total de subproducto =aoUS$12248553.5Valor de Purga:aoUStonUSo Me$121631.52$815 . 94aoton1282.82993 : tan ,_

,_

aoUStonUSHidrogeno$7327.8816$32 . 229aoton31.9548299 : ,_

,_

aoUStonUSEtileno$3238665.16$72 . 1201aoton2695.02476 : ,_

,_

aoUSsubtotal$3367624.56 PRIMER POTENCIAL ECONOMICOPE1=Costo del producto + costo de subproducto + costo de purga costo de materia primaPE1= aoUSaoUSaoUSaoUS $18591299.5$3367624.56$12248553.5$6394861.89 + +PE1=aoUS$2602268.44