PRODUCCIN DE ANHDRIDO FTLICO.DISEO DE PROCESOS I

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y BIOQUIMICA.

Equipo 2

1

INDICEObjetivo..3 Justificacin..3 Introduccin.4 Mtodos de Obtencin....6 Estudios de mercado....7 Localizacin de la planta.12 Requerimientos Socio-Econmicos y Polticos...15 Equipo15 Memorias de Calculo..18 Balance de Materia.19 Balance de energa..21

2

OBJETIVO.Realizar el diseo de una planta de ANHDRIDO FTLICO a partir de la oxidacin del orto xileno. Con el fin de crear una empresa rentable que a la vez, genere un beneficio para la sociedad mediante la creacin de empleos y el cuidado de medio ambiente a travs de un proceso eficiente y de alta calidad en la produccin de productos plastificantes.

JUSTIFICACIN.El anhdrido ftlico es un producto muy importante en la obtencin de diferentes productos de diversa utilidad, como: ftalatos plastificantes resinas de distintos tipos como alqulicas y otras polisteres colorantes pinturas tintas plastificantes estabilizantes y numerosos de productos qumicos

Aproximadamente se concentra el 90% del consumo en 3 usos principales: como plastificantes para las resinas de cloruro de polivinilo polisteres, donde se encuentran los usos mayores para fabricar las partes fibra de vidrio reforzado. las resinas de ftalatos alkil-glicerol son una base ampliamente usada para las pinturas

3

Hasta la segunda guerra mundial, el acido ftlico y el anhdrido ftlico se fabricaron principalmente por la oxidacin del naftaleno. El mtodo BASF para oxidacin de naftaleno en acido sulfrico en presencia de sales del mercurio para formar el anhdrido era el preferido. Este proceso estaba patentado ya en 1896. Despus en los Estados Unidos se desarrolla el proceso de obtencin de anhdrido ftlico por la oxidacin directa del naftaleno con aire sobre un catalizador de xidos de vanadio y molibdeno. Un proceso similar se desarrollo en Alemania y ambos procesos se llevaron a cabo a partir de naftaleno hasta la escases de 1950 lo que forz a la industria a buscar un reemplazo, siendo el o-xileno la mejor opcin. La oxidacin de o-xileno ha sido objeto de muchos estudios y se han propuesto una serie de mecanismos de reaccin. Los productos de oxidacin no selectivos, se consideran como resultado no solo de la oxidacin directa de o-xileno, sino tambin de especies intermediarias y de anhidro ftlico. Un estudio mas reciente sugiere que la ruta que conduce el anhidro maleico y a anhidro ftlico son competitivas, por otra parte tambin han sido detectados otros productos secundarios a bajas concentraciones pero a la fecha, la oxidacin cataltica de o-xileno sobre catalizadores de v2o5 es el proceso industrial ms importante para la produccin de anhidro ftlico. La produccin de anhdrido ftlico en los Estados Unidos en 2007 fue de 0,9 millones de libras por ao; este total se estima que aumentara a 2,2 millones de libras por ao, dado que el naftaleno es una materia prima de mayor precio y tiene una menor utilizacin de la alimentacin (aproximadamente 1,0 libras anhdrido ftlico / libras-xileno frente a 0,97 libras naftaleno / anhdrido ftlico), el crecimiento de la produccin futura se prev utilizar o-xileno.

INTRODUCCIN.El anhdrido ftlico, tambin conocido como ftalandiona, es un compuesto orgnico con frmula C6H4(CO)2O, se presenta en estado fsico como cristales incoloros (agujas rmbicas) a temperatura de 25 C la densidad es de 1,527 g/ml. Punto de fusin: 130,8 C. Punto de ebullicin: 284,5 C; dicho compuesto es soluble en agua, alcohol y ter.

4

En 1975 la produccin mundial de anhdrido ftlico proceda ya en un 75% de o-xileno, proporcin que para 1980 esperaba llegar al 85%. Sin embargo el naftaleno como procedente del carbn no perder su importancia por completo para la obtencin de anhdrido ftlico, como lo confirma la construccin de una instalacin moderna de anhdrido ftlico a base de naftaleno por la Nippon Shokubai, en Japn. El anhdrido ftlico es inflamable y conlleva un peligro moderado de incendio. Su toxicidad es comparativamente baja en relacin con otros anhdridos cidos industriales, pero acta como irritante de la piel, los ojos y el tracto respiratorio superior. El anhdrido ftlico no tiene efecto alguno sobre la piel seca, pero produce quemaduras en la piel hmeda, en donde el producto realmente irritante es el cido ftlico que se forma en contacto con el agua. Por lo que se recomienda que el anhdrido ftlico sea almacenado en un lugar fresco y bien ventilado, alejado de llamas abiertas y sustancias oxidantes. En los lugares para su manipulacin debe existir un buen sistema de ventilacin local y general. Debe tenerse en cuenta que los vapores emitidos por el anhdrido ftlico lquido son tan irritantes como cuando se encuentra en forma de copos o escamas. En caso de salpicaduras o contacto con la piel, sta debe lavarse inmediatamente con agua abundante. Los trabajadores que manipulan derivados del anhidrido ftlico deben mantenerse bajo control mdico, prestando una atencin especial a los sntomas de asma y sensibilizacin de la piel. Si se observa alguno de estos sntomas, el trabajador tendr que ser asignado a otro puesto de trabajo. Sea como fuere, el contacto con la piel debe evitarse siempre. Se recomienda el uso de ropa protectora como guantes de goma. Para llevar a cabo la produccin del anhdrido ftlico en este proceso el principal material que se emplea es o-xileno, el cual puede provocar irritacin al estar en contacto con la piel y ojos; adems tiene un bajo nivel de toxicidad por inhalacin al estar expuesto a bajas concentraciones.

5

Metodos de obtencin. ANHDRIDO FTLICO A PARTIR DEL NAFTALENO. Para producir anhdrido ftlico la materia prima es principalmente naftaleno puro y aire en exceso. Estos se presurizan, se calienta y vaporiza, el naftaleno reacciona en un reactor de lecho fluidizado con un catalizador de oxido de vanadio en slica gel. LAS REACCIONES SON:

ANHIDRIDO FTLICO A PARTIR DE O - XILENO

EL anhdrido ftlico se produce tambin por la oxidacin cataltica de o-xileno con aire en exceso, estos se presurizan, se calientan y se vaporizan, en un reactor PFR con un catalizador de V2O5, tericamente se predicen rendimientos del 135% aunque en la prctica no se haya logrado tales niveles; en Alemania se han obtenido rendimientos hasta del 124%, a nivel nacional, en CARBOQUIMICA se han obtenido rendimientos del 115%. LAS REACCIONES SON

6

Reacciones secundaria.

SELECCIN DEL METODO.

El mtodo seleccionado para nuestro proyecto fue a partir de o-xileno, debido a que los precios de las materias primas son ms bajos en consideracin con las otras rutas al igual que el proceso que se lleva a cabo para la obtencin del anhdrido ftlico es ms sencillo y con buena eficiencia; as como las condiciones de operacin son favorables debido a que se trabaja con una menor presin y menores temperaturas que en el proceso con el naftaleno.Siendo a partir de o-xileno el mtodo ms utilizado para la produccin de anhdrido ftlico ya que se han obtenido un producto de mejor calidad y mayores rendimientos, requiriendo menores cantidades de catalizador y consumo energtico, en cuanto a costo de capital inicial, se requiere menor inversin para la construccin de la planta.

ESTUDIOS DE MERCADO.El Anhdrido Ftlico en el mercado actual tiene un precio de 520 Dlares la Tonelada. El precio de la materia prima ORTO-XILENO es de 350 Dlares la tonelada. Produccin mundial 784,496.124 toneladas por ao. Con una relacin de 2.3 AF A 1 O-X.

7

COMPRADORES DE ANHIDRIDO FTALICO.

8

PLANTAS PRODUCTORAS DE AF EN MEXICO MEXICHEM IDESA MINIMEX HCR

TONELADAS POR AO CON UN TOTAL DE 253,000 TON/AO 35000 32000 28000 28000

9

BRN MEX PRO. QUIMICA DE SALTILLO QUIMICA DELTA MEYER VAN FREBER MR

28000 26000 26000 25000 25000

Porcentaje de produccin mundial

32.25 67.75

Produccion Nacional Produccion Mundial

10

PORCENTAJE NACIONAL MEXICHEM28000 26000 26000 IDESA MINIMEX HCR

35000 32000

28000 28000 28000

Sustentabilidad en el mercado.La demanda de este producto como materia prima en otros procesos, nos garantiza una continua demanda por parte de los clientes. Aun que el mercado del Anhdrido Ftlico se considera en crecimiento, estamos seguros que al ubicarnos en zonas estratgicas cerca de nuestros clientes potenciales ayudara al crecimiento y desarrollo de nuestra empresa.

11

LOCALIZACION DE LA PLANTAALTAMIRA TAMAULIPAS. Es una zona apropiada para el desarrollo industrial ya que adems de contar con grandes campos libres de poblacin, tambin cuenta con puerto que acelerara la exportacin del producto a lo largo y fuera del pas. Ubicada cerca de otras empresas que podran ser potenciales compradores del anhdrido ftlico. Zona de inters Precio de la zona: $620.00MNm2 Rentado por 99aos Precio aproximado:1,198,770.00MN

12

Delimitacin del terreno

175m420m 425m

575.5m1,933.5m2Precio aproximado; $1,198,770.00MN

13

rea administrativa Puntos de vigilancia Zona elctrica Bombas Tanque de almacenamiento entrada Tanque de almacenamiento salida Reactor principal Tanques de da Tubera Camino de camionetas Zona de descarga de material Zona de bombeo de agua Estacionamiento

14

Requerimientos socio- Econmicos y Polticos. Para instalar nuestra planta en la zona industrial se debe hacer un anlisis de riesgo y un anlisis de residuos. La poltica de nuestra empresa es cero deshechos, nuestros productos a pesar de ser txicos, son importantes materias primas para la industria como es el anhdrido maleico y en menor medida el CO2 as que estos sern almacenados para despus ser vendidos en el mercado industrial.

EQUIPO. Contenedores para la materia prima. El orto xileno ser contenido en tanques de almacenamiento cerrado, por su estado natural deberemos tenerlo a temperaturas bajas ya que el orto xileno es voltil y es toxico.

El aire ser alimentado hacia un generador que a su vez estar conectado a una turbina para que los otros gases se separen y obtengamos el oxigeno.

15

Tipo de reactor.

Como la reaccin es altamente exotrmica por ser una oxidacin utilizaremos un reactor flujo pistn (flow piston reactor) no isotrmico.

Dos intercambiadores de calor, que hran descender la temperatura de 400 a 280Y 150C

SWITCH CONDENSERS.

Medios se utilizaran para la separacin de los productos. .

16

Por la diferencia de los puntos de sublimacin los otros productos se evaporan mientras el AF pasa al estado liquido.

2

Torres de Destilacin para separar la mezcla de CO2, AF, A Maleico y H2O.

17

18

MEMORIAS DE CALCULOS PARA LA PLANTA DE ANHIDRIDO FTALCOPara la definir la capacidad de la planta La capacidad de es: 35, 000 TON/AO

|

|

Reaccin se lleva con una temperatura 400 C y una presin de 8psi

Ecuacin balanceada

(

Balance de Estequiometrico ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ( ( ( ) )

) )

19

Balance De Materia

( ( ( ( ( ( ( )( ) )(

)

( )

)(

)

) ) ) ( ()

)(

) )

(

(

(

)

)

)

(

)

20

Clculos de los flujos Que es el flujo de anhdrido ftlico

Flujo de salida de Anhdrido Ftlico del balance estequiometrico tenemos

Calculamos flujos de O-Xileno

En la relacin para definir la capacidad de la planta gr de O-Xileno de M3 de aire. 60 gr O-Xileno1 M3 Aire 4, 419,191.9 gr/Hr..73,653.19 M3/Hr de Aire o 20.45 M3/seg Calculo de moles de A(O-Xileno)

Calculo de flujo de Oxigeno (B)

(

)(

)

= 41982.3230 kg/hr

Moles de Oxigeno

Flujo de salida de Agua (D) ( ( ) ) ( )

21

Para el clculo del Numero de Tubos del Reactor

La relacin

(

El volumen de Aire por tubo )( )

Balance de Energa

( ( (

) ) )

(

)( (

)( )

)

( | |

)(

)

Toneladas por hora de vapor generado por la rxn.

22

Caractersticas de los tubos

Calculo del tiempo de la reaccin( )

[ (

) (

)(

)]

Calculo del volumen del reactor de flujo pistn

( )(

) (

)

Dimetro del reactor

Dr. = (1.3*4.2)= 5.46 m

23

Para la altura del reactor

Tomamos 1.7 HR= (1.7)*(5.46)= 9.282 metros

5.46 m

9.28m

Calculo del espesor del reactor

(

) (

)

t= 66.51mm =

2.6188pulg

24

t= espesor mnimo de la pared D= dimetro del reactor Pdis= presin de diseo= 2.2 MPa S= tensin del material de la pared= 107 MPa = eficiencia conjunta= 85%

Calculo del espesor de las etapas

Donde K= 1.37

(

) (

)

Pentoxido de vanadio (V2O5)

Calculo del intercambiador de las sales

25

El rgimen de transferencia de calor por la coraza es convectivo y el coeficiente de transferencia de calor puede ser esperado muy alto >20000 w/m2c

26

Potencia del compresor de aire (oxigeno) C-01

24,234.5 kg/hr

27

Memoria de Clculo de Intercambiador de calor (O-XILENO) EH-01

(

)

28

(( ( (

) () ) )

)

Flujo para la caldera = 12,108 *

(

)(

)

rea del Intercambiador

(

)(

)

En el arreglo de los tubos se toma la longitud de separacin 24

(

)

(

)(

)

29

Oxigeno intercambiador de calor EH-02

25C

150C

24,234.5 kg/hr

( (

) ) (( ( ( ) ) )

)

Flujo para la caldera = 33,210

(

)(

)

30

(

)(

)

(

)

(

)(

)

INTERCAMBIADOR DE CALOR EH-03 A LASALIDA DEL REACTOR

26,785.5 KG/HR

Q=-5743460.04 BTU/HR ( ( ( ( ) ( ) ) ) )

31

Flujo para la caldera = 49675.316

(

)(

)

(

)(

)

(

)

(

)(

)

INTERCAMBIADOR DE CALOR EH-04 A LASALIDA DEL REACTOR

Q=-615226.22

32

( ( ( (

)

( ) ) )

)

FLUJO DE LA CALDERA = 14,808

(

)(

)

(

)(

)

(

)

(

)(

)

Memoria de clculo de las bombas de O-Xileno B-01 y B-02

(

)( ( )

)(

)

Memoria de clculos de la bomba B-03 (A la salida de los swich condensers)

33

Potencia del motor

(

)(

)(

)

( )( ( ) )( )

Balance del agua de enfriamiento para el reactor R-01 Rxn Exotermica

(

)(

)( (

) )( )(

( )

)

Flujo de agua de enfriamiento

(

)(

)

34

Memorias de clculo de las bombas de la torre de enfriamiento (B-01 y B-02)( )( )

|( (

||)( )(

|)( ) )

( Motor de la bomba B-04 y B-05 230 Hp

)

Fan Hursepower for Mechanical draff tower. (Motor para el ventilador)( )( )

Donde: | ||( )

|

( ( )(

)( )

)

Potencia comercial

35

Memoria de clculo del Swich condenser

120C 60C 58C

72C

Clculos de los Swich Condenser BTU por libra de A. F

Flujo de la energa ( ) | |

36

Para las cmaras de desublimacin. Flujos en metros cbicos por hora de aceite ( )( ) ( )( )( )

(

)

Flujo de aceite frio

Memoria de Clculo para la fundicin de Anhdrido Ftlico (Aceite caliente)

(

)

(

)(

)

(

)

Flujo de la caldera de aceite Como los otros residuos tienen un punto de desublimacion mas alto se van como gases mientras que el anhdrido ftlico y en cantidad mnima el maleico se quedan en el interior de los swich condensers con una composicin de 99.99% de AF y un 0.01% de AM y un flujo total de 2,500.250025 kg/Hr. MEMORIA DE CLCULO DEL TANQUE T-02 (O-XILENO)

37

(

)

=11.25 metros DISEO MECANICO DEL CUERPO.

(

)(

)

Memoria de clculo para tanque T-03 A la salida del Swich Condenser (Material acero a al carbn)

38

(

)

DISEO MECANICO DEL CUERPO.

(

)(

)

Torre de destialcion 1 Condiciones de operacin Temperatura 150C Presion 10 psi Platos de totales Plato de alimentacion 9

39

Altura de la columna 1 = 20 platos *espaciamiento de20 pulgadas=400plugadas=10.16 altura. Diamtero de la columna =3,72 fts=1,13 metros

La torre de destilacion 2 Condiciones de operacin Temperatura 257,95 C Presion 0.10 atm Numero de etapas 16 Plato de alimentacion: 7 La altura de la torre: 16 estapas*20 pulgddas de espaciamiento=320 pulgadas=8,12 metros. El diametro de la columna=1,20 metros.

40

41