UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD FACULTA D DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA ESCUELA ESCUELA PROFESIONAL PROFESIONAL DE INGENIERIA INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL AMB IENTAL
ESTUDIO ESTUDIO DE LA OBTENCION DE ANILINA (C6H5NH2) POR HIDROGENACIÓN DE NITROBENCENO TRABAJO DE APLICACIÓN
Presentado al: Ing. GUEVARA YANQUI, Pascual Víctor Facilitador de la catedra “Análisis y simulación de procesos ”
Realizado por: HUARANCCA MEZA, Yoselim Samanta YACHACHIN MARCELO, Úrsula Melba
Alum Al umnas nas de IX ci clo cl o HUANCAYO
INDICE
INDICE .................................................................................................................................................. 2 RESUMEN ............................................................................................................................................ 3 I.
INTRODUCCIÓN INTRODU CCIÓN ................................... .................. .................................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................... 4
II.
OBJETIVOS: OBJETIV OS: ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 5 2.1.
OBJETIVO OBJETIV O GENERAL: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 5
2.2.
OBJETIVOS OBJETIV OS ESPECÍFICOS: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................. ............... 5
III.
MARCO TEÓRICO ................................... ................. ................................... .................................. ................................... ................................... .............................. ............. 6 3.1.
ANILINA ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 6
3.1.1. 3.1.1 .
Propiedades Propiedad es físicas de la anilina .................................. ................. ................................... ................................... .............................. ............. 6
3.1.2. 3.1.2 .
Propiedades Propiedad es químicas de la anilina ................................... .................. ................................... ................................... ........................ ....... 7
3.1.3. 3.1.3 .
Usos de la anilina .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................... 7
3.2.
NITROBENCENO NITROBEN CENO .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ........................... .......... 8
3.3.
METODOS DE OBTENCIÓN DE LA ANILINA ................................... .................. ................................... ................................... ..................... .... 9
3.3.1. 3.3.1 . IV.
HIDROGENACIÓN HIDROGEN ACIÓN CATALÍTICA DEL NITROBENCENO............... NITROBENCE NO................................ ................................... .................... 9
DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓ N DETALLADA DETALL ADA DEL PROCESO ESCOGIDO.................... ESCOGIDO... ................................... .................................... ...................... .... 11
4.1.
ESPECIFICACIÓN ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPONENTES DEL PROCESO .................. ........................... ................... ................... ............. .... 12
V. BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA ENERGÍA EN ESTADO ESTACIONARIO PARA LA PRODUCCIÓN DE ANILINA ............................................................................................................................................. 14 5.1.1.
BALANCE DE MATERIA - ENERGÍA (ESTADO ESTACIONARIO) .................. ........................... .................. ............ ... 14
……………………………………………………………………………………………………………………… 17 VI. BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………………………………………… 17
RESUMEN
El presente informe titulado “Estudio de la obtención de anilina por hidrogenación de nitrobenceno” fue realizado con el objetivo principal de estudiar el proceso de obtención de
la anilina. Para lograr dicho objetivo se siguió una serie de pasos como el de realizar el diagrama de bloques de la operación así como com o el diagrama de flujo de procesos; para luego l uego realizar el balance de materia y energía del mencionado proceso. El proceso de obtención de anilina se realiza a través de la hidrogenación del nitrobenceno todo el proceso es realizado en fase vapor en donde la reacción se lleva en un reactor tipo CSTR, para luego pasar por un separador, se toma en cuenta el hidrogeno no reaccionado en el proceso el cual pasa a una recirculación. Posteriormente en la continuación de este informe se hará la respectiva simulación en el lenguaje de programación Simulador HYSYS.
I.
INTRODUCCIÓN
La anilina es una amina aromática que se utiliza como com o materia prima en la industria industri a química para la síntesis orgánica de numerosos productos como tintes y colorantes, isocianatos, productos fitosanitarios (herbicidas y fungicidas), farmacéuticos, explosivos o de química fina. Esta sustancia también se usa en la industria de los polímeros para la fabricación de intermedios en la síntesis de los poliuretanos, así como en la industria del caucho como antioxidante y acelerador de vulcanización. Además, la anilina se emplea como disolvente en la elaboración de perfumes, barnices y resinas. En el ambiente laboral se halla principalmente en estado vapor. La anilina es un líquido aceitoso e incoloro a temperatura ambiente que tiende a oscurecer con la exposición exposi ción al aire o la luz. En condiciones de presión y temperatura normales es un producto estable, altamente soluble en agua y miscible con la mayoría de los disolventes orgánicos. (MEGYESY, 2001) Fue aislada por primera vez a principios del siglo XIX, concretamente en 1826 mediante la destilación seca del añil. En 1840 el mismo líquido aceitoso fue obtenido calentando el añil con potasa, y se obtuvo la anilina actualmente conocida. La estructura de la anilina fue finalmente establecida en 1843 por W. Von Hoffmann con la demostración que podría ser obtenida por la reducción del nitrobenceno. El primer proceso técnicamente aplicable para la producción de anilina (proceso Bechamp) fue desarrollado en 1854. Durante los siguientes 145 años la anilina ha llegado a ser uno de los bloques de construcción más importantes en la química. La anilina se usa como intermediario en diferentes campos de aplicación como, por ejemplo, isocianatos, tites y pigmentos, compuestos químicos agrícolas o farmacéuticos, etc.
II.
2.1.
OBJETIVOS:
OBJETIVO OBJ ETIVO GENERAL:
Estudiar el modelo estacionario del proceso de obtención obtención de anilina por hidrogenación de nitrobenceno
2.2.
OBJETIVOS OBJ ETIVOS ESPECÍFICOS ESPECÍFICOS::
Realizar el diagrama de bloques de un proceso de obtención de anilina
Realizar el diagrama de flujo de procesos de la obtención de anilina
Realizar el balance de materia de un proceso de producción de anilina.
Realizar el balance de energía de un un proceso de producción de anilina.
III.
3.1.
MARCO TEÓRICO
ANILINA La anilina, fenilamina o aminobenceno, de fórmula C6H5NH2, es un compuesto orgánico, líquido ligeramente amarillo de olor característico. No se evapora fácilmente a temperatura ambiente. La anilina es levemente soluble en agua y se disuelve fácilmente en la mayoría de los solventes orgánicos. La anilina es un líquido aceitoso e incoloro a temperatura ambiente que tiende a oscurecer con la exposición al aire o la luz. En condiciones de presión y temperatura normales es un producto estable, altamente soluble en agua y miscible con la mayoría de los disolventes orgánicos. (ARTICULO) 3.1.1 3.1.1.. Propiedades Propi edades físicas físic as de la anili na La anilina, C 6H5NH2, también llamada aminobenceno, benzamina, Phenylamina…es un líquido aceitoso incoloro que posee un característico
olor dulce. La anilina se vuelve marrón a la exposición del aire y de la luz. La anilina es parcialmente soluble en agua y miscible en la mayoría de los disolventes orgánicos como el etanol, la acetona y el benceno.
3.1.2 3.1.2.. Propiedades Propi edades químic as de la anili na La química de la anilina está determinada por el grupo primario amino y por los núcleos activados del benceno. El solitario par de electrones del nitrógeno del grupo amino está parcialmente deslocalizado en el sistema del anillo aromático. Por lo tanto la anilina es la única base débil (pKa=4.60) comparada con aminas alifáticas como la ciclohexilamina (pKa=10.64). Sin embargo la anilina forma sales solubles en agua estables con ácidos minerales fuertes como el clorhídrico y el ácido sulfúrico. 3.1.3. 3.1.3. Usos de la anilin anil ina a La anilina es un líquido oleoso, incoloro y con un olor característico, cuya fórmula es: C6H5NH2. Los usos de la anilina son varios y muy diversos, se utiliza ampliamente como intermediario en la síntesis de colorantes. También se utiliza en la manufactura de aceleradores de caucho, antioxidantes, productos farmacéuticos, tintas de marcar, textil, agentes blanqueadores en óptica, reveladores fotográficos, resinas, barnices, perfumes, pulidores de calzado y numerosos productos químicos orgánicos.
En la primera década de este siglo la anilina pura se utilizaba como un
acelerador de la vulcanización. El uso futuro de la anilina en la industria del caucho se pronostica que aumentará un 2-3% por año, equivalente al crecimiento mundial de la demanda de cauchos sintético y naturales.
Más del 50% de las formulaciones formulacio nes conocidas que emplean anilina
como materia prima, se emplean como intermediarios en la fabricación de tintes y pigmentos, aunque la mayoría de ellos son de menor importancia. La clase más grande es la de los compuestos mono-, di- y triazo. La producción de tintes y pigmentos se ha trasladado a países asiáticos, como China y la India. De todas formas, algunas plantas de tintes a escala mundial de Europa y NAFTA (Estados Unidos, Canadá y Mexico) siguen
utilizando anilina, por ejemplo para la producción de índigo. Desde la realización industrial de la síntesis química del índigo a finales del siglo XIX por BASF, este es el tinte basado en la anilina más importante.
Más de 40 substancias activas para los pesticidas (herbicidas, fungicidas e insecticidas) usan anilina como materia prima. Los más importantes son los herbicidas de amidas y urea. Las compañías de NAFTA soportan más del 50% del consumo mundial de anilina para productos químicos agrícolas. Las sustancias activas basadas en la anilina están fundamentalmente en la última etapa de su ciclo de vida y están a punto de ser substituidas. Por tanto, se prevé que el consumo global de las mismas disminuya un 1-2% por año.
La anilina se utiliza e la preparación de analgésicos, antipiréticos, antialérgicos antialérgic os y vitaminas. Se espera un crecimiento seguro en la demanda de este tipo de substancias durante los próximos cinco años, en contraposición con la disminución del uso de la anilina para la producción de vitaminas, ya que esta ruta ha sido abandonada a favor de la tecnología de la fermentación.
3.2.
NITROBENCENO El nitrobenceno se fabrica comercialmente comerci almente por la nitración directa del benceno en fase líquida usando una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico. Hay básicamente dos vías para la nitración del benceno: reacción isotérmica y reacción adiabática. En el proceso isotérmico, la nitración del benceno tiene lugar en una reacción en cascada en reactores cilíndricos con c on agitación o bien reactores tubulares, a temperaturas desde 50ºC hasta 100ºC y a presión atmosférica. La temperatura se mantiene mediante un enfriamiento interno y/o externo con agua. Una ventaja del proceso isotérmico es la mínima formación de subproductos, debido a la baja temperatura de reacción. La mezcla ácida necesaria para la nitración está formada por ácido sulfúrico humeante y ácido nítrico concentrado. En el proceso adiabático, la nitración tiene lugar en una cascada de reactores agitados a temperaturas de 90 a 100ºC y presión atmosférica. Como mezcla
ácida se utiliza un gran volumen con un 65 a 85 % de ácido sulfúrico y también ácido nítrico concentrado.
3.3.
METODOS METODOS DE OBTENCIÓN DE LA ANILINA El nitrobenceno es usado como materia prima para la obtención de anilina, por todos los productores mundiales. 3.3.1. HIDROGENACIÓN CATALÍTICA CATAL ÍTICA DEL NITROBENCENO La hidrogenación catalítica del nitrobenceno es una reacción altamente exotérmica (ΔH= -544 KJ/mol a 200ºC) que puede llevarse a cabo tanto en
fase vapor como en fase líquida, en los procesos usados comercialmente.
A. HIDROGENACIÓN CATAL CAT ALÍTICA ÍTICA EN FASE F ASE VAPOR VA POR En el proceso en fase vapor, el nitrobenceno es hidrogenado a anilina con un rendimiento, normalmente, de más del 99%, usando un lecho fijo o bien fluidizado. El catalizador más efectivo en este caso parece ser el cobre o el paladio sobre carbón activado o un soporte oxídico, combinado con otros metales (Pb, V, P, Cr) como promotores para alcanzar altas actividad y selectividad. En el proceso Lonza una alimentación homogénea de hidrógeno y nitrobenceno se pasa sobre un lecho fijo de catalizador de cobre con una temperatura de entrada de unos 200ºC. La razón molar entre el nitrobenceno alimentado y el hidrógeno total es de 1:1000 a la entrada del reactor. Los productos de reacción salen del reactor a una temperatura superior a los 300ºC. El calor de la hidrogenación se usa para producir vapor y para calentar la corriente de gas recirculado. La salida del reactor se enfría en un condensador; a continuación se separan el exceso de hidrógeno, la anilina bruta y el agua. Finalmente, la anilina es purificada por destilación.
Bayer opera con reactores de lecho fijo convencionales usando un catalizador de paladio sobre un soporte de aluminio, cuya actividad es modificada por la adición de vanadio. En una reciente mejora, pretenden la hidrogenación del nitrobenceno sobre un lecho fijo de catalizador de 1.5 a 4 % en peso de paladio en coque con 0.1 a 2% en peso como modificador para reducir el anillo aromático. A la presión de 100-700 kPa una mezcla de nitrobenceno vaporizado e hidrógeno en una razón de 1:120 a 1:200 es alimentada al reactor adiabático con una temperatura de entrada de 250-350ºC. La altura del lecho de catalizador en el reactor es de 0.1 a 1 m. Los productos de reacción salen del reactor sin enfriar a una temperatura máxima de 460ºC. A continuación, el calor de reacción es usado para producir de vapor a alta presión. La unidad de producción puede ser construida mediante varios reactores adiabáticos en serie o en paralelo. Después de enfriarse hasta 140 o 180ºC, la salida del último reactor es alimentada alimenta da a una unidad de separación donde de nuevo la anilina bruta, las aguas residuales y el hidrógeno recirculado se separan bajo presión. La anilina se purifica mediante destilación. (GILBERT FROMENT, 1990)
B. HIDROGENACIÓN HIDROGENACIÓN CATAL ÍTICA EN FASE LÍQUIDA Los procesos industriales ICI y Dupont para la fabricación de anilina implican la hidrogenación del nitrobenceno en fase líquida. Este proceso de hidrogenación opera a 90-200ºC y 100-600kPa. La reacción en fase líquida debe ser llevada a cabo en reactores de lecho fluidizado. Normalmente se alcanza una conversión del 98 al 99%. En 1960, ICI desarrolló un proceso continuo de hidrogenación en fase líquida, que usa la anilina como disolvente en una proporción mayor del 95% en peso de la fase líquida. Operando en las condiciones próximas al punto de ebullición del solvente, tood o casi todo el calor de reacción se disipa permitiendo la evaporación de la mezcla de reacción. El agua es retirada con los vapores efluentes y la anilina necesaria se retorna al recipiente de reacción para mantener así las condiciones del estado estacionario.
Dupont hace la hidrogenación del nitrobenceno en fase líquida usando un catalizador de platino-paladio sobre un soporte de carbono con hierro como modificador. Éste proporciona al catalizador una larga vida, alta actividad y protección contra la hidrogenación de los anillos aromáticos. El proceso continuo utiliza un reactor de flujo en pistón que permite alcanzar un buen rendimiento y el producto obtenido está prácticamente libre de nitrobenceno.
C. COMPARACIÓN DE AMBOS MÉTODOS MÉTODOS La comparación entre la hidrogenación del nitrobenceno en fase líquida y en fase vapor no muestra prácticamente diferencias en cuanto a rendimiento y calidad del producto para ambos procesos. El proceso en fase líquida tiene la ventaja del alto rendimiento espaciotiempo y además no necesita un lazo de gas recirculado debido al bajo requerimiento energético. El proceso en fase vapor presenta la ventaja del buen aprovechamiento del calor de reacción debido al vapor producido, no necesita la separación producto-catalizador y el catalizador tiene una mayor vida.
IV.
DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DETALL ADA DEL PROCESO ESCOGIDO
El proceso desarrollado en este informe para la fabricación de anilina consiste en la reducción del nitrobenceno con hidrógeno. Tal y como se explica anteriormente, este proceso se puede llevar a cabo tanto en fase líquida como en fase vapor. Se ha escogido esta última porque al ser la reacción fuertemente exotérmica es posible un buen aprovechamiento del calor de reacción en el calentamiento de las corrientes de entrada al reactor así como para la producción de vapor. En la siguiente figura se muestra muestr a un diagrama de bloques del proceso, también el diagrama de flujo de procesos. (KING, 2003)
4.1.
ESPECIFICACIÓN DE LOS COMPONENTES COMPONENTES DEL PROCESO
A) Mater ias ia s p rimas ri mas
FASE Xi molkg/h Presión (atm) Temperatura (°C)
NITROBENCENO vapor 1 100 1 210
HIDRÓGENO vapor 1 480.91 1 -252.8
B) Productos FASE Xi molkg/h Presión (atm) Temperatura (°C)
ANILINA vapor 0.161 47 1 180
AGUA vapor 0.658 192 1 100
C) Reacciones químicas producidas en el reactor
+ 3 → + 2 … … … … … … … . . 1
+ 6 → + 2 … … … … … … … … . . 2
Datos para los cálculos de balances
Estado estacionario
La conversión del nitrobenceno es de 96%.
Selectividad para la anilina es de 95 %.
El hidrógeno fresco en la alimentación alimentació n es 99.5% puro
La presión del proceso es de 1 atm.
V.
BALA BA LANCE NCE DE MATERIA Y ENERGÍA EN ESTADO ESTACIONARIO PARA LA PRODUCCIÓN DE ANILINA
5.1.1. BALA BA LANCE NCE DE MATERIA - ENERGÍA ENERGÍA (ESTADO ESTACIONARIO) ESTACIONARIO)
REACTOR C
REACTOR
Figura 1: Balance de materia-energía en el Reactor
Consideraciones:
Las corrientes están en kgmol/h.
Estado estacionario estacionario ((Acumulación Acumulación = 0).
ACUMUL ACIÓN = ENTRADA ENTRA DA – SALIDA SAL IDA + GENERACIÓN - CONSUMO CONSUMO
S = E + G – C ……………….…. [1]
A)
PARA EL NITROBENCENO:
= ∗ + ∗ = 100
ℎ
= 0 = ∗ = 100
ℎ
= 4
∗ 0.96 = 96
ℎ
ℎ
B)
PARA EL HIDRÓGENO:
= ∗ + ∗ = 3 ∗ 300 = 900
ℎ
= 0 = 96
ℎ
∗
9 2 26 5 2
= 468
C)
= 432
ℎ
ℎ
PARA EL AGUA:
= 0 = 96
ℎ
∗
4 2 2 6 5 2
= 192
ℎ
= 0 = 192 D)
ℎ
PARA LA ANILINA: REACCIÓN 1
= 0 = 1 ∗ 100 = 0 = 100 ∗ 1 = 47
ℎ
La selectividad: S=0.95
0.95 =
1001 1002
; 1 = 0.47 ; 2 = 0.49
E)
PARA LA ANILINA: REACCIÓN 2
= 0 = 2 ∗ 100 = 0 = 100 ∗ 2 = 49
ℎ
La selectividad: S=0.95
0.95 =
F)
1001 1002
; 1 = 0.47 ; 2 = 0.49
PARA EL INERTE:
= ∗ + ∗ = 0 = 0 = ∗ = 24 24.6 .643 439 9
ℎ
SEPARADOR C
D SEPARADOR
E
Figura 2: Balance de materia-energía en el Separador
VI.
BIBLIOGRAFIA
ARTICULO. (s.f.). REDUCTION OF NITROBENCENE TO ANILINA. GILBERT FROMENT, K. (1990). CHEMICAL RACTOR ANÁLISIS AND DESIGN. JHON WILEY AND SONS. KING, J. (2003). PROCESOS DE SEPARACIÓN. REVERTE S.A. MEGYESY, E. F. (2001). MANUAL DE RECIPIENTES A PRESIÓN, DISEÑO CALCULO. LIMUSA.
