UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL
SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO DEL PROCESO DE OBTENCION DEL BUTADIENO POR OXIDESHIDROGENACION CATALITICA DE N- BUTANO EN EL PROGRAMA CHEMCAD
ASIGNATURA
:
CATEDRÁTICO:
INTEGRANTES
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS PROCESOS
Ing. GUEVARA YANQUI, Pascual Victor
:
GARCIA CHUPAN, Adaia Rosario QUISPE VILCHEZ, Mhylena Elizabeth
SEMESTRE
:
IX
HUANCAYO-PERÚ 2018 1
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo tiene como objetivo principal simular el proceso de obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano, utilizando el método tradicional y aplicando en el software de CHEMCAD. Estudiaremos la reacción de producción del butadieno a partir del n-butano y el oxígeno, se utiliza un reactor FBR (FIXED BED CATALYST), que funciona f unciona a una presión 2.9 PSI y temperatura de ingreso de 773°C y una temperatura de salida de 620°C. Previamente las corrientes de alimentación se mezclan en un mixer (Mezclador), de ahí esta mezcla ingresa al reactor luego pasa a un intercambiador de calor para bajar la temperatura después pasa a un compresor para bajar la presión y finalmente a un separador de butadieno con un solvente de acrilonitrilo.
2
TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 2
I.
OBJETIVOS ........................................................................................................... 4 1.1. OBJETIVOS GENERALES: ............................................................................. 4 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ........................................................................... 4
II.
MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 5 2.1. BUTADIENO: ................................................................................................... 5 2.1.1. Características Del Butadieno. .................................................................. 5 2.1.2. Propiedades Del Butadieno ....................................................................... 6 2.1.3. Aplicaciones:................... Aplicaciones:................................ ........................... ........................... ......................... .......................... ....................... ......... 7 2.2. N-BUTANO: ..................................................................................................... 7 2.2.1. Propiedades Del n-Butano: .......................... ............. .......................... .......................... .......................... .................... ....... 8 2.3. Oxigeno: ........................................................................................................... 8 2.3.1. Propiedades Del Oxigeno: ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ...................... ......... 9 2.4. Métodos De Deshidrogenación Deshidrogenación oxidativa de n-buteno. ......................... ............ ...................... ......... 12 2.5. Descripción del Problema: ............................................................................. 14
III.
DETERMINACION DE LA SELECTIVIDAD EN FUNCION DE LA CONVERSION. 18
IV.
BALANCE DE MATERIA GENERAL DE LOS PROCESOS: ................ ... ......................... ............ 20
V. BALANCE DE ENERGIA EN EL PROCESO (ESTADO ESTACIONARIO) ......... 37 VI.
RESULTADOS .................................................... Error! Bookmark not defined.
VII.
CONCLUSIONES ................................................ Error! Bookmark not defined.
VIII. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 76
3
I.
OBJETIVOS
1.1. OBJETIVOS GENERALES:
Simular en estado estado estacionario estacionario el proceso proceso de obtención del butadieno butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación oxideshidrogenación catalítica del n-butano utilizando el software CHEMCAD.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Calcular por el método método convencional convencional el balance de materia en cada cada componente en el proceso de oxideshidrogenación catalítica del nbutano.
Calcular por el método convencional el balance de energía energía en cada componente del proceso de obtención del oxideshidrogenación catalítica del n-butano.
Construir el diagrama de flujo del proceso para la obtención obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación oxideshidrogenación catalítica del n-butano.
Realizar la simulación simulación de la obtención obtención de butadieno a partir del NButano en el software de CHEMCAD y comparar los resultados de balance de masa.
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II. MARCO TEÓRICO
2.1. BUTADIENO: (Fajen, págs. 20,21) El 1,3-butadieno, gas incoloro que se obtiene como producto secundario de la fabricación del etileno, es muy utilizado como materia prima para la fabricación de caucho sintético (p. ej., caucho de estireno-butadieno (SBR) y caucho de polibutadieno) y de resinas termoplásticas. (Repsol, 2017) El butadieno es gas incoloro no corrosivo e inflamable con un ligero olor a gasolina, que se obtiene a partir de la fracción C4 procedente del proceso de craqueo del petróleo. Dicha fracción C4 pasa por una serie de destilaciones extractivas y de purificación hasta convertirse en butadieno de alta pureza. Caucho sintético (PB, polibutadieno; SBR, estireno/butadieno; cauchos termoplásticos, SBS; caucho nitrilo, neopreno, Resinas ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) y adiponitrilo, producto intermedio para la obtención de poliamidas (nylon).
2.1.1. Características Del Butadieno. (Sociedad quimica, 2009), El Butadieno es un gas claro, incoloro de olor acre, a temperatura ambiente es escasamente miscible con agua (0.03%), Tiende a formar peróxidos a elevadas temperaturas, por lo que no se debe exponer al calor o a la llama. Reacciona con oxidantes y metales en forma de polvo, originando peligro de incendio y explosión. Recomendaciones: bajo ningún concepto se aconseja el uso de este producto ingerido, bebido o en contacto con las mucosas. La sustancia irrita gravemente a los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La exposición altas concentraciones puede producir edema pulmonar.
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T ABLA 1:CARACTERÍSTICAS DEL BUTADIENO CARACTERISTICAS DEL BUTADIENO Aspecto
Liquido incoloro de color acre
Gas
126-99-8
Formula química
C4H6
Peso molecular
54.10 g/mol
Hidrosolubilidad
0.735 g/L (20°C)
Punto de Fusión
1.0350 – 1.0389 g/cm3
Punto inicial de
< 70.00 ppm
ebullición Presión de vapor
217 kPa / 255 kPa
Temperatura de auto-
420°C
inflamación Cloruros
< 0.007 %
Fuente: Ficha de datos de seguridad Reglamento (CE) Nº 1907/2006 (REACH) y Reglamento CE N° 1272/2008-CLP
2.1.2. Propiedades Del Butadieno T ABLA 2: PROPIEDADES GENERALES DEL BUTADIENO
Nombre químico
1,3-butadieno
Formula
C4H6
Peso molecular (g/mol)
54.10
Numero en EINECS
204-618-0
Punto de ebullición, 101,3 kPa (1 atm)
59.4 ºC
Punto de Fusión, 101,3 k Pa (1 atm)
130°C
Presión de vapor,
23.2 kPa
20ºC (68 ºF)
Densidad relativa de vapor (aire=1)
3.1
Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire=1)
1.5
Temperatura de Auto ignición
414°C
Gravedad Especifica
0.621-20/4 °C
Temperatura Critica
152°C
Fuente: (Pemex petroquimica, 2006) 6
2.1.3. Aplicaciones: (Yph, 2014), El butadieno es utilizado en la producción de butil mercaptán, óxido de butileno, intermedios de aldehídos, alcoholes y otros derivados de C4, y como monómero en la obtención de polietilenos de baja y alta densidad. Según (David juarez, 2013),Los cauchos sintéticos suelen contener un 25% de estireno y un 75% de butadieno y sus aplicaciones incluyen en orden de importancia:
Neumáticos.
Espumas.
Empaques.
Suelas para zapatos.
Aislamiento de alambres y cables eléctricos.
Mangueras.
Los copolímeros de estireno -butadieno con mayor contenido de butadieno, hasta el 60%, se usan para hacer pinturas y recubrimientos acolchados. Para mejorar la adhesividad, en ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los copolímeros. Otros usos que se le da son la fabricación de cinturones, mangueras para maquinarias y motores, juntas, y pedales de freno y embrague. En el hogar se encuentra en juguetes, masillas, esponjas, y baldosas. Entre los usos menos esperados se encuentra la producción de productos sanitarios, guantes quirúrgicos e incluso goma de mascar, correas transportadoras y de transmisión y artículos moldeados y perfiles
2.2. N-BUTANO: (Shell españa S.A., 1999), es una mezcla compleja de hidrocarburos que consiste fundamentalmente en butanos y butenos con algunas cantidades de C5 e hidrocarburos de mayor peso molecular.
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Pueden estar presentes bajas concentraciones de azufre, sulfuro de hidrogeno y mercaptanos. Puede también contener uno o más de los siguientes aditivos: odorantes (normalmente etil-mercaptano), agentes antihielo. Puede estar presente en cantidades que exceden el 0.1% (m/m) el 1.3butadieno, clasificado como Carcinógeno.
2.2.1. Propiedades Del n-Butano: (New jersy departament of health, 2009), El butano es un gas incoloro con olor a gas natural. T ABLA 3: PROPIEDADES FÍSICAS DEL N-BUTANO NOMBRE QUIMICO
N-BUTANO
Punto de ebullición:
-0.5°C
Punto de fusión:
-138°C
Densidad relativa (agua = 1):
0.6
Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C:
0.0061
Presión de vapor, kPa a 20°C:
213.7
Densidad relativa de vapor (aire = 1):
2.1
Punto de inflamación:
-60°c
Temperatura de auto ignición:
365 °C
Límites de explosividad, % en volumen en el aire:
1.8-8.4
Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow:
2.89
FUENTE: (safety international programme on chemical, 2005)
2.3. Oxigeno: (Oasa, s.f.) El Oxigeno es el elemento más abundante en la tierra. En su forma combinada constituye una quinta parte del aire, mezclado con el Hidrogeno forma el agua. Debido a su propiedad de sustentar la vida y de su característica de ser fuertemente oxidante. Se
emplea
principalmente
en
soldadura
autógena
y
corte,
enriquecimiento de flamas, mezclas de soldadura, tratamiento de aguas. Según (Torres, s.f.) el oxígeno es un gas incoloro, sinsabor e inoloro, es 1.1 veces más pesado que el aire. Este se extrae del aire, así como el Argón y Nitrógeno, por ello son conocidos como gases del aire. 8
2.3.1. Propiedades Del Oxigeno: T ABLA 4: PROPIEDADES GENERALES DEL OXIGENO Nombre químico OXIGENO Peso molecular (g/mol)
31.9988
Numero-CAS
7782-44-7
Punto de ebullición, 101,3 kPa (1 atm)
-183°C
Punto de Fusión, 101,3 k Pa (1 atm)
-219°C
Temperatura Critica
.11806 °C
Presión de vapor,
20ºC (68 ºF)
NO ES APLICABLE
Presión critica
731.4 psia
Densidad relativa de vapor (aire=1)
0.827
Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 1.1 20°C (aire=1) Densidad (21.1°C) Kg/m3
1.4289
Solubilidad (mg/l)
39
Gravedad Especifica
0.621-20/4 °C
Temperatura Critica
152°C
Fuente: (Praxair, 2015) 2.4. A) se
PROCESOS DE PRODUCCION DE BUTADIENO obtiene
principalmente a
partir
de
los gases
del petróleo
según diferentes procesos. B) el más utilizado en la actualidad, se fundamenta en la deshidrogenación catalítica del butano o del butileno. En el caso de emplear butano se deshidrogena primero a butileno y después a butadieno.
paso 1
paso2
9
C) es posible también, obtener butadieno a partir de alcohol etílico por medio de la conversión catalítica:
D) el proceso europeo utiliza acetaldehído como materia prima, el cual forma aldol y por hidrogenación se obtiene el 1,3-butileno glicol que por deshidratación da butadieno.
E) El proceso americano fabrica butadieno partiendo de alcohol etílico. El alcohol se oxida catalíticamente a acetaldehído, y éste reacciona en caliente con más alcohol en presencia de un catalizador para formar el butadieno:
F) El butadieno generalmente, es obtenido d e los cortes de c4 mediante extracción por solventes, una operación que es, a veces, facilitada por una preliminar hidrogenación selectiva de los compuestos acetilénicos. En un número de aplicaciones, el refinado en sí debe someterse a un tratamiento similar para eliminarlo de las olefinas residuales. El corte 10
inicial, pasa mediante hidrogenación, puede también ser útil
para
el mismo
propósito. (LUCIA, 2015) G) para nuestro proceso utilizaremos el n-butano porque según la tabla en nuestro país se produce en grandes cantidades lo que es la materia prima como el n-butano en diferentes plantas. 14.43 PRODUCCIÓN DE LÍQUIDOS DE GAS NATURAL, SEGÚN PLANTA DE PROCESAMIENTO, 2007 - 2012 (Miles de Barriles) P la nta / P rod uc to To ta l Gasolina Natural Gas Lic uado de Petróleo (GLP)
2007
2008
2009
2 0 10
#####
#####
#####
#####
2 0 11 #####
2 0 12 #####
6 264.1 6 864.9 10 829.6 12 061.0 12 055.1 12 540.2 526.1
486.1
450.0
664.7
678.7
695.6
Propano / Butano
6 391.5
7 607.2 12 710.8 14 030.0 13 831.3 15 154.4
Diésel 2
1 009.7
1 606.9 3 429.7
Destilados Medios
-
-
-
-
-
-
3 996.9 3 694.6
3 345.9
Solvente light
101.1
-
-
-
-
-
Otros
98.0
105.7
130.2
210.4
225.3
224.7
264.7
284.0
2 11. 9
428.7
444.3
389.3
-
-
-
-
-
-
163.6
178.3
123.6
331.9
337.5
295.4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
105.7
88.3
96.8
106.8
93.9
#####
976.0
972.3
9 13 . 8
898.4
978.1
Gasolina Natural
731.7
668.2
645.9
581.0
557.2
577.9
Gas Lic uado de Petróleo (GLP)
362.5
307.7
326.5
332.8
341.1
400.2
P luspe trol P e rú Corpo ra tion
#####
#####
#####
#####
EEP S A/ G MP Gasolina Natural Gas Lic uado de Petróleo (GLP) Propano / Butano Solvente light
101.1
Otros Ag ua ytí a
#####
#####
Gasolina Natural
5 401.7
6 097.4 10 183.7 11 480.0 11 497.9 11 962.3
Propano / Butano
5 984.4
7 305.8 12 406.6 13 701.0 13 515.0 14 820.0
Diésel 2
1 009.7
1 606.9 3 429.7
Destilados Medios
-
-
-
3 996.9 3 694.6
3 345.9
-
-
-
98.0
-
-
-
-
-
537.8
400.7
346.2
442.6
434.8
465.2
Gasolina Natural
130.6
99.3
-
-
-
-
Propano / Butano
407.1
301.4
304.2
329.0
316.3
334.4
-
-
41.9
113.7
118.5
130.8
Otros P roc e sa d ora de G a s P a riñ a s
Otros
(INEI, 2012)
11
2.5. Métodos De Des hidrogenación oxidativa de n-buteno. (Herrera, 2016) Es un sistema que ha reemplazado a muchos pro cesos antiguos de producción de butadieno debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenación de cualquier n-butano o de n-buteno. El 1-buteno es mucho más reactivo y requiere condiciones de operación menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos eficiente. Como recomendaciones en la oxideshidrogenación, una mezcla de n-butenos, aire y vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presión y aproximadamente de 500- 600ºC. El calor de la reacción exotérmica puede ser eliminado indirectamente mediante la circulación de sal fundida o por un método alternativo que consiste en añadir vapor de agua a la alimentación (actuando como disipador de calor). En el proceso Oxo-D como se observa en la Figura, una mezcla de aire, vapor y 1buteno se hace pasar sobre el catalizador de deshidrogenación en un proceso continuo. Como parte final del proceso, el efluente del reactor se enfría y como en el sistema anterior, los componentes C4 se recuperan en un absorbedor/desgasificador/stripper. El aceite como disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor, aunque antes pasa través de una zona de purificación de disolvente. Para obtener la corriente de butadieno final es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema de purificación para obtener la corriente final. El rango de rendimiento y selectividad puede variar entre 70-90%, lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentación (la formación de CO2 como reacción secundaria puede producir la pérdida de rendimiento del pr oceso
12
OXIDESHIDROGENACION CATALYTICA:
Figura 1: Proceso de obtención del butadieno por medio de la oxideshidrogenación catalítica del n- butano.
13
2.6. Descripción del Problema: El butadieno (C4H6) se obtiene por reacción de N-Butano(C2H4O) y el Oxigeno (O2). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la tabla N°5: Tabla N°5: Condiciones de alimentación: Nombre
N-BUTANO
AIRE
Temperatura(°C)
25°C
25°C
Presión
0.2 bar
1bar
Flujo Molar
165.11kmol/h
110.07kmol/h
N-BUTANO
Fracción molar: 1,0
Fracción molar: 0,0
AIRE
Fracción molar: 0,0
Fracción molar: 1,0
BUTADIENO
Fracción molar: 0,0
Fracción molar: 0,0
Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente resultante ingresa a un reactor tipo FBR que funciona a una temperatura constante y con presencia de catalizador V-Mg-O para tener una alta selectividad de modo que solo se considere en el estudio, la suma de las dos reacciones. Las dos reacciones se describen en la Tabla N°6, ocurren en fase gaseosa, en el reactor se supone la caída de presión nula y mantiene un nivel de liquido de 85%. TABLA N°6: Reacciones Quimicas y datos cinéticos.
+ 12 → + + 12 → +
r1
k
k exp
( Ea / R)(1/ T 1/ T 0)
30.83*10 3 mol / Kg * s
Ea
148.5KJ / mol
Fuente: Tesis de Pregrado (Milne, 2008)
14
ESTUDIO DE MERCADO: La materia prima básicamente para la producción del butadieno, es a partir del N-Butano. Actualmente, el país exporta cierta cantidad de butanos, en volumen suficiente para la producción del Butadieno. De acuerdo a estudios realizados en el año 2012, la producción de gas natural provenientes de los pozos de Camisea, están en incremento con un crecimiento anual del 62%, se prevé que durante los años seguirá este crecimiento debido a la creciente demanda por el gas natural, por ende, habrá mayor producción de líquidos del gas natural, lo que significa mayor cantidad de butano producidos. -
PROVEEDORES EXTERNOS: La mayor parte de proveedores de butanos en el mundo se encuentran en los mercados de Europa, EEUU y Asia, de acuerdo a la Gas & Oil el costo de butanos en los mercados mencionados se registran en :
Fuente: Estadística de Proveedores de Butano, Revista Gas & Oil. -
COMPETENCIA: El sector de manufactura de Perú se encuentra la f abricación de productos de caucho y plásticos dentro de la cual comprende la 251 de fabricación de caucho específicamente y las subdivisiones: 2511 de fabricación de cubiertas y cámaras de caucho; recauchado y renovación de cubiertas de caucho y 259 de fabricación de otros productos de caucho.Los productos incluidos en la fabricación de cubiertas y cámaras de caucho; recauchado
15
y renovación de cubiertas de caucho son: llantas y cámaras para vehículos comerciales y automóviles. Según datos del Instituto Nacional de Estadística e Informática de Perú (INEI) la producción de llantas para autos y camionetas es el producto que ha alcanzado mayores niveles de producción en periodos anteriores, un promedio de alrededor dos millones de unidades mientras que las llantas para camión y llantas para tractor y fuera de carrera no registran la producción para periodos anteriores. PERU: Producción de Llantas 2006-2009 Unidades de: Llantas
2006
2007
2008
2009
(autos, 1616.162 1729.490 1775.412 1622.008
camionetas) Llantas (camión)
125.536
140.143
------------
------------
-Llantas (tractor y fuera 8.365
2.094
de carrera)
------------ -------------
Fuente: Ministerio de la producción – Vice ministerio de industria Las empresas peruanas importan Caucho Butadieno (BR) en formas primas de los siguientes países. PAIS
TONELADAS
BRAZIL
374.228
GERMANY
161.924
ITALY
43.2
KOREA, REPUBLIC 151.2 RUSSIAN
401.76
FEDERATION UNITED STATES
1966.138372
VIETNAM
16.91
TOTAL,
3115.360372
Fuente: Aduanas 16
IMPORTACION DEL CAUCHO BUTADIENO (BR) 2000 1500 1000 500 0
Fuente: Aduanas -
CONSUMO NACIONAL DE CAUCHO BUTADIENO: Principalmente es para la producción de llantas y productos afines, también es usado para la producción de suelas de zapatos, industrias afines a los vehículos, los principales importadores de Caucho butadieno son: EMPRESAS Laminados SAC. Indelet SAC. Comercial conte
TONELADAS 723.31842 96.89998 305.535742
Innova andina SAC
168.81181
Lima Caucho S.A.
313.64233
Goodyear KBR Ingenieros
1472.66475 17.57734
Segurindustria S.A. TOTAL,
16.91 3115.36037
Fuente: Aduanas
17
CONSUMO DE BUTADIENO 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Fuente: Aduanas III.
DETERMINACION DE LA SELECTIVIDAD EN FUNCION DE LA CONVERSION.
Hallamos nuestra ecuación de selectividad basados en el paper de (Bhattacharyya, 1992), según el grafico .Para determinar la ecuación de la selectividad en función de la conversión se tuvo de referencia la tesis de (Pissani Solar Carmen, 2015) donde por medio del programa Excel se obtiene: TABLA N°7: Relación De Conversión Y Selectividad.
Conversión (S)
Selectividad (x)
0.31
0.59
0.43
0.63
0.54
0.62
0.62
0.54
0.68
0.46
18
Selectividad (x) 0.7 0.6 0.5
y = -3.4449x2 + 2.9775x + 0.0043 R² = 0.9863
0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Figura N°4: Grafica de la relación de conversión y selectividad. Teniendo como resultado la siguiente ecuación:
Para nuestro proceso trabajaremos con una conversión de 0.64 y una selectividad de 0.49
19
IV.
BALANCE DE MATERIA GENERAL DE LOS PROCESOS:
(Pissani Solar Carmen, 2015), Las corrientes de alimentación entran por corrientes diferentes a un reactor de tipo FBR ya que los reactores utilizan catalizadores solidos (V-Mg-O). La reacción química que tiene lugar es:
+ 12 → + + 12 → +
Se desea producir un total de 3115.36037 ton/año de Butadieno.
∗ 1ñ ∗ 1 ∗ 1000 ∗ 1 = 806.1125 = 105/ℎ 3115.36037∗ ñ 355 24ℎ 1 0.4536 ℎ 4.1. BALANCE DE MATERIA EN LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR (HORNOS): 4.1.1. HORNO 1 (H-101): HORNO 1 (H-101)
En este equipo no ocurre reacción alguna; por lo tanto, la entrada es igual a la salida: TABLA N°7: Cuadro del balance de materia del Horno 1 (H-101) COMPUESTO ESTRADA SALIDA Lbmol/h Lbmol/h N-BUTANO 165.11 165.11 OXYGENO 0.00 0.00 BUTADIENO 0.00 0.00 AGUA 0.00 0.00
20
4.1.2. HORNO 2 (H-102):
HORNO 2 (H-102)
En este equipo no ocurre reacción alguna; por lo tanto, la entrada es igual a la salida: TABLA N°8: Cuadro del balance de materia del Horno 1 (H-101) COMPUESTO ESTRADA SALIDA Lbmol/h Lbmol/h N-BUTANO 0.00 0.00 OXYGENO 110.07 110.07 BUTADIENO 0.00 0.00 AGUA 0.00 0.00
4.2. BALANCE DE MATERIA EN EL MEZCLADOR: Oxigeno MIX - 100
N-Butano
Mezcla
Balance de materia Entrada Salida Generación Acumulacion
[1]
Consideraciones: Estado estacionario (Acumulación =
0). No existe reacción química (Generación =0). Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
= + = + = 21
[2]
Siendo:
: N-Butano,165.11 /ℎ : Oxigeno, 110.07 /ℎ Cálculo de la corriente mezcla: Reemplazando los valores anteriores en mezcla de componentes [2]:
+ = = 275.18 /ℎ 4.3. BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR (R-101).
+ → + VARIABLES. Conversión(N-butano): Selectividad:
X=0.64
S=0.4
Relación molar de alimentación:
= 1.5 Diagrama de flujo. Purga
PRODUCTO
BALANCE EN FUNCION DE LA SELECTIVIDAD Y CANTIDAD DE PRODUCTO
PRODUCCION DE BUTADIENO:
(CALCULADO EN BALANCE ANTERIORES) 22
= 105.42 /ℎ N-BUTANO CONSUMIDO: En función de la selectividad. = + Se sabe que por estequiometria que los moles de son iguales a los a los moles de consumido entonces la ecuación (2). = 2 Despejamos = 2S …………..3 …………………(1)
TABLA N°7: Resumen de los cálculos en tablas Lbmol/h COMPONENTE N-BUTANO OXIGENO BUTADIENO AGUA
ALIMENTACION N-BUTANO OXIGENO 165.078 0 0 110.052 0 0 0 0
PRODUCTO
PURGA
0 0 105.42 0
0 0 0 0
TABLA N°8: Resumen de los cálculos en tablas Lbmol/h COMPONENTE N-BUTANO
Lbmol/h Lb/h Entrada Cons/prod SALIDA ENTRADA Cons/prod SALIDA 165.11 -105.65 59.44 9574.524 -6127.7 3446.824
BUTADIENO AGUA
0 0
+105.66 2(105.66)
105.66 211.32
0 0
5692.68 3795.12
5692.68 3795.12
OXIGENO
110.07
0
4.4
3521.664
-3380.3
140.864
380.82
13096.188
273.13
23
13085.483
4.4. Balance de Materia en la columna flash (T-101):
V=?
− = − = = = = = = = = =
= + = 156.59/ℎ = 1056.39/ℎ − = = 0.2525 = 0.0009 = 0.0042 =0.8218 0.0906
− = = = =
TABLA N°9: Alimentación al Separador Flash Lbmol/h COMPONENTE ENTRADA(lbmol/) Zi BUTADIENO 95.79 0.0525 N-BUTANO 55.36 0.0906 AGUA 1.05 0.0009 OXIGENO 4.40 0.0042
2.1.
Balance de materia en la columna de FLASH: Asumiendo la separación de butadieno y agua (99.5%): Componente ligero: H2O Componente pesado: butadieno
24
− = = =
COMPOSICIÓN EN EL TOPE:
= 0.995 = 0.005 COMPOSICIÓN EN EL FONDO:
= 0.005 = 0.995 99.5% 2.1.1. Balance de materia total:
= + = + = 380.876 ℎ 380.846 = + 2.1.2. Balance parcial respecto a = + 0.05380.876 = 0.995 +0.005
[1]
[2]
Operando [1] y [2]:
= 17031 ℎ = 363.53 ℎ TABLA N° 10. Resumen de balance de materia en torre de FLASHEO.
Especie i Agua BUTADIENO
mezcla xi, fracción molar producto (kgmol/h) en mezcla (kgmol/h) 50 950
0,05 0.95
17.31 363.53
xi fracción molar de productos 0.005 0.995
Determinación de las temperaturas de alimentación, tope y fondo en la columna de destilación: 25
TR = 50.8°F P = 13
6022.18 28.25 , = 20.2501 , = 544.25 3816.44 46.13 , = 18.3036 , = 402.31 Cálculo de las temperaturas en la primera columna de destilación:
Cálculo de la temperatura de burbuja o temperatura de alimentación (tf )
Asumimos una temperatura inicial de T=470 K. Elaboramos el siguiente cuadro
Componente Agua (1) BUTADIENO(2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 2.0556 0.1406
yi=xi Ki 0.1028 0.1336 0.2364
Calculamos los valores corregidos (*), hasta que yi = 1. Sí:
∗ = = 1.0.12028 364 ∗ = 0.4348 ∗ 0.4348 ∗ = = 0.05 ∗ = 8.6965 ∗ = ∗ ∗ = 8.6965×5320 ∗ = 46265.5578
26
. ∗ = − ∗ = .−. 46.13 ∗ = 550.854 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 8.6965 1.1589
∗ = 0.2831 ∗ = 5.6627 ∗ = 30125.5298 ∗ = 523.754 °
yi=xi Ki 0.4348 1.1009 1.5358
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.05 0.995
Ki=Pi/P 5.6627 0.6171
∗ = 0.8285 ∗ = 1.6569 ∗ = 8814.9220 ∗ = 460.088 °
g
yi=xi Ki 2.8313 0.5862 3.4176
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2) Å
xi 0.05 0.995
Ki=Pi/P 1.6569 0.1028
∗ = 0.8945 ∗ = 1.7890 27
yi=xi Ki 0.8285 0.0977 0.9262
∗ = 9517.6487 ∗ = 463.560 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2) Å
xi 0.05 0.995
Ki=Pi/P 1.7890 0.1149
yi=xi Ki 0.8945 0.1092 1.0037
Por lo tanto:
= 463.56
Cálculo de la temperatura de burbuja o temperatura de fondo (tb):
Asumimos una temperatura inicial de T=500 K. Elaboramos el siguiente cuadro:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 3.7274 0.3346
∗ = 0.0530 ∗ = 10.6016 ∗ = 56400.3562 ∗ = 564.431 °
yi=xi Ki 0.0186 0.3330 0.3516
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 10.6016 1.5515
∗ = 0.0332 ∗ = 6.6393 28
yi=xi Ki 0.0530 1.5438 1.5968
∗ = 35321.0455 ∗ = 533.458 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 6.6393 0.7793
∗ = 0.0411 ∗ = 8.2107 ∗ = 43680.8944 ∗ = 547.045 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 8.2107 1.0649
∗ = 0.0373 ∗ = 7.4601 ∗ = 39687.9432 ∗ = 540.821 °
yi=xi Ki 0.0332 0.7754 0.8086
yi=xi Ki 0.0411 1.0596 1.1006
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 7.4601 0.9249
∗ = 0.0390 ∗ = 7.7909 ∗ = 41447.3941 29
yi=xi Ki 0.0373 0.9202 0.9575
∗ = 543.618 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 7.7909 0.9858
∗ = 0.0382 ∗ = 7.6396 ∗ = 40642.7610 ∗ = 542.350 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 7.6396 0.9578
∗ = 0.0385 ∗ = 7.7076 ∗ = 41004.6583 ∗ = 542.923 °
yi=xi Ki 0.0390 0.9808 1.0198
yi=xi Ki 0.0382 0.9530 0.9912
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
xi 0.005 0.995
Ki=Pi/P 7.7076 0.9703
Por lo tanto:
= 542.923 ° 30
yi=xi Ki 0.0385 0.9655 1.0040
Cálculo de la temperatura de rocío o temperatura de tope (td):
Asumimos una temperatura inicial de T=400 K. Elaboramos el siguiente cuadro:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
yi 0.995 0.005
Ki=Pi/P 0.3463 0.0108
∗ = 0.8612 ∗ = 1.1554 ∗ = 6146.6814 ∗ = 444.509 °
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
yi 0.995 0.005
Ki=Pi/P 1.1554 0.0610
∗ = 0.9131 ∗ = 1.0897 ∗ = 5797.0491 ∗ = 442.088 °
xi=yi /Ki 2.8734 0.4632 3.3365
xi=yi /Ki 0.8612 0.0819 0.9431
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
yi 0.995 0.005
Ki=Pi/P 1.0897 0.0561
∗ = 0.9110 ∗ = 1.0922 31
xi=yi /Ki 0.9131 0.0892 1.0023
∗ = 5810.3450 ∗ = 273.15°
Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:
Componente Agua (1) Butadieno (2)
yi 0.995 0.005
Ki=Pi/P 1.0922 0.0563
xi=yi /Ki 0.9110 0.0889 0.9999
Por lo tanto:
= 273.15° 4.5. Balance de Materia en el Absobedor (T-102)
2.2.
Datos Para La Columna De Absorción
= 70.52 32
2.3.
Datos De Los Componentes. TABLA N° 11. Datos de la alimentación al Absorbedor.
COMPONENTES N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO
2.4.
59.14 ,
, 0.3479
105.42 1.04 4.4
0.6201 0.0061 0.0259
Balance De Materia Calculo de la composición del gas pobre(tope) TABLA N° 12. Datos la composición en las corrientes.
COMPONENTES N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO
,
55.336 95.789 1.04 4.4
F abs
Fdest
55.336 95.789 1.04 4.9
3.8040 1.6313 0 0 13.4353
, 0.2881 0.7169 0 0 1
Cantidad de solvente utilizado =100lbmol/h TABLA N° 12. Datos la composición en las corrientes. COMPONENTES N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO ACRILONITRILO
,
55.336 95.789 1.04 4.4 100 1056.565
,
0.0524 0.0906 0.0009 0.0042 0.8519 1
33
Componente CCL 0 0.993 0 0 0 0.993
Componente CCP 0 0 0 0 0.0043 0.0043
4.6.
COLUMNA DE ABSORCION
=100lbmol/h = 1 − = 0.3479 = 0.6201 = 0.0061 = 0.0259
= 13.4353bmol/h − = 0.2831 = 0.7169 − = 0.0524 = 0.0906 = 0.0009 = 0. 0 042 = 0.8519
= 170/ℎ
Cálculo de la volatilidad relativa promedio ( prom): Calculamos la volatilidad relativa del tope (tope), sí:
Aplicamos la definición de volatilidad relativa en el tope en función de presiones:
5810.3727 = = 299.2807 = 19.4144
Calculo de la presión de saturación del agua en el tope :
= = 18.3036 3816.44 = 8.6674 442.18246.13 = 5810.3727 = = 20.2501 6022.18 = 5.7014 442.18228.25 34
= 299.2807
Calculamos la volatilidad relativa del fondo (fondo), sí:
41004.8925 = = 5162.1944 = 7.9433 = = 18.3036 3816.44 = 10.6214 542.92346.13 = 41004.8925 = = 20.2501 6022.18 = 8.5491 542.92328.25 = 5162.1944
Calculamos la volatilidad relativa promedio (prom), según la ecuación de James Gallagher:
=
∗
= √ 19.4144×7.9433 = 12.42
Cálculo del reflujo mínimo (rm):
Según la ecuación de Underwood, cuando la alimentación es un líquido saturado:
= 1 1[
1 (1 )]
Reemplazando la ecuación:
1 )[0.995 12.42(10.995 )] = (12.421 0.05 10.05 = 1.74
Cálculo del reflujo externo (r):
R = 1.5 ×R = 1.5 ×1.74 = 2.61
Cálculo del número mínimo de platos (nm):
Según la ecuación de Fenske, tenemos: 35
1 × 1 =
Reemplazando la ecuación:
10.995 0.995 ×10.005 0. 0 05 = 12.42 = 4.20 = 4
Cálculo del número teórico de platos (nt):
Según la correlación de Guilliland, tenemos:
= 0.75×1( ). 1 +1
Reemplazando las ecuaciones:
4 = 0.75×1(2.61 1.74). 1 2.61+1 = 61.1
Cálculo del número de platos de equilibrio reales (nr). Sí:
= Y, la eficiencia global de la columna es: n = 0.5 Reemplazando:
= 61.0.54 = 159.8 = 160
36
V. BALANCE DE ENERGIA EN EL PROCESO (ESTADO
ESTACIONARIO) El balance de energía depende principalmente de calcular la capacidad calorífica de cada componente presente en el sistema. La siguiente tabla sirve de referencia para los próximos cálculos del balance energético de la planta.
5.1. Balance De Energía del Intercambiadores de calor (HORNOS). 5.1.1. HORNO 1 (H-101): T ingreso a.
Balance de energía:
Tsalida
= ∆ = ∆
Ingresa al horno un flujo de 165.11 Lbmol/h:
) = 9576.38 = 165.11 ℎ (1 58 ℎ = 3890.18 /ℎ De tablas obtenemos los valores de ∆ y ∆: ∆ = 3100. ∆− = 6814.8 ∗ Reemplazamos en la ecuación para hallar el calor del rehervidor:
= ∆ = ∆ 3100.9 = 3890.18 ℎ 6814.8 = 8549.38 ℎ 37
10 = 7159851.679 ℎ = 7.16× ℎ 1.1.1. HORNO 2 (H-102): T ingreso
Tsalida b.
Balance de energía:
= ∆ = ∆
Ingresa al horno un flujo de 110.07 Lbmol/h:
( 32 ) = = 3522.24 /ℎ = 110.07 ℎ 1 ℎ De tablas obtenemos los valores de ∆ y ∆: ∆ = 5200. ∆ = 1523 Reemplazamos en la ecuación para hallar el calor del rehervidor:
= ∆ = ∆ 5200 = 3522.24 ℎ 1523 = 1031.61 ℎ 10 = 103317.254 ℎ = 1.03× ℎ
38
5.2. Balance De Energía del Reactor (R-101).
+ → + 2……. Cuya entalpia de reacción es de: ∆° = 110.2 / de butadieno.
Refiriendo la entalpia de reacción a la cantidad de N-BUTANO consumido en lugar de referido a la cantidad de BUTADIENO formado, se tiene que (
∆° = 126.2 / ) de N-BUTANO. A efectos de cálculo, se
considera que en dicho reactor es un proceso reactivo. Se considera el estándar de temperatura en 25°C (298.15 K). También se consideran
despreciable las variaciones de energía cinética y potencial, y las perdidas caloríficas.
∆ = ∆° ∗ ∗ +, + , = 0………1
Para poder realizar el balance energético del reactor, será necesario conocer la expresión que relacionen las capacidades caloríficas a presión constante de tres componentes con la temperatura. Dicha expresión viene dada por la ecuación:
= + + + °
donde
la temperatura
viene
expresada en °C y los valores de a,b,c y d se expresan en la siguiente tabla. TABLA N° 13: Parámetros para la estimación de la capacidad calorífica. Compuestos
A
B
C
D
N-BUTANO
9.487
3.313e-1
-1.108e-4
-2.822e-9
OXYGENO
2.811e+1
-3.680e-6
1.746e-5
-1.065e-8
BUTADIENO
-1.687
3.419e-1
-2.340e-4
6.335e-8
AGUA
3.244
1.924e-3
1.055e-5
-3.596e-9
Para cada caso se estimará la capacidad calorífica de cada componente en cada intervalo de temperaturas como la media aritmética de las capacidades caloríficas en dos extremos de intervalo. Se sabe que la temperatura de entrada al reactor debe ser 250°C. Análogamente, las capacidades caloríficas de los componentes de la corriente de salida se estimaran como la media entre la capacidad calorífica a la temperatura 39
estándar, y el valor de la misma a una temperatura de 773K = 500°C = 931.73 F. Los valores de las capacidades caloríficas promedio se muestran en la tabla a continuación: TABLA 14: Valores de las capacidades calorífica promedio para los diversos componentes. Cp (KJ/mol°C) N-BUTANO OXIGENO BUTADIENO AGUA *10^2 25°C – 620°C 5.2575 4.102 8.065 3.5940 25°C 6.1465 4.562 8.425 3.7280 931.73°C Primero se realizará el balance energético del proceso reactivo. En este caso, la corriente de entrada estará constituida por el reactivo N-BUTANO y el OXIGENO, mientras que la corriente de salida estará constituida por los componentes AGUA Y BUTADIENO, productos de la reacción, así como por el N-BUTANO no reaccionado. 600.20°C 165.11 Lbmol/h C4H10 110.07 Lbmol/h O2
X=0.64
T=
40
59.44 Lbmol/h C4H10 4.4 Lbmol/h O2 105.42 Lbmol/h C4H6 211.33 Lbmol/h H20
Corriente de entrada al reactor:
, = , ∗ 25
Donde las capacidades caloríficas se expresan en KJ/mol°C y las temperaturas en °C. N-BUTANO: 30.3456 KJ/mol.
k ∗ 60025° −, = 5.2775∗10e 2 °
=
k ∗ 60025°= 23.5865 KJ/mol. = 4.102e 2 ° Entonces: KJ ∗165.44 +23.5865 ∗ 110.07 , = 30.3456 mol ℎ ℎ , = 1.3428 /ℎ OXIGENO:
Corriente de la salida del Reactor:
, = , ∗ 25
Donde las capacidades caloríficas se expresan en KJ/mol°C y las temperaturas en °C.
k ∗ T25° −, = 6.1465∗10e2 ° k OXIGENO: , = 4.562e 2 ° ∗ T25° k BUTADIENO: , = 4.562e 2 ° ∗ T25° k AGUA: , = 4.562e 2 ° ∗ T25° , = FNbutano∗HNButano+Hoxigeno∗Foxigeno+Fbutadieno ∗Hbutadieno+Fagua ∗ Hagua , = 62584∗T25KJ/h N-BUTANO:
Termino de reacción:
° ∗ ∗ ∆ = …..2 110. 2 18 /ℎ = 12.01803674 /ℎ = ∗ 0.64∗275. 2
Teniendo en cuenta que el proceso isotérmico entonces: 41
∆ = ∆°∗ ∗ +, +, = + 1.3428 ℎ = 12.01803674 ℎ +6258 ∗ 25 ℎ = 600° 5.3. INTERCAMBIADOR DE CALOR (E-101)
Calculo de los calores
Entonces:
= =∆ = = + +
Hallamos el flujo másico
=
Calores por etapas.
= = = 42
Cálculos de los flujos de alimentación TABLA 15: Flujo del componente a enfriar.
Nombre Temperatura (°F)
N-BUTANO
OXIGENO
80
80
BUTADIENO 80
AGUA 80
Presión(psia)
14.5
14.5
14.5
14.5
Flujo molar
59.44lbmol/h
4.4lbmol/h
105.42lbmol/h
211.32lbmol/h
= = 380.2344/ℎ Calculo del flujo del componente a enfriar.
, = 210.83/ℎ
Calculo de energía tesis.
∆ = 3416.77/°
Temperatura de salida del refrigerante.
= 80°
Con los datos obtenidos calculamos cada uno de los calores.
= 201960.7464/ℎ = 3888331.239/ℎ = 11867.1156/ℎ = 1.44∗10/ℎ
Calculo del flujo refrigerante.
= /ℎ 1.44∗10 = 34160.773010 = 6004.1958/ℎ
43
5.4. COLUMNA DE SEPARACION FLASH (T-101) La importancia de emplear la columna de separar el Agua de nuestro producto el BUTADIENO.
CONDENSADOR Qc Q
REHERVIDOR Qr
La ecuación fundamental del balance de energía para el separador de Flasheo es:
+ + = + Donde:
= ∆ = ∑ ∑ Y: Donde:
1 = 11+22+33+44 = ∫ + ∗∆
Además: 1= N-BUTANO ; 2= OXYGENO ; 3= BUTADIENO ; 4= AGUA Balance de energía global en la columna:
= +
Donde Q= -22.81 *10^6 KJ/mol
44
TABLA 16: Flujo molar del balance de masa y entalpia (25°C, 1 atm). Alimentación Destilado Fondo (Lbmol/h) (Lbmol/h) (F) (Lbmol/h) (D)(C, (L), (C,bar) Componente (C,bar) bar) ni Hi ni Hi ni Hi N-BUTANO 54.44 0.08 59.32 OXIGENO 4.4 2.87*10^4.38 07 BUTADIENO 105.42 0.1317 105.5 AGUA 211.32 208.94 2.44
= +
Calculo de entalpia en el fondo (HL) Para Hd: T= 50.80 F = 10°C y P= 13 PSI.
= 1 ∗1 +22 +33 +44
La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos.
= ∫ + +∆
= ∫9.487+3.313∗10^3 ++10.311.2633.244.4256/
= 4.2654 KJ/mol
= ∫ + +∆
= ∫ 2.811 +1±3.680 ∓6 ++10.311.2631825.8765/
= 2.3654 KJ/mol = ∫ + +∆ = ∫1.687+0.3419 ++10.311856.789/ = 3.1567 KJ/mol = ∫ + +∆ = ∫ 75.4 ∗10 3 + 10.311825.8765/ 45
= 8.564 KJ/mol Entonces reemplazamos: = 0.08∗4.2∗8.6564 +2. 8 7∗10 07∗2. 3 654+0. 1 317∗3. 1 465+208. 9 4 564 = 2384.078 /ℎ Calculo de la entalpia de destilado: Para Hd= T= 50.80F = 10°C y P=13 PSI.
= 1 ∗1 +22 +33 +44
La entalpia de cada componente se calcula con los calor es específicos.
= ∫ + +∆ +∆ = ∫ 9.487+3.313∗10− + + 10.311.2633.244.4256
+32540 / = 1.564 KJ/mol
= ∫ + +∆ + ∆
= ∫ 2.811 +1±3.680 ∓6 ++10.311.2631825.8765/
+40556 / = 3.2546 KJ/mol = ∫ + +∆ +∆ = ∫1.687+0.3419 ++10.311856.789/ +5642 / = 5.3654 KJ/mol = ∫ + +∆ +∆ = ∫ 75.4 ∗10 3 + 10.311825.8765/ = 3.564 KJ/mol Entonces reemplazamos: = 59.33∗1.564+4.37∗3.2546+105.5 ∗5.3654 +2.44∗3.564 46
= 681.76 / La entalpia para la alimentación es la misma que del destilado entonces: = 54.44∗389.4 + 4.4∗0 4.4∗0 + 105.42∗452 105.42∗452 + 211.32∗325 2∗325 = 13757.76 Entonces: = + + . = 681.76+ 76 + 13757 13757..76 2384. 2384.078 078 = 12055. 12055.442 442 En el balance Global:
= + + = 12055. 22.81542702 12055.442 / / + + = 0.3 0.300 ∗ 10/ 5.5. BALANCE DE ENERGIA EN LA COLUMNA DE ABSORCION (T-102): La importancia de emplear la columna de absorción es la de obtener nuestro producto butadieno con una pureza del 99.5 %. CONDENSADOR Qc
Q
REHERVIDOR Qr La ecuación fundamental del balance de energía para el separador de Flasheo es: Donde: Y:
+ + = + = ∆ = ∑ ∑ 1 = 11+22+33+44 47
Donde:
= ∫ + ∗∆∗ ∆
Además: 1= N-BUTANO ; 2= OXYGENO ; 3= BUTADIENO ; 4= AGUA Balance de energía global en la columna:
= + Donde Q= 1.52 *10^6 KJ/mol
TABLA 17: Flujo molar del balance de masa y entalpia (25°C, 1 atm). Componente Alimentación Fondo (Lbmol/h) Destilado (Lbmol/h) (F) (C,bar) (L), (C,bar) (Lbmol/h) (D)(C, bar) ni Hi ni Hi ni Hi N-BUTANO 59.33 59.07 0.25 OXIGENO 4.38 0.000 4.38 BUTADIENO 105.56 0.73 104.82 AGUA 2.44 0 2.46 Acrylonitrilo 100 100 0.0000
= + + Calculo de entalpia en el fondo (HL) Para Hd: T= 50.80 F = 10°C y P= 70.52 PSI. = 1 1 ∗1 ∗ 1 + 2 2 2 2 +3 + 33 3 +4 + 4 4 4 La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos. = ∫ + + ∆ = ∫9.487+3.313∗10^3 ++ 10.311.2633.244.4256/ = 4.2654 KJ/mol = ∫ + + ∆ = ∫ 2.811 + 1 ± 3.680 ∓ 6 + +10.31 10.311.1.263 631825. 1825.8765 765/ = 2.3654 KJ/mol = ∫ + + ∆ = ∫1.687+0.3419 ++ 10.311856.789/ = 3.1567 KJ/mol = ∫ + +∆ + ∆ = ∫ 75.4 ∗ 10 3 + 10.311825.8765/ 48
= 8.564 KJ/mol = ∫ + +∆ + ∆ = ∫0.1265 + 10.31 10.311825.8765/ = 2.3645 KJ/mol Entonces reemplazamos:
= 59.07∗4.26564+0.00∗0.1317+0.73∗3.1465+0∗8.564+100 ∗2.3645 = 490. 7 2 /ℎ Calculo de la entalpia de destilado: Para Hd= T= 50.80F = 10°C y P=70.52 PSI.
= 1 1 ∗1 ∗ 1 + 2 22 2 +3 + 3 3 3 +4 + 4 4 4
La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos.
= ∫ + + +∆ + ∆ +∆ + ∆ 10.31 1. 2 63 3. 2 44. 4 256 − = ∫ 9.487+3.313∗10 + +
+32540 / = 1.564 KJ/mol = ∫ + +∆ + ∆ + ∆ ∆ = ∫ 2.811 + 1 ± 3.680 ∓ 6 + +10.311.2631825.8765/ +40556/ = 3.2546 KJ/mol = ∫ + + +∆ + ∆ +∆ + ∆ = ∫1.687+0.3419 ++ 10.311856.789/ + 5642 5642 / / = 5.3654 KJ/mol = ∫ + + +∆ + ∆ +∆ + ∆ = ∫ 75.4 ∗ 10 3 + 10.311825.8765/ = 3.564 KJ/mol = ∫ + + +∆ + ∆ +∆ + ∆ 1825.8765 + 4254 / = ∫ 0.1265 + 10.31 / 49
= 6.4524 KJ/mol Entonces reemplazamos: = 0 0.25∗1.564+4.38∗3.2546+104.82∗5.3654+2.46∗3.564+0.000∗6.4524 = 585. 8 1 / La entalpia para la alimentación es la misma que del destilado entonces: = 59.33∗389. 4 + 4.38∗0 + 105.56∗452 + 2.44∗325 + 100∗156 = 44246. 3 02/. 0 2/. Entonces: = + + . = 585.81+ 81 + 44246 44246..302 02 490. 490.72 = 44341. 44341.392 392 En el balance Global: = + + = 44341.392/ 1.52∗10 92/ + + = 1.4 1.477 ∗ 10/
50
RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA POR EL METODO CONVENCIONAL.
COMPONENTE
HORNO
HORNO
MEZCLADOR
REACTOR
COMPRESOR
INTERCAMBIADO
COLUMNA
ABSORBEDOR
S
(H-101)
(H-102)
(M-101)
(R101)
(C-101)
R
FLASH
(T-102)
(E-101)
(T-101)
Entrad
Salida
a N-BUTANO
Entrad
Salida
a
165.1 1
0
0
0
0
110.07
110.0 7
0
0
0
0
0
0
165.11
Entrad
Salida
a
Entrad
salida
a
entrad
Salida
a
Entrad
FONDO
TOPE
a
59.44
59.44
59.44
59.44
59.44
59.44
59.44
59.44
59.07
0.25
278.18
110.0 7
110.07
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
4.4
0
4.38
0
0
0
0
105.4 2
105.42
105.4 2
105.42
105.42
105.42
105.4 2
105.42
0.7389
104.8
0
0
0
0
0
211.3 2
211.32
211.3 2
211.32
211.32
211.32
2.44
2.44
2.44
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
100
100
0
165.1 1
110.07
110.0 7
278.18
278.1 8
380.58
38058
380.58
380.5 8
380.58
380.58
380.58
171.7
271.7
162.248 9
109.4 3
(lbmol/h) ACRILONITRIL
Entrad
165.1
(lbmol/h) AGUA
salida
a 165.1 1
(lbmol/h) BUTADIENO
Salida
a
165.11
(lbmol/h) OXIGENO
Entrad
O (lbmol/h) TOTAL
51
VI.
SIMULACION DEL PROCESO DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO:
1. Luego de haber instalado el programa de CHEMCAD, abrir el icono en el escritorio y aparecerá la siguiente ventana.
2. Hacer doble clic en el icono y se abrirá en CHEMCAD.
3. Elegir los componentes que van a intervenir en el proceso: N-BUTANO, Oxigeno, 1,3- Butadieno, Agua. Hacemos clic en en Thermophysical y en sus Barras de Select Componentes; buscamos el nombre del componente en la base de datos y damos clic en Add.7
52
4. Elegimos el rango de temperatura y presiones a los que trabaja el proceso de producción de BUTADIENE.
5. Utilizamos en el Global K value Model por el método de SRK; ya que nuestros reactantes y productos son en fase gaseosa.
53
6. Buscamos en el Palette al lado Izquierdos el Equipo que usaremos para realizar el Diagrama de Procesos.
7. Seleccionaremos los equipos que vamos a seleccionar en el proceso de la obtención del Butadieno a partir del N-Butano.
54
7.1. ALIMENTACION: Seleccionamos en el Pallete de equipos el icono de alimentación.
7.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR (HORNO) N-BUTANO Seleccionamos dentro de la pestaña de Heat Exchanger el icono del Horno para llevarlo después a la hoja de trabajo.
Para la unión entre la alimentación y el equipo, hacemos clic en la opción All UniOps y escogemos el icono de STREAMS.
55
Hacemos clic en la línea (1) de la alimentación para llenar nuestras condiciones.
Llenamos nuestras condiciones de alimentación y el flujo de alimentación del N-BUTANO para la obtención del BUTADIENO. T= 37.78 F= 100°C P= 2.9 PSI = 0.2 bar. FN-BUTANO= 165.11 Lbmol/h.
56
7.3. INTERCAMBIADOR DE CALOR (HORNO) OXIGENO: Seleccionamos dentro de la pestaña de Heat Exchanger el icono del Horno para llevarlo después a la hoja de trabajo.
Para la unión entre la alimentación y el equipo, hacemos clic en la opción All UniOps y escogemos el icono de STREAMS.
57
Hacemos clic en la línea (2) de la alimentación para llenar nuestras condiciones.
Llenamos nuestras condiciones de alimentación y el flujo de alimentación del OXIGENO para la obtención del BUTADIENO. T= -69.36 F= -57.31°C P= 2.9 PSI = 0.2 bar. FO2= 110.07 Lbmol/h.
58
De los hornos se pretenden que salgan a una T= 112 F
7.4. MEZCLADOR DE GASES: Dentro del palette en la opción de All UniOps seleccionamos el icono de Mixer, hacemos clic encima de ello y lo llevamos a la hoja de trabajo.
59
Para unir las corrientes de los Hornos de alimentación con el equipo mezclador usamos la línea de STREAM; que seleccionamos en la pestaña de All UniOps.
Insertaremos las condiciones de operación del mezclador: P= 72.52 PSIA = 5 bar
60
7.5. REACTOR CINETICO: Para el proceso usaremos un reactor cinético de tipo PFR. Hacemos CLIC en la opción de REACTORS, dentro de ellos escogemos el Icono del Reactor Cinético, y lo arrastramos hacia la hoja de trabajo.
Para unir las corrientes del mezclador con el Reactor Cinético, haremos uso de la línea de STREAM; que seleccionamos en la pestaña de All UniOps.
61
Haremos CLIC en el ICONO de reactor para insertar las condiciones de operación para el reactor de Tipo Cinético. ECUACION 1:
+ → + 2……. P = 2.9 PSI = 0.2 bar Velocidad de Reacción: 30.83*10^-3 Energia de Activacion : 148.5 KJ/mol. T= 773 K = 931.73 F Conversion = 0.64
62
7.6. COMPRESOR: Utilizaremos un compresor, seleccionaremos dentro del Palette la opción de Piping and Flow en el Icono Compresor.
Para unir las corrientes del reactor con el compresor, hacemos uso del STREAM para unir las corrientes.
Hacemos CLIC en el Compresor para poder ingresar las condiciones de operación necesarios. P = 15 PSI Eficiencia : 0.5
63
7.7. CONDENSADOR: Seleccionaremos dentro del Palette la opción de HEAT EXCHANGER en el Icono del Condensador.
Hacemos el uso del icono STREM de nuevo para unir las corrientes salientes del compresor hacia el condensador.
Hacemos CLIC encima del condensador e indicamos la caída de presión del condensador, además de la temperatura de salida en la corriente 8. Caida de presión = 0.5 PSI Tsalida = 80F
64
7.8. SEPARADOR FLASH. Para el uso del separador FLASH buscamos en el Palette la opción de Separators, Hacemos Clic en el Icono de FLASH y luego arrastramos el icono a la hoja de Trabajo.
Para la unión de las corrientes seleccionamos en el palette All UNIOps y dentro de ellos la opción de STREAM.
65
Hacemos CLIC en nuestro separador FLASH para ingresar las condiciones de operación del Separador FLASh, en la primera opción escogeremos Insertar temperatura y Presion.
Las condiciones de Operación es de una T = 50.8 F y una P= 13 PSI.
66
7.9. COLUMNA DE SEPARACION (SHORT CUT). Finalmente, para separar el Butadieno utilizaremos una columna estabilizadora. Se ingresa nuevamente al Plette escogemos en la opción SEPARATORS, el icono de SHORTCUT.
Uniremos las corrientes de salida del Separador FLASH con las de la columna de separación, mediante el uso de STREAM.
Para la salidas del fondo del separador FLASH, haremos CLIC en el Palette dentro de All UniOps en el Icono de Product y con la ayuda de STREAM uniremos las corriente de salida.
67
Hacemos CLIC sobre la columna de separación para indicar las condiciones a las que trabajara, en la selección del modo escogeremos la segunda opción.
68
Ingresaremos la presión a la que va trabajara la columna de separación, P=70.52 PSI; La relación entre reflujos R/Rmin= 1.5 y los contenidos del componente clave ligero y el clave pesado CCL = BUTADIENO (0.993), CCP=N-BUTANO(0.0043).
Las corrientes de salida de la columna de separación la hacemos de nuevo con el Icono de PRODUCTS que se encuentra en la opción de AllUniOps en el Pallete y los unimos con STREAM.
69
8. CORRIDA TOTAL DEL PROGRAMA: Para la poner a correr a nuestro programa, hacemos CLIC en la opción RUN , dentro de ello en Run nuevamente y por ultimo Run All.
70
9. REPORTE FINAL. Para obtener una copia de cualquier tipo, usar la opción Format, y dentro de ellos escogeremos Add Stream Box.
Después de ello hacemos clic y nos aparecerá una ventana de anuncio, poner OK.
Seleccionaremos lo que deseamos que se muestre en nuestra tabla de resultados.
71
Seleccionaremos nuestro principal compuesto a producir y luego OK.
Escogeremos la orientación del reporte en Horizontal
Finalmente, nos da el resultado de la simulación en cuadro general.
72
CUADRO DE RESUTADOS DE LA SIMULACION EN CHEMCAD DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL NBUTANO.
73
PLANO N°3
OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO ALUMNOS: - GARCIA CHUPAN, ADAIA ROSARIO - QUISPE VILCHEZ, MHYLENA
P-03 74
PLANO:
DIAGRAMA DE PROCESOS
CATEDRATICO: ING. VICTOR
FECHA:
PASCUAL GUEVARA YANQUI
26/07/2018
VII. RESULTADOS 7.1.
RESULTADO DEL METODO CONVENCIONAL:
S
C
O
M
P
O
N
E
N
T
E
CORRIENTES DEL BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN CADA UNO POR EL METODO CONVENCIONAL. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Flujo molar lbmol/h
165.11
110.07
165.11
110.07
275.18
380.58
380.58
380.58
271.64
209.75
109.43
162.2489
Tem °C Presion psia
3.2 2.9
-56.3 2.9
600 2.9
600 2.9
500 75.5
620 72.52
722.8 15
26.7 14.5
10.4 13
26.66 14.5
-92.2 70.52
47.99 70.52
N-butano
165.11
0
165.11
0
165.11
59.44
59.44
59.44
59.32
0.08
0.25
59.07
Oxigeno
0
110.07
0
110.07
110.07
4.4
4.4
4.4
4.38
2.87*10^-7
4.38
0
Butadieno
0
0
0
0
0
105.42
105.42
105..42
105.5
0.7
104.8
0.7389
Agua Acrilonitrilo
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
211.32 0
211.32 0
211.32 0
2.44 100
208.94 0
0 0
2.44 100
7.1.1. RESULTADO EN EL SOFTWARE CHEMCAD.
VIII. DICUSION DE RESULTADOS En el presente informe se hizo los cálculos del balance de materia para cada uno de los equipos que se utilizó para la obtención del butadieno a partir del n-butano teniendo así como resumen de todo los balances en ella se puede apreciar que hasta el equipo del mezclador no existe acumulación ahora los flujos de los componentes que salen del reactor si varían y son los siguientes: Nbutano=59.44; Oxigeno=4.4; Butadieno =165.42; Agua=211.32 todos estos componentes están a (en lb mol/h).según estos resultados se puede observar que lo que deseamos obtener que es el butadieno es que está saliendo en mayor cantidad claro eso es correcto, ahora pero también en nuestro proceso también se utiliza un compresor para bajar nuestra presión en este proceso no interviene la acumulación de materia, seguido de eso pasa a un condensador para bajar nuestra temperatura al igual que en el anterior también no ocurre acumulación de
materia
ahora
todos
nuestros
componentes
de
n-
butano,oxigeno,butadieno,agua pasa a una columna de flasheo para separar al agua de todos estos componentes y la cantidad de lbmol/h a la que salen los componentes en el tope son: N-butano=59.44; Oxigeno=4.4; Butadieno =165.42; Agua=2.2 bueno lo que queríamos separa era el agua asi que la mayor parte del agua se fue al fondo que salió a mayor cantidad porque en el tope ya sale como vapor de agua pero en mínima cantidad. Lo cual se puede apreciar en el cuadro de resumen de balance de materia. Al igual que el balance de materia también se puede apreciar para cada equipo su balance de energía por el método convencional y tenemos como resultado en el siguiente cuadro. Aquí se observa los calores que salen de cada equipo sus unidades están en KJ/mol. Todos estos resultados también se pueden observar al realizar la programación con el software CHEMCAD.y comparamos que los resultados obtenidos con el método convención si guardan relación con la simulación realizada de nuestro proceso y solo varia en decimales. 76
8.1.
RESULTADO DEL BALANCE DE ENERGIA POR EL MÉTODO CONVENCIONAL
TABLA N°18. Resultados del balance energía en cada equipo. EQUIPO
BALANCE DE ENERGIA (KJ/mol)
Intercambiador de calor E-101
-25.392809946
Reactor R-101
-14.869661771
columna de flash T-101
1.5169593
Absorbedor T-102
3.556825391
77
IX. CONCLUSIONES Si bien es cierto en este trabajo se tubo información de conceptos, características y propiedades de cada uno de los componentes tales como el N-Butano, Oxigeno y el Butadieno el cual también se mencionó que es uno de los productos que se utiliza hoy en día para la fabricación de diversos productos tales como el caucho para la fabricación de llantas. Se realizó el balance de materia y energía por el método convencional en cada uno de los equipos: en los dos hornos es la misma cantidad que ingresan los dos componentes el butano y el oxígeno el balance de materia es igual la salida a la entrada, ahora en el mezclador es el mismo porque los dos componentes solo se mezclaron y salió la suma de las dos masas sumadas ahora también se realiza el balance de materia en el reactor lo cual los componentes salieron de la siguiente manera (en lbmol/h).N-butano=59.44;Oxigeno=4.4;Butadieno =165.42;Agua=211.32 El total de masa que sale es de 380.58lbmol/h. al igual que al reactor se hiso para cada uno de los equipos y los resultados se puede observar. Una vez ya realizado los balances de masa y energía se realizaron diagramas de bloques para entender mejor en proceso de obtención de butadieno a partir de la oxideshidrogenación del n-butano y las condiciones a la que trabaja cada uno de los equipos se necesitan para el proceso. Al concluir todo en balance y la representación del proceso en bloques se realizó la simulación del proceso de obtención del butadieno a partir del n-butano con la ayuda del software de CHEMCAD así obteniendo los resultados de la simulación de comparo con los resultados de los resultados obtenidos del balance de materia y energía del método convencional y se concluyó que los datos de salía eran similares que solo varían en decimales y podemos decir entonces que se cumplió con todos los objetivos que se presentaron.
78
X. BIBLIOGRAFIA Alan David, M. (2008). The application of the attainable region concept to the oxidative dehydrogenation of n-butanes in inert porous membrane reactors. Johannesburg: university of the witwatersrand.
Bhattacharyya, S. K. (1992). Oxidative Dehydrogenation Of N-Butane To Butadiene . Elsevier Science Publishers B.V,Amsterdam, 29-43. Bossi, M. (2001). Manual de software chemcad ing. Rubén quispe barrientos . David Juarez, R. B. (2013). Estudio y análisis de los polimeros derivados del estireno-butadieno. 3 ciencias, 9-10. Esbure, J. (2008). Aplication of the attainable region concep to tha oxidative deshydrogenacion of n-butane .
Fajen, l. D. (s.f.). Industria del caucho. Fogler., S. (2001). Elementos de ingeniería de reacciones químicas. Tercera edición. Herrera, M. I. (2016). Ingenieria basic de una planta de produccion de butadieno a partir de la deshidrogenacion de n-butanos. Sevilla, españa.
Jesus Cabel, M. (1991). Química industrial y procesos industriales Lucia, P. S. (2015). Diseño de una planta de deshidrogenacion catalitica para la produccion del butadieno. Lima: universidad nacional del callao.
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Pissani Solar Carmen, L. (2015). "Diseño de una planta de deshidrogenación catalítica para la producción de butadieno". Lima: universidad nacional del
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santa fe, argentina. Manual del software chemcad 6
80
DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO
81
DIAGRAMA DE PROCESOS DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO
82
DIAGRAMA DE FLUJOS DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO
83
