UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULT FACULTAD DE CIENCIAS CIENCIA S Y TECNOLOGÍA TECNOLOG ÍA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE PLANTAS QUIMICAS
PRODUCCION DE BENZOATO DE SODIO
DOCENTE: ING. BALDERRAMA IDINA JOSE LUIS ESTUDIANTE: ESTUDIANTE : ANTONIO LORA, JOSE ANDRES
COCHABAMBA-BOLIVIA
BENZOATO BENZOA TO DE SODIO
INTRODUCCIÓN La industria química nacional tiene nuevas exigencias respecto al la proyección de los procesos y su posterior optimización. Estas exigencias hacen que la formación del ingeniero sea más amplia y que a su vez se incentive su capacidad creativa, de análisis y de toma de decisiones. Para cumplir con esto, es importante la mayor orientación hacia la industria desde la propia escuela y que allí a llí se instituyan ases de liderazgo que posilemente ayuden la economía nacional. !e allí nace la importancia del análisis y el dise"o de posiles formas de producción y el estudio de ellas, desde todos los puntos de vista posiles. #no de los retos que dee afrontar los $ngenieros %uímicos es la realización de proyectos de ingeniería. En nuestro nivel de conocimientos como estudiantes, este traa&o es uno de estos que nos lleva a demostrar la capacidad t'cnica y profesional que hemos adquirido a lo largo de estos a"os. El proceso que se trata en el presente traa&o, la Producción de (enzoato de )odio se sustenta en el hecho de que esta sustancia es muy utilizada en diversos sectores de la industria, como los alimentos *conservante+, la farmac'utica *antimicroiano+ *antimicroiano+ y la automotriz *anticongelante y anticorrosivo+.. )e puede oservar este producto como un proyecto anticorrosivo+ prometedor e importante en la $ndustria %uímica olomiana. ave anotar que se presentaron ciertas di-cultades en este estudio deido a la poca información que se pudo encontrar tanto en las propiedades de las sustancias y del proceso en sí, revocando de esta forma la poca
profundización en el dise"o de todos los equipos a pesar de estos inconvenientes fue posile estalecer el tipo y la forma de operación de estos equipos. En el presente informe se puede encontrar el diagrama de /u&o para la producción del (enzoato de )odio, el análisis termodinámico y cin'tico, alances de materia y de energía a algunas unidades, descripción de quipos y accesorios utilizados, costos ásicos de inversión, localización preeliminar y posiilidades de optimización.
APERTURA DE LA SOCIEDAD El diez *01+ de enero de 2113 se constituye en la ciudad de 4anizales !epartamento de aldas, de la 5ep6l 5ep6lica ica de olomia, una sociedad anónima cuya razón social será P57(E897 ).:., y su o&eto será la producción de enzoato de sodio con el propósito de satisfacer el mercado nacional y, en un futuro, parte del mercado internacional. El capital autorizado de la sociedad es de cien 4illones de pesos *;011,111,111+, *;011,111 ,111+, moneda corriente, dividido en cien mil *011,111+ acciones nominativas a valor de mil pesos *;0,111+ cada una. El capital que constituye la sociedad proviene de aportes hechos por los socios y la responsailidad de cada socio dentro de la sociedad será de acuerdo con el aporte que 'ste haya realizado. Los socios que constituyen P57(E897 ).:., son los que se nomran a continuación< :ndr's Enrique (onilla 5eyes .. =.=00.2>? de 8eiva :driana @aviria !e La ruz .. 2>.0A=.A3B de (olívar Calle @loria onstanza $saza :rias .. 2D.3DB.>02 de 4anizales :driana 4aría )ierra 5amírez .. 2D.3DA.B0? de 4anizales La dirección, administración y representación de la sociedad serán e&ercidas por los siguientes órganos principales< a. La :samlea @eneral de
:ccionistas . La unta !irectiva y c. El @erente. La vigilancia y -scalización de la sociedad corresponde al 5evisor Fiscal. La :samlea @eneral, una vez aproado el alance, el estado de p'rdidas y ganancias y destinadas las sumas correspondientes a la reserva legal y a la que ella misma estime conveniente, -&ará el monto del dividendo. !e esta manera se presenta una reve descripción de la constitución de la sociedad. La información detallada se encuentra en los estatutos que regirán la sociedad, los cuales 87 se incluyen en este traa&o.
LOCALIZACION DE LA PLANTA Para el desarrollo de nuestro proyecto es muy importante la decisión de elegir la localización de la planta de producción deido a las características t'cnicas y económicas de la industria circundante de la región. La localización de la planta dee ser la apropiada para lograr precios mínimos al consumidor tami'n se tiene en cuenta la /exiilidad de la operación, el mantenimiento, la administración y la mano de ora cali-cada. :sí mismo, las facilidades de transporte y suministro de materias primas. El estudio de localización se asara en dos partes principales< Escogencia de la región )elección de la localidad y el sitio dentro de la región.
ESCOGIENDO LA REGION Proximidad y disponiilidad del mercado La región que circunda a 4anizales tiene un amplio mercado de industrias alimenticias donde tiene el producto de nuestra planta, siendo esta su principal aplicación. )in emargo como la cantidad requerida como conservante es poca y de muy uena calidad se puede realizar una coertura nacional e incentivar el mercado colomiano. El (enzoato de )odio por tener
otras aplicaciones y condiciones requeridas tiene la facilidad de incursionar en otros mercados. Proximidad y disponiilidad de la materia prima Las sustancias utilizadas en el proceso son otenidas principalmente del mercado nacional y muy pocas como el ácido enzóico se deerá importar. El hidróxido de sodio se comprara a 5e-sal. El alcohol etílico al >?G que se empleara como un disolvente en la etapa de separación se comprara a industria licorera de aldas.
Facilidades de medios de transorte La uicación geográ-ca de 4anizales facilita el transporte del producto dado que se encuentra uicada en una zona casi central del país pudi'ndose distriuir cómodamente a industrias de ciudades cercanas y además a las principales ciudades del país y por ende a las demás. !isponiilidad de servicios En el evaporador se hace necesario el uso de vapor de agua para producir la evaporación de la sustancia involucrada, por tanto para producir dicho vapor se necesita de gas natural que se usará como comustile en la caldera y otener el vapor de agua. El agua que es otro de los servicio necesarios es fácil accesiilidad en la cuidad. Para economizar gastos de energía, del mismo proceso se aprovechara el calor con el que salen algunas corrientes para transferir el calor a otras que necesitan de calentamiento, para lo demás se comprara la energía faltante. $n/uencia del clima omo el proceso de llevará a cao en condiciones normales el clima no tendrá ninguna in/uencia sore el proceso. :unque el clima de la ciudad se hace favorale por que las condiciones se aseme&an a las que se llevará el proceso. 4ano de ora cali-cada
En la cuidad se puede encontrar su-ciente mano de ora cali-cada ya que la mayoría de las personas residentes uscan me&orar cada día su formación profesional, se puede generar empleo y disminuir a su vez la taza de desempleo de 4anizales.
SELECCIÓN DE LA LOCALIDAD ! EL SITIO DELTRO DE LA REGION )e ha recomendado que la localización en la ciudad se lleve a cao en la zona industrial, ya que hasta allí pueden de&ar fácilmente los servicios que se requieren y porque además es un lugar relativamente le&ano de espacios masivos de residencias facilitando la operación de la planta en momentos que se produzcan demasiado ruido y además se puede evitar que a los ciudadanos les pase algo en caso de una falla o un accidente en la planta.
"# CARACTER$STICAS DEL PRODUCTO BENZOATO DE SODIO# El enzoato de sodio es una sal del ácido enzoico. Es un polvo granular cristalino, incoloro o lanco. Es solule en el agua y etilenglicol e insolule en alcohol. )u formula molecular BH?778a y su peso es 0DD.00 gImol. Es higroscópico a una humedad relativa cercana al ?1G. Es producido principalmente por la neutralización del ácido enzoico con hidróxido se sodio. La producción mundial en 2111 se estimó entre ?? 111 a B1 111 toneladas. Los mayores productores son< Los países a&os, #):, Estonia y hina. :unque el ácido enzoico es mucho mas efectivo como agente antiacterial, el uso del enzoato de sodio es mayor deido a que es cerca de 211 veces mas solule. Para preservación de alimentos la concentración esta limitada a
no exceder el 1.0G cantidad su-ciente para este -n, a&ustándose a un pH de D.?. El mayor mercado del enzoato de sodio es en la industria de las eidas gaseosas, tami'n usado en la preservación de encurtidos, salsas y &ugos de frutas. En la industria farmac'utica es usado para la conservación de algunas sustancias *arria del 0G en medicinas liquidas+ y en los regímenes terap'uticos para tratar pacientes con ciclo enzimopatía de urea. Posilemente un gran uso del enzoato de sodio, cerca del 31 a 3?G de la demanda total, es como anticorrosivo, particularmente es un aditivo para anticongelantes para automóviles y otros sistemas de transporte de agua. #n nuevo uso es la adición del enzoato de sodio en plásticos tales como el polipropileno para aumentar la densidad y pureza. El enzoato de sodio es usado tami'n para estailizar los a"os en el proceso de revelado. 8o hay información del transporte en cuanto a normas amientales, ni de distriución que pueda ser identi-cada. !eido a su uso, es similar al ácido enzoico, la mayoría de las preocupaciones amientales tienen que ver con la emisión a las fuentes hídricas. Jras la ingesta oral, el ácido enzoico y el enzoato de sodio se asoren con rapidez del tracto gastrointestinal y se metaolizan en el hígado por con&ugación con la glicina, dando lugar a la formación de ácido hip6rico, que se excreta rápidamente a trav's de la orina. Los enzoatos aplicados por vía cutánea pueden penetrar en menor medida a trav's de la piel. !eido a la rapidez del metaolismo y de la excreción, no cae prever una acumulación de enzoatos o sus metaolitos. En estudios de corta duración con ratas, se oservaron trastornos del sistema nervioso central *ácido enzoico I enzoato de sodio+, así como camios histopatológicos en el cerero *ácido enzoico+ despu's de administrar dosis elevadas *K0A11 mgIg de peso corporal+ durante ?M01 días. 7tros efectos fueron una reducción del aumento del peso corporal, camios en el peso de
los órganos, camios en los parámetros del suero o camios histopatológicos en el hígado. En el ser humano, la toxicidad aguda del enzoato de sodio es a&a. )in emargo, se sae que esta sustancia provoca reacciones de contacto no inmunológicas *pseudoalergia+. Este efecto no es frecuente en personas sanas en pacientes con ataques frecuentes de urticaria o asma se oservaron síntomas o su exaceración. Puede derivarse una ingesta tolerale provisional de ? mgIg de peso corporal al día, aunque dosis menores de enzoatos pueden producir reacciones de contacto no inmunológicas *pseudoalergia+ en personas sensiles. !eido a que no hay estudios adecuados disponiles sore la exposición por inhalación, no se puede calcular una concentración tolerale para este tipo de exposición. !adas sus propiedades físicas I químicas, no cae prever que el ácido enzoico y el enzoato de sodio que pasan al agua y al suelo se volatilicen a la atmósfera o se adsoran sore los sedimentos o las partículas del suelo. )eg6n los resultados de numerosos experimentos de eliminación, la principal vía que siguen amos productos químicos dee ser la mineralización iótica. Los datos otenidos en prueas de laoratorio pusieron de mani-esto una iodegradailidad rápida de amas sustancias en condiciones aeroias. )e ha comproado que varios microorganismos aislados *acterias, hongos+ utilizaron el ácido enzoico en condiciones aeroias o anaeroias. !e acuerdo con los datos experimentales sore la ioconcentración, cae prever un potencial de a&o a moderado para la ioacumulación. Jeniendo en cuenta la rápida iodegradailidad, el potencial de ioacumulación entre moderado y a&o, la escasa toxicidad para la mayoría de las especies acuáticas y el rápido metaolismo de estas sustancias, el ácido enzoico y el enzoato de sodio M con la excepción de vertidos accidentales M representan un riesgo sólo mínimo para los organismos acuáticos.
%# &ETODOS DE SINTESIS PRODUCCION DE BENZOATO DE SODIO A PARTIR DETOLUENO ! DICRO&ATO DE SODIO# :lrededor de 011 partes de tolueno son tratados con extracto acuoso de cromato de sodio, y es sometido a calentamiento hasta 2?1N en un agitador continuo herm'tico. !espu's que se completa la oxidación, la masa completa es sometida aun enfriamiento hasta 011N y el tolueno no utilizado se separa por destilación. El material reaccionante es -ltrado y el enzoato de sodio alcalino es separado en el residuo acuoso contenido tami'n de hidróxido de cromo e impurezas. El enzoato de sodio es precipitado cuantitativamente y se otendrá tami'n un 21 O 31G de soda cáustica que puede ser utilizada con -nes comerciales. :5:JE5)J$:) !E L:) )#)J:8$:) !EL P57E)7<
Tol'eno( eulle a 000Q, solule en alcohol y agua RL$%#$!7S. Dicromato de sodio( se funde ha 321Q, cristales solules en agua insolule en alcohol R)7L$!7S.
Ben)oato de sodio( cristales solules agua R)TL$!7S. O*ido cromico( r273, ristales insolules en agua y ácidos R)TL$!7S. +idr,*ido de sodio( cristales solules en alcohol y agua R)TL$!7S. Sol-ente( )e tiene en cuenta que dicromato es solule en agua y el tolueno en alcohol, se podría utilizar como solvente una mezcla de alcohol y agua, pensando en uenos resultados ya que esta mezcla ayudaría al acercamiento
de los iones reaccionantes pues el alcohol si es solule en agua. )i no es el caso se utilizara un solvente aprótico orgánico que cumpla el mismo -n.
Col'mna de destilaci,n( Por las características de las mezclas podría presentarse azeótropo, dado el difícil calculo del equilirio para multicomponentes, sore todo sin tener certeza del disolvente a utilizar *mezcla o aprótico+, no conocemos la verdadera composición de la caeza de la torre y ni de la cola y dado esto tampoco podríamos estalecer si es posile en funcionamiento de la columna o de-nir a que grado es posile la separación.
El searador( )e suponen dos fases liquidas *o sólidos en solución+ en la entrada del separador *salida de la cola de la torre+ en un principio se mencionó estas dos faces contienen sustancias que son solules en todo el sistema, se tiene el mismo prolema en la escogencia del solvente a utilizar. Por esto el tipo de separador no es claro puede pensarse una extracción líquido O líquido. Las condiciones a la salida del separador son de difícil conocimiento, pues no es posile saer la verdadera composición de la salida de este para asegurarse de las operaciones unitarias antes y despu's del cristalizador para otener un producto terminado en excelentes condiciones. Las exigencias en la calidad del (enzoato de sodio *pureza+, son extremas ya que se utilizara en la industria de los alimentos y la farmac'utica, lo que nos oliga ha tener por lo menos una información precisa, sore todo con el solvente ha utilizar. el hecho de no tener certeza en la cin'tica de la reacción no es un gran prolema por lo menos para el dise"o del resto de los equipos, pero si encontramos que sin un análisis termodinámico correcto no se pueden predecir las condiciones de operación.
El siguiente esquema solo presenta un osque&o del diagrama de /u&o
.# PRODUCCION DE BEZOATO DE SODIO POR NEUTRALIZACION DEL ACIDO BENZOICO CON +IDRO/IDO DE SODIO DESCRIPCION DEL PROCESO El proceso de producción de (enzoato de )odio por neutralización del ácido enzóico con hidróxido de sodio consta inicialmente de un tanque de disolución donde se realiza una mezcla de agua e hidróxido se calienta simultanea mente para una mayor dilución y homogeneidad luego es pasada
al reactor en el cual se a"ade ácido enzóico y donde se lleva a cao la formación del enzoato de sodio igualmente se mezcla perfectamente para evitar acumulaciones indeseales. Hasta este punto se han desarrollado la etapa de acondicionamiento y de reacción, a continuación se descriirá la etapa de separación. La mezcla que sale del reactor pasa luego a una centrifuga donde se separa una gran cantidad de ácido que no se diluye en el agua mientras que la otra corriente que sale de allí va a un equipo de extracción en el cual se agrega 'ter que extrae el ácido enzóico restante, la mezcla de salida en la extracción que conlleva agua, enzoato, hidróxido y algo de 'ter pasa posteriormente a un evaporador donde se evapora todo el 'ter y una peque"a cantidad de agua la mezcla va a un cristalizador donde se forman los cristales de enzoato de sodio, despu's es llevada a una centrifuga donde su función será retirar toda el agua que queda en la mezcla de 8a7H y =H?728a tranportándose a un sedimentador donde se hace un lavado con etanol para que diluya todo el hidróxido de sodio y lo separe del producto deseado. El 8a7H diluido en el alcohol en agua que entra con el alcohol va a un cristalizador en el cual todo el hidróxido sale puro para ser reutilizado, por su parte el etanol industrial sale en condiciones optimas pare volverse a utilizar. El enzoato h6medo que se separa del 8a7H en el sedimentador pasa por un secador para retirarle el etanol y el agua que lleva y de&arlo en un gran estado de pureza y en las condiciones requeridas para su uso con un 1.10 G de humedad.
0# &ATERIAS PRI&AS
1# AN2LISIS TER&ODIN2&ICO TER&ODIN2&ICA DE LA REACCIÓN
El calor estándar de cualquier reacción puede calcularse si se conocen los calores estándar de formación de los compuestos que forman parte de la reacción. Los calores de reacción a cualquier temperatura pueden calcularse a partir de los datos de la capacidad calorí-ca si se conoce el valor del calor de reacción a cierta temperatura por tanto, la taulación de los datos se reduce a la compilación de calores estándar de formación para una sola temperatura *2>A.0?U+ y a una presión constante *0 atm+, la cual es tomada como estado de referencia. Los valores de los calores formación de las sustancias reaccionantes y algunos iones se encuentran en la tala *0+. Para el enzoato de sodio, se efect6a un procedimiento diferente. La reacción de formación para el enzoato de sodio es la reacción química enunciada, en la cual se forma un átomo de sustancia a partir de los elementos de formación que la componen, así<
Este calor de formación del enzoato de sodio es el calor de reacción estándar para la reacción para la misma sustancia es por tanto, la reacción en la que todos los reactivos elementales y el producto se encuentran en los estados estándar especi-cados. Para este caso, el calor deformación sería el calor de reacción estándar para reacción anterior<
Y de forma análoga se obtiene el valor de la energía de Gibbs de formación:
Para reacción general:
EQUILIBRIO Por definición, la constante de equilibrio será:
!ado que @N es una propiedad de la especie pura y en su estado estándar a presión -&a, depende 6nicamente a la temperatura, a pesar de esa dependencia, que e se llama la constante equilirio para reacción. 5eacomodando<
!onde ∆@N es la energía estándar de @is de la reacción, que esa diferencia entre las energías de @is de los productos y reactantes *ponderados por sus coe-cientes estequiom'tricos+ cuando cada uno esta en su estado estándar como una sustancia pura a la temperatura del sistema y a una
presión -&a. :sí el valor de ∆@N estándar es -&ado para una reacción dada, una vez que la temperatura se ha estalecido y es independiente de la presión y composición del equilirio. La constante equilirio a 2?N y una atmósfera, para reacción de inter's es<
3# CINETICA DE LA REACCIÓN &ECANIS&O PLANTEADO( El mecanismo, dadas las características de la reacción química, fue planteado por medio de hidrólisis alcalina, de forma similar a la saponi-cación.
)e supone< U 0 V )e van a calcular U 2 V )e van a calcular U 3 5ápida U D Lenta U ? 5ápida U B V U ? U = V )e van a calcular U A V )e van a calcular @ V M5J LnU
∆
Para simpli-car letras se areviaran los nomres de los compuestos de la siguiente forma !V acido enzoico V naoh*ac+ FVnaW*ac+ EVion
$gualando *0+ V *3+
Lo que esta rodeado entre paréntesis se llamara Θ Sacar una r e igualarla a las demás en las primeras ecuaciones
Por despee de las anteriores !c, la !c para velocidad de reacción es:
Balance en el reactor
Por talas<
%uiere decir que U A es muy grande alculo para cada una de las U<
Dia4rama de 5'6o ara el 7alance de materia
8. BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA BALANCES DE MATERIA R!"#$%&' (! )*$!$+$% ( !" "##$&: "valor obtenido en la termodinámica de la reacción# Para un sistema en fase liquida en su ma$oría como en este caso, el cambio de volumen es despreciable, por tanto se puede reescribir:
donde %& se refiere a un fluo molar 'efinimos entonces la conversión del (a)* como,
Por estequiometría $ reorgani+ando, se tiene finalmente:
Por medio de balances $ métodos iterativos se encuentra el valor de la conversión para una producción estimada de ben+oato de sodio este valor requiere una posterior comparación para saber si se austa al proceso planteado, esta comprobación es el total de agua al final de la reacción, que debe disolver el total del ben+oato de sodio formado $ el -idró.ido de sodio e.istente/ !sta relación se basa en las solubilidades: Solubilidad del -idró.ido de sodio en agua a 0123: 445/01 partes en 466 partes de agua Solubilidad del ben+oato de sodio en agua a 0123 : 70/1 partes en 466 partes de agua "!stos valores fueron obtenidos del manual del ingeniero químico, volumen 8 Pág/ 9 90#
Los valores obtenidos fueron:
T"&)* ( ($'%!*#$&
R'*!"(%':
R"#%: !l balance de materia en el reactor se reali+ara por balances elementales: Por matri+ elemental/
;l reducir esta matri+ se averigua si alg
!fectivamente uno de los balances elementales es dependiente/ Carbono
Hidrogeno
Oxigeno
Total Resultados
Centrifuga 1
Resultados
E*tractor(
5esultados
Evaporador
5esultados
ristalizador< se conoce la presión de vacio que es ? psia< Por comp< 1,B
