Asignación # 2: Balances de materia y especificación de equipos de la planta

NITROBENCENO GRUPO # 2 ASIGNACIÓN # 2

ALBIN F. AGUIRRE CARVAJAL NATALIA GONZALEZ JONATHAN OSPINO P. SARA M. TABORDA

Profesor: HEBERTO TAPÍAS.

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE ING. QUIMICA DISEÑO I

Grupo 2: Nitrobenceno NITROBENCENO

1. INFORMACIÓN DE ENTRADA

1.1. MERCADO DEL PRODUCTO 1.1.1. Calidad del producto/usos Calidad: Las especificaciones del nitrobenceno obtenido son como se muestra en la siguiente tabla: Componentes Nitrobenceno Agua Benceno Dinitrofenol Dinitrofenol

Contenido 99.86% 0.1281% < 25 ppm < 0.006%

Usos: El nitrobenceno cuenta con diferentes usos, pero el principal de ellos es como materia prima en la producción de anilina.

Los principales usos en Estados Unidos son: Producción de anilina en un 97% Solvente y síntesis de otros compuestos químicos en un 1,5% Producción de dinitrobenceno y dicloroanilinas en un 1% Otros en un 0,5% Los principales usos en Europa occidental son. Producción de anilina en un 95,41% Producción de ácido m-nitrobencenosulfónico en un 1,26% Producción de m-cloronitrobenceno en un 1,08% Producción de hidrazo-benceno en un 1% Producción de dinitrobenceno en un 1% Otros en un 0,25% 1.1.2. Área geográfica/países geográfica/países Se seleccionó un conjunto de países para los cuales se va a producir el nitrobenceno: Colombia Brasil Perú Uruguay Chile

2

Grupo 2: Nitrobenceno 1.2. CAPACIDAD DE LA PLANTA 1.2.1. Toneladas del producto comercial

Se producirán 85000 Ton/año de nitrobenceno grado químico con un porcentaje de pureza mínimo mínimo del del 98%. 1.3. TECNOLOGÍA SELECCIONADA DEL PROCESO 1.3.1. SPDF

1.3.2. Descripción del proceso

Se tiene alimentación fresca al proceso de benceno por la corriente (5), de acido nítrico al 60% wt por la corriente corriente (8) y de acido sulfúrico al 68,5% wt por la corriente (7), estos van a una batería de reactores (R1, R2, R3, R4), pero antes de llegar al sistema reaccionante, la corriente de benceno entra a un mezclador (M3) en el cual entra benceno recirculado por la corriente (32). El acido nítrico y el acido sulfúrico al igual que la corriente (17), recirculada con este ultimo acido entran a un mezclador (M4), luego al reactor (R1) entran la corriente (6) con un exceso del 10% mol de benceno y la corriente (9) con un contenido de acido nítrico en un 5,2% wt, de acido sulfúrico en un 62% wt y de agua en un 32,3% wt a una temperatura de 90°C. Los tiempos de reacción son pequeños, al igual que los volúmenes de los reactivos, de tal forma que se minimicen los peligros de explosión.

3

Grupo 2: Nitrobenceno En los reactores se presentan las siguientes reacciones:

Los productos obtenidos de la batería de reactores salen a 136°C y son llevados a un separador mecánico (S1) atreves de la corriente (13), este separador trabaja por gravedad, donde la fase acuosa sale por la corriente (15) y la fase orgánica por la corriente (14). La corriente (15) luego es llevada a un flash (T1), para concentrar el acido sulfúrico a un 68%wt y recircularlo en el proceso, la corriente (17) lleva el acido sulfúrico concentrado hasta el mezclador (M4), junto con trazas de acido nítrico, mononitrobenceno, dinitrofenol, trinitrofenol y benceno y la corriente (16) es llevada a un mezclador (M (M5) 5) junto con la corriente (14) de allí sale la corriente (18) que llega hasta el reactor (R5) para la neutralización de los ácidos donde también llega la corriente (21), ésta proviene de un mezclador con agua e hidróxido de sodio; en el reactor (R5) se producen las siguientes sales:

Luego a través de la corriente (22) que sale del reactor (R5) son llevados los productos a un separador (S2) donde se separan las sales por la corriente (24), la corriente (23) es llevada a un mezclador (M6) al igual que la corriente (25) que contiene agua, la corriente resultante de la mezcla; (26) entra a un separador (S3) del cual sale la corriente (28) con las sales diluidas y la corriente (27) que contiene el nitrobenceno junto con benceno, agua, dinitrofenol y trinitrofenol. La corriente corriente (27) es llevada a una torre de destilación (T2) donde se purifica el nitrobenceno que sale por el residuo a traves de la corriente (28) en un 99.86% wt y el benceno por el destilado a través de la corriente (31), esta corriente entra a un separador (S4) para lograr una separación de los compuestos aromáticos del agua y luego por la corriente (33) se recircula hasta el mezclador (M3), llevando esta corriente como principal componente al benceno y trazas se agua y mononitrobenceno .

4

Grupo 2: Nitrobenceno 1.4. DECISIONES SOBRE % DE PERDIDAS DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTO DEL PROCESO Materias Primas: se consideraran perdidas de materia prima globales no superiores al 2%.. Producto: se consideraran pérdidas de producto globales no superiores al 2%.

1.5. CALIDAD DE MATERIAS PRIMAS, PROVEEDOR Y PRECIO

BENCENO Calidad: 99,80% wt Impurezas: 0.2% de cenizas Proveedor: Ecopetrol S.A Precio: Precio: 500.00 USD por tonelada. 2008 ACIDO NITRICO Calidad: 70% wt Impurezas: 29.99% de H2O 0.01% de Fe Proveedor: Monómeros Colombo-venezolanos Precio: 380.00 USD por tonelada. 2008 ACIDO SULFURICO Calidad: 99.988% wt Impurezas: 0.003% de SO 2 0.003% de Se 0.001% de Pb 0.005% de Fe Proveedor: Monómeros Colombo-venezolanos Precio: 400.00 USD por tonelada. 2008 HIDROXIDO DE SODIO Calidad: 99-100% wt (solido) y 10-60% wt (acuoso) Proveedor: Belchen Precio: 270.00 USD por tonelada. 2008

1.6. TIPO DE OPERACIÓN BATCH/CONTINUA

La operación de la planta se va a realizar en continuo, debido a que el proceso de producción de nitrobenceno por medio de la nitración es un proceso muy exotérmico, por lo cual se hace necesario utilizar reactores de menor volumen que si se trabajara por lotes, disminuyendo así los posibles riesgos de explosión.

5

Grupo 2: Nitrobenceno

6

1.7. OPERACIÓN ANUAL HORAS/AÑO

Se va a definir un tiempo de trabajo para la planta de 335 días (8040 horas), en los que la planta operara en continuo continuo y se reservará un tiempo de 30 días (720 horas) , los cuales serán utilizados para el mantenimiento de la planta, reparación de equipos e instrumentos de control.

2. INFORMACIÓN DE SALIDA

2.1. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA PLANTA 2.1.1. Matriz de caracterización de corrientes de proceso Flujo (kg/h)

1

2

3

4

5

Ácido nítrico (HNO3) Benceno (C6H6) Ácido sulfúrico (H2SO4)

5547.2664 0.0000

0.0000 0.0000

0.0000 0.0000

0.0000 0.0000

0.0000 6894.0470

0.0000

0.0000

0.0000

491.1181

0.0000

Agua (H2O)

2377.3999

1320.7777

20674.6453

0.0000

0.0000

Nitrobenceno (C6H5NO2)

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

Dióxido de nitrógeno (NO2) Dinitrofenol (C6H4N2O5)

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

DNPONa

0.0000 0.0000

0.0000 0.0000

0.0000 0.000 0 0.0000 0.000 0

0.0000 0.0000

0.0000 0.0000

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000 0.000 0

0.0000

0.0000

7924.6663

1320.7777

20674.6453

491.1181

6894.0470

1 28 1 L

2 28 1 L

3 28 1 L

4 28 1 L

5 28 1 L

Trinitrofenol (C6H3N3O7)

TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL CONDICIONES Temperatura (°C) Presión (atm) Estado de agregación

Grupo 2: Nitrobenceno Flujo (kg/h) Ácido nítrico (HNO3) Benceno (C6H6)

6 0.0000 7562.9602 7562.9 602

7

8

0.0000 0.0000

Ácido sulfúrico (H2SO4)

0.0000

Agua (H2O) Nitrobenceno Nitrobenceno (C6H5NO2) Dióxido de nitrógeno (NO2) Dinitrofenol Dinitrofenol (C6H4N2O5) DNPONa Trinitrofenol (C6H3N3O7) (C6H3N3O7 ) TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL CONDICIONES CONDICIONES Temperatura (°C) Presión (atm) Estado de agregación

7

5547.2664 0.0000

9 5553.2799 0.0781

10 499.7952 1309.8316

491.1181

0.0000

66746.1536

66746.1536

1.8987

20674.6453

3698.1776

34494.4116

35939.9054

217.0789 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 7781.9378 6 29 1 L

0.0000

0.0000

0.0000 0.0000

0.0000 0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

21165.7634

9245.4440

7 28 1 L

8 45 1 L

14 0.0007 645.8857

15 27.7657 79.8551

11.6949 10087.7999 0.0002 1.3465 0.0000 2.4818 0.0000 0.0000 0.0000 0.2622 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 106805.6183 114587.5762 9 10 90 132 1 5.42 L L

Flujo (kg/h) Ácido nítrico (HNO3) Benceno (C6H6)

11

12

7.3779 16.2377

7.3041 16.1640

13 27.7664 725.7408


681.0832

681.0832

66746.1536

149.3400

66596.8136

Agua (H2O)

1997.2166

1997.2904

36074.7467

18.5212

36056.2256

Nitrobenceno (C6H5NO2) Dióxido de nitrógeno (NO2) Dinitrofenol (C6H4N2O5)

82.5696

82.6433

0.0295 0.0001

0.0295 0.0001

DNPONa

0.0000

0.0000

Trinitrofenol (C6H3N3O7)

0.0000

0.0000

TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

2784.5146

2784.5146

11 135 5.42 L

12 135.5 5.42 L

11008.6980 1.4722 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 114587.5781 13 136 5.42 L

TOTAL CONDICIONES CONDICIONES Temperatura (°C) Presión (atm) Estado de agregación

10605.8973 402.8007 0.5275 0.9447 2.7136 0.0000 0.0000 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11423.1728 103164.4053 14 15 50 50 1 1 L L


8

Flujo (kg/h) Ácido nítrico (HNO3) Benceno Benceno (C6H6)

16 21.7522 79.7770

17 6.0135 0.0781

18 21.7529 725.6627

19 0.0000 0.0000

20 0.0000 0.0000


341.7781

66255.0355

491.1181

0.0000

0.0000

Agua (H2O)

25934.6368

10121.5887

25953.1580

0.0000

456.9005

Nitrobenceno Nitrobenceno (C6H5NO2) Dióxido de nitrógeno nitrógeno (NO2) Dinitrofenol Dinitrofenol (C6H4N2O5)

391.1019 0.9445 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 26769.9905 16 190 1 V

11.6988 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 76394.4148 17 190 1 L

10996.9992 1.4720 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 38193.1633 18 50 1 L

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 456.9005 0.0000 0.0000 456.9005 19 28 1 L

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 456.9005 20 28 1 L

21 0.0000 0.0000 0.0000

22 0.0000 725.6627 0.0000

23 0.0000 701.9822 0.0000

24 0.0000 23.6805 0.0000

25 0.0000 0.0000 0.0000

Agua (H2O)

456.9005

26596.9193

59.4264

26537.4929

23487.3477

Nitrobenceno Nitrobenceno (C6H5NO2) Dióxido de nitrógeno (NO2) Dinitrofenol Dinitrofenol (C6H4N2O5)

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 456.9005 0.0000 0.0000 913.8010 21 42 1 L

10996.9992 1.4720 0.5427 2.4304 0.0000 0.3143 41.6544 711.6201 29.3491 39106.9643 22 50 1 L

10920.9383 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 11743.6738 23 50 1 L

76.0608 1.3579 0.0000 2.4304 0.0000 0.3143 38.4253 656.4542 27.0740 27363.2904 24 50 1 L

0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 23487.3477 25 28 1 L

DNPONa Trinitrofeno Trinitrofenoll (C6H3N3O7)

TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL CONDICIONES CONDICIONES Temperatura (°C) Presión (atm) Estado de agregación Flujo (kg/h) Ácido nítrico (HNO3) Benceno Benceno (C6H6) Ácido sulfúrico (H2SO4)

DNPONa Trinitrofenol (C6H3N3O7) (C6H3N3O7 )

TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL CONDICIONES CONDICIONES Temperatura (°C) Presión (atm) Estado de agregación


9

Flujo (kg/h) Ácido nítrico (HNO3) Benceno Benceno (C6H6)

26 0.0000 701.9822

27 0.0000 682.6639

28 0.0000 19.3183

29 0.0000 682.6639

30 0.0000 13.6533


0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

Agua (H2O)

23546.7740

57.3971

23489.3770

57.3971

0.0261


10920.9383 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 35231.0215 26 31 1 L

10859.6160 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11600.2197 27 50 1 L

61.3223 0.1141 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 23630.8018 28 50 1 L

10859.6160 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11600.2197 29 211.755 2.55 L-V

10642.4237 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 10656.6458 30 257.49 2.72 L

Flujo (kg/h) Ácido nítrico (HNO3) Benceno Benceno (C6H6) Ácido sulfúrico (H2SO4)

31 0.0000 669.0106 0.0000

32 0.0000 668.9132 0.0000

33 0.0000 0.0974 0.0000

Agua (H2O)

57.3710

1.8989

55.4721


217.1923 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 943.5740 31 49 2.04 L

217.1674 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 887.9795 32 50 1 L

0.0249 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 55.5945 33 50 1 L






2.2. DESCRIPCION DEL PROCESO 2.2.1. Diagrama de flujo del proceso (PFD)

El diagrama para la producción de nitrobenceno es tal como se muestra en la Fig. 1. 2.2.2. Descripción en prosa del proceso

Al proceso entra acido nítrico al 70% en peso por la corriente (1) y se mezcla con agua fresca que entra por la corriente (2); eestas stas líneas entran al mezclador M1 y salen por la corriente 8. Al mezclador M2 entran las corrientes 3 y 4, las cuales llevan agua y acido sulfúrico al 99.9% en peso respectivamente. Del mezclador M2 sale la corriente 7 la cual se mezcla con la corriente 8 y una corriente de recirculación 17 que lleva acido sulfúrico concentrado; todas estas mezclas entran al mezclador M4, del cual sale una corriente 9 que va directo al reactor R1. Al mezclador M3 entra la corriente 5 que lleva benceno al 99.98% en peso y la corriente 32 la cual está compuesta en su gran mayoría por benceno. De este sale la corriente 6 la cual entra a una unidad de acondicionamiento E1, que después desemboca al reactor R1. En el reactor R1, se lleva a cabo la reacción de nitración del benceno, obteniéndose una conversión del 91%, de este sale la corriente 10, la cual alimenta al reactor R2 donde se completa en parte la reacción que se dio en el reactor R1, de igual forma forma sucede con R3 y R4. En esta esta batería b atería de reactores reactores se llevan a cabo las siguientes reacciones:

Del reactor R4 sale la corriente 13 a una presión de 65 psi y una temperatura de 132 º C, la presión se reduce a 14,7 psi, dado que la corriente 13 entra a una válvula de expansión, después dicha corriente se acondiciona mediante el intercambiador E2, del cual sale al separador líquido-líquido S1, de él se desglosan dos corrientes: la 14 y la 15, la corriente 15 es rica en ácido sulfúrico y agua, mientras que la corriente 14 es rica en nitrobenceno y benceno.

10


Fig. 1. Diagrama para la producción de nitrobenceno

11


La corriente 15 es acondicionada por medio de un intercambiador de calor E4. Esta es llevada a la unidad de separación flash (T1), donde sale ácido sulfúrico concentrado por la línea 17, que es recirculada al mezclador M4, también sale la línea 16 que es acondicionada por el intercambiador E3, antes de ser recirculada al mezclador M5, junto con la corriente 14, de este mezclador sale la corriente 18 que ingresa a el reactor R5, al cual es es alimentado con hidróxido de sodio acuoso por la línea 21, en este se lleva a cabo la reacción de neutralización de los ácidos provenientes de la línea 18, los productos formados en esta unidad de reacción y demás, son llevados a la unidad de separación S2 por la corriente 22, de este separador liquido-liquido, salen las corrientes 23 y 24, la corriente 24 es rica en agua y sales disueltas y la corriente 23 es llevada aun mezclador M7 donde se carga agua con el fin de hacer un lavado, la corriente 26 que sale de M7 es acondicionada por el intercambiador E5, antes de ser llevada al separador líquido-líquido S3; cuando esta llega al separador líquido-líquido S3, salen dos corrientes, 27 y 28, la corriente 28 es rica en sales diluidas y agua mientras que la corriente 27 es rica en nitrobenceno y benceno, esta corriente entra a la bomba P1, la cual impulsa al fluido al acondicionador E6, del cual sale la corriente 29 que ingresa a una torre de destilación T2, donde se rectifica el nitrobenceno, el cual sale por la cola que corresponde a la línea 30, por el destilado sale la corriente 31 que es rica en benceno benceno y agua, esta corriente entra a un separador liquido-liquido S4 donde el benceno sale por la línea 32 y es recirculada al mezclador M3, de este también sale la corriente 33, la cual está compuesta en su mayoría por agua. 2.3. DESCRIPCION DE FUNCIONES DE LOS EQUIPOS M1: Unidad de de mezclado que recibe recibe a la corriente corriente (1) con acido acido nítrico fresco fresco y a la corriente (2) con agua para diluir el acido nítrico que entra a un 70% wt y es llevado a un 60% wt M2: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (3) con agua y a la corriente (4) con acido sulfúrico fresco para diluirlo de 99.988% wt hasta un 68.5% wt M3: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (5) con benceno con una calidad del 99.80%wt y a la corriente (32) con benceno como componente principal que proviene de la recirculación, de tal forma que haya un exceso de benceno del 10% mol con respecto al acido nítrico. M4: Unidad de mezclado que recibe a las corrientes (7) y (8) con acido sulfúrico y acido nítrico respectivamente y a la corriente (17) con acido sulfúrico como componente principal que proviene de una recirculación, para obtener una mezcla previa de ácidos antes de entrar a los reactores y ponerse en contacto con el benceno. S1: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de una mezcla inmiscible de la corriente corriente (13) en una corriente de fase orgánica (14) la cual contiene el producto de interés y una corriente de fase acuosa (15) en la cual su mayor componente es el acido sulfúrico que cumple la función de catalizador en el proceso y será recirculado. M5: Unidad de mezclado que recibe a las corrientes (14) que contiene la fase orgánica que sale del separador S1 y (16) que viene del flash T1 con el componente de interés y con acido nítrico y sulfúrico para luego ser neutralizados.

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Grupo 2: Nitrobenceno M6: Unidad de mezclado que recibe a las corrientes (19) y (20) que contienen hidróxido de sodio y agua fresca respectivamente, para obtener el hidróxido de sodio acuoso y llevarlo a través de la corriente (21) al reactor (R5). S2: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de la corriente (22) la cual contiene sales provenientes del reactor (R5), separando la fase acuosa por la corriente (24) que contiene las sales y la fase orgánica por la corriente (23) con el producto de interés. M7: Unidad de mezclado que recibe a la corriente (23) proveniente del proceso con sales y a la corriente (25) con agua fresca para disolver las sales que se han producido en el reactor (R5). S3: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de la mezcla que contiene sales diluidas en la corriente (26) y que separa la fase orgánica que contiene el nitrobenceno, compuesto de interés por la corriente (27), de la fase acuosa con las sales diluidas por la corriente (28). S4: Unidad de separación mecánica liquido-liquido de la corriente (31) proveniente de la torre de destilación, para separar la fase acuosa por la corriente corriente (33) con c on agua y la fase orgánica por la corriente (32) con el benceno como el componente en mayor proporción para recircularlo al proceso.

Reactores: La planta de nitrobenceno consta de 4 reactores tipo cstr, los cuales poseen sus respectivos respectivos sistemas de agitación. R1, Reactor: Reactor de tanque agitado que opera a 131 ªC y a 4.42 atmósferas en forma; es la primera unidad de reacción del proceso, al cual ingresan las corrientes 6 y 9. La corriente 6 es una mezcla liquida que contiene benceno. La corriente 9 es una mezcla líquida de ácidos que contiene ácido sulfúrico, nítrico y agua, estos entra a una temperatura de 90ªC; cuando estas entran al reactor se lleva a cabo la rxn de nitración, la cual es exotérmica, por lo cual se utiliza una chaqueta de refrigeracion para mantener la temperatura en un valor deseado 135ª C. En este reactor se alcanza una conversión del 91 %. R2, R3 Y R4 Reactores: Los reactores R2, R3 y R4 son análogos al reactor R1. Son de tipo cstr y operan a temperaturas de 132, 135.5, 136 ºC, respectivamente; en cada uno de ellos se alcanzan conversiones de 98%, 99% y 99.5% respectivamente.

Intercambiadores de calor: En la planta hay seis intercambiadores de calor, (E1, E2, E3, E4, E5, E6) los cuales se emplean para acondicionar las corrientes.

13

Grupo 2: Nitrobenceno E1: Eleva la temperatura de 29 ºC hasta los 90ºC E2: Baja la temperatura desde 136º C hasta 50º C E3: Baja la temperatura de 190 ºC hasta los 50ºC E4: Eleva la temperatura de 50 ºC hasta los 190ºC E5: Baja la temperatura desde 50º C hasta 29º C E6: Eleva la temperatura de 29 ºC hasta los 163ºC

3. PROCESO DE GENERACION DE INFORMACIÓN DE SALIDA 3.1. INFORMACIÓN SOBRE REACTORES 3.1.1. Reacciones

REACCIÓN PRINCIPAL 1. Nitración del benceno

La reacción de nuestro interés, corresponde a la nitración del benceno por medio del uso de una mezcla de ácidos (ácido sulfúrico, ácido nítrico y agua).

REACCIONES COLATERALES La formación de subproductos se debe fundamentalmente a reacciones de formación, como: 2. Formación de Dinitrofenol (DNP)

14

Grupo 2: Nitrobenceno 3.

Formación de Trinitrofenol (TNP)

El dinitrofenol se favorecerá a una temperatura superior a 80°C OTRAS REACCIONES EN EL PROCESO En el proceso se presentan reacciones de neutralización para los compuestos de carácter ácido que acompañan al nitrobenceno obtenido de la batería de reactores (nitrobenceno crudo), tales como ácido nítrico, ácido sulfúrico, dinitrofenol y trinitrofenol, utilizando una base fuerte, en nuestro caso el hidróxido de sodio. Tal como se muestra en las siguientes reacciones: Neutralización del ácido nítrico

Neutralización del ácido sulfúrico

Neutralización del Dinitrofenol

Neutralización del trinitrofenol

3.1.2. Condición de operación de los reactores 3.1.2.1. Proporción en que se alimentan los reactivos

En el caso de la batería de reactores (R1-R4), se alimentará con: (1) una mezcla de ácidos (5.2% p/p de acido nítrico, 62.5% p/p de ácido sulfúrico y 32.3% p/p de agua) y (2) benceno, el cual se alimenta con un 10% en exceso, molar estequiométrico. Para el caso de la neutralización de los ácidos (reactor R5), se alimentará una solución de hidróxido de sodio (50%p/p) en un 10% en exceso, molar estequiométrico, con respecto a los reactivos presentes (ácido sulfúrico, ácido nítrico, DNP y TNP).

15

Grupo 2: Nitrobenceno 3.1.2.2. Temperatura y presión de operación Reactor R1 R2 R3 R4 R5

Condiciones de operación de los reactores Temperatura Tempera tura (°C) Presion (psig) 132 65 135 65 135.5 65 136 65 50 0

3.1.3. Tipo de reactor

Todos los reactores a utilizar serán CSTR. 3.1.4. Naturaleza del catalizador

El catalizador será el acido sulfúrico, un ácido inorgánico fuerte, el cual entrará a la batería de reactores, en una mezcla de ácidos, en la cual tiene una concentración del 62.5% p/p. 3.1.5. Conversiones Reactor R1 R2 R3 R4 R5

% conversión 91 98 99 99.5 100

3.1.6. Selectividad y rendimiento

Las selectividades para el caso del sistema de reacciones (R1-R4) se muestran en la siguiente tabla: Producto Nitrobenceno DNP TNP TOTAL

% Selectividad 99.926 0.06726 7.1382x10-3 100

3.2. TIPO DE OPERACIONES UNITARIAS QUE APARECEN EN EL SPFD

En el diagrama se pueden observar equipos para transferencia de masa, de calor y de momentum, especificando cada operación se presenta lo siguiente: TRANSFERENCIA DE MASA Torre de destilación en una etapa (flash): T1

16

Grupo 2: Nitrobenceno Torre de destilación: T2 TRANSFERENCIA DE CALOR Intercambiadores de calor (calentadores y refrigeradores): E1,E2,E3,E4,E5,E6 TRANSFERENCIA DE MOMENTUM Sistema de bombeo: P1 Sistema de mezclado: M1, M2, M3,M4,M5 Separación mecánica: mecánica: S1, S2, S3 S3

3.3. SECUENCIA DE CALCULOS 3.3.1. ESTIMACIÓN DE MATERIAS PRIMAS

Se desean producir 85000 ton/año de nitrobenceno 98% en peso (como mínimo), luego el nitrobenceno (MNB) puro que se necesita obtener está dado por:

Considerando pérdidas globales de producto del 2%, se calcula el total de nitrobenceno, tal que se cubran las pérdidas planteadas, así:

Luego, se calcula el ácido nítrico (nuestro reactivo limitante) consumido para producir los 10572.1393 kg/h de nitrobenceno, así:

Considerando pérdidas globales de materia prima del 2% y la conversión neta en la batería de reactores del 99.5% respecto al ácido nítrico, se calcula el ácido nítrico puro alimentado al proceso:

17

Grupo 2: Nitrobenceno 3.3.2

MEMORIAS DE CALCULO DE LA PENÚLTIMA ITERACIÓN

3.3.2.1 Balance de materia en la batería batería de reactores R1-R4 CORRIENTES DE ENTRADA

CORRIENTE 9: T = 90 ºC, P= 14.7 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---

Componente NITRIC ACID BENZENE SULFURIC ACID WATER MNB NO2 DNP DNPONa TNP TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL

% wt 5.1994 0.0001 62.4931 32.2964 0.0110 1.8726 x10-7 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 88.1473 0.0010 681.0832 1916.3562 0.0951 4.3478x10-6 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2685.6828

Fi, kg/h 5553.2799 0.0784 66746.1536 34494.4116 11.6959 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 106805.6197

CORRIENTE 6: T = 29 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 97.1873 0.0000 0.0802 2.7325 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 96.9610 0.0000 0.3469 1.7287 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 99.0367

Fi, kg/h 0.0000 7562.9599 0.0000 6.2438 212.6360 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 7781.8397

18

Grupo 2: Nitrobenceno MODELO MATEMATICO

NOTACIÓN

Reacciones Nitración del benceno

Formación de Dinitrofenol (DNP)

Formación de Trinitrofenol (TNP)

Balance de reactivos

19

Grupo 2: Nitrobenceno Balance de productos

Balance de inertes

CORRIENTES DE SALIDA

CORRIENTE 13: T = 136 ºC, P = 65 psig, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0242 0.6334 58.2491 31.4861 9.6034 0.0013 0.0024 0.0000 0.0003 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.4407 9.3044 681.0832 2004.3940 89.4655 0.0320 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.7358

Fi, kg/h 27.7664 725.7408 66746.1536 36079.0918 11004.2562 1.4722 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 114587.4814

20

Grupo 2: Nitrobenceno 3.3.2.2 Balance de materia en el separador líquido-líquido S1 CORRIENTES DE ENTRADA

CORRIENTE 13’: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123

46 184 206 229 251 40 142 85 ---

Componente

% wt

Ni, kgmol/h

Fi, kg/h

NITRIC ACID BENZENE SULFURIC ACID WATER MNB NITROGEN DIOXIDE DNP DNPONa TNP TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL

0.0242 0.6334 58.2491 31.4861 9.6034

0.4407 9.3044 681.0832 2004.3940 89.4655

27.7664 725.7408 66746.1536 36079.0918 11004.2562

0.0013

0.0320

1.4722

0.0024 0.0000 0.0003 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.7358

2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 114587.4814

MODELO MATEMATICO

Balance global

Balance para un componente i

21

Grupo 2: Nitrobenceno Criterio de equilibrio de fases para un componente i

De las ecuaciones anteriores se obtiene:

Luego, a una presión fija se busca la temperatura (T
siguiente ecuación:


CORRIENTE 14: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 5.6561 1.3077 0.1621 92.8431 0.0046 0.0238 0.0000 0.0025 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.2803 1.5238 1.0286 86.1913 0.0115 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 97.0514

Fi, kg/h 0.0007 645.8596 149.3286 18.5147 10601.5302 0.5274 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11418.7615

22

Grupo 2: Nitrobenceno CORRIENTE 15: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0269 0.0774 64.5514 34.9530 0.3904 0.0009 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.4407 1.0241 679.5594 2003.3654 3.2742 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2687.6844

Fi, kg/h 27.7657 79.8812 66596.8250 36060.5772 402.7260 0.9448 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 103168.7199

3.3.2.3 Balance de materia materia en el flash flash T1 CORRIENTES DE ENTRADA CORRIENTE 15’: T = 190 ºC, P = 14.7 psi, ESTADO: L-V Peso molecular Componente % wt Ni, kgmol/h 0.0269 0.4407 63 NITRIC ACID 0.0774 1.0241 78 BENZENE 64.5514 679.5594 98 SULFURIC ACID 34.9530 2003.3654 18 WATER 0.3904 3.2742 123 MNB NO2 0.0009 0.0205 46 0.0000 0.0000 184 DNP 0.0000 0.0000 206 DNPONa 0.0000 0.0000 229 TNP 0.0000 0.0000 251 TNPONa 0.0000 0.0000 40 NaOH 0.0000 0.0000 142 Na2SO4 0.0000 0.0000 85 NaNO3 100.0000 2687.6844 --TOTAL

Fi, kg/h 27.7657 79.8812 66596.8250 36060.5772 402.7260 0.9448 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 103168.7199

23


Balance global


Criterio de equilibrio de fases para un componente i


Luego, a una presión fija se busca la temperatura que dé como resultado la separación que se necesita. Para esta unidad se uso el modelo termodinámico XXX, en PRO II. Cuando se fija fija una temperatura temperatura se debe buscar una raíz raíz , tal que 0< <1 y que además además satisfaga la la siguiente ecuación:

24



CORRIENTE 16: T = 190 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: V Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0812 0.2981 1.2767 96.8800 1.4605 0.0035 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 1.0231 3.4881 1441.0549 3.1791 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1449.1111

Fi, kg/h 21.7528 79.8031 341.8352 25938.9886 391.0311 0.9446 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 26774.3554



% wt 0.0079 0.0001 86.7276 13.2491 0.0153 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0954 0.0010 676.0713 562.3105 0.0951 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1238.5733

Fi, kg/h 6.0129 0.0781 66254.9899 10121.5886 11.6949 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 76394.3645

25

Grupo 2: Nitrobenceno 3.3.2.4 Balance de materia en el mezclador M5 CORRIENTES DE ENTRADA

CORRIENTE 14: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123

Componente

% wt

Ni, kgmol/h

Fi, kg/h

NITRIC ACID BENZENE SULFURIC ACID WATER MNB

0.0000 5.6561 1.3077 0.1621 92.8431

0.0000 8.2803 1.5238 1.0286 86.1913

0.0007 645.8596 149.3286 18.5147 10601.5302

46

NO2

0.0046

0.0115

0.5274

184 206 229 251 40 142 85 ---

DNP DNPONa TNP TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL

0.0238 0.0000 0.0025 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 97.0514

2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11418.7615

CORRIENTE 16’: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0812 0.2981 1.2767 96.8800 1.4605 0.0035 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 1.0231 3.4881 1441.0549 3.1791 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1449.1111

Fi, kg/h 21.7528 79.8031 341.8352 25938.9886 391.0311 0.9446 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 26774.3554

26


Balance global

Balance para cualquier componente i

Ó




% wt 0.0570 1.9000 1.2860 67.9638 28.7815 0.0039 0.0071 0.0000 0.0008 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 9.3034 5.0119 1442.0835 89.3704 0.0320 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1546.1625

Fi, kg/h 21.7535 725.6627 491.1637 25957.5032 10992.5613 1.4720 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 38193.1168

27

Grupo 2: Nitrobenceno 3.3.2.5 Balance de materia en el reactor R5 CORRIENTES DE ENTRADA

CORRIENTE 18: T = 50 ºC, P= 14.7 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0570 1.9000 1.2860 67.9638 28.7815 0.0039 0.0071 0.0000 0.0008 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 9.3034 5.0119 1442.0835 89.3704 0.0320 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1546.1625

Fi, kg/h 21.7535 725.6627 491.1637 25957.5032 10992.5613 1.4720 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 38193.1168

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 25.3857 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11.4235 0.0000 0.0000 36.8092

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 0.0000 456.9419 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 456.9419 0.0000 0.0000 913.8838

CORRIENTE 21: T = 28 ºC, P = 14.7 psi Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 0.0000 0.0000 50.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 50.0000 0.0000 0.0000 100.0000

28


Reacciones Neutralización del ácido nítrico Neutralización del ácido sulfúrico Neutralización del Dinitrofenol Neutralización del trinitrofenol

Balance de reactivos

Donde,

Balance de productos

29


Balance de inertes


CORRIENTE 22: T = 50 ºC, P = 14.7 psia Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 1.8556 0.0000 68.0219 28.1089 0.0038 0.0014 0.0062 0.0000 0.0008 0.1065 1.8198 0.0751 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 9.3034 0.0000 1477.8513 89.3704 0.0320 0.0029 0.0118 0.0000 0.0013 1.0415 5.0119 0.3453 1582.9717

Fi, kg/h 0.0000 725.6627 0.0000 26601.3228 10992.5613 1.4720 0.5427 2.4304 0.0000 0.3143 41.6582 711.6862 29.3500 39107.0007

30




% wt 0.0000 1.8556 0.0000 68.0219 28.1089 0.0038 0.0014 0.0062 0.0000 0.0008 0.1065 1.8198 0.0751 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 9.3034 0.0000 1477.8513 89.3704 0.0320 0.0029 0.0118 0.0000 0.0013 1.0415 5.0119 0.3453 1582.9717

Fi, kg/h 0.0000 725.6627 0.0000 26601.3228 10992.5613 1.4720 0.5427 2.4304 0.0000 0.3143 41.6582 711.6862 29.3500 39107.0007

MODELO MATEMATICO

Balance global



31







% wt 0.0000 0.0866 0.0000 96.9822 0.2780 0.0050 0.0000 0.0089 0.0000 0.0011 0.1404 2.3990 0.0989 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.3038 0.0000 1474.5510 0.6185 0.0295 0.0000 0.0118 0.0000 0.0013 0.9608 4.6235 0.3185 1481.4187

Fi, kg/h 0.0000 23.6951 0.0000 26541.9185 76.0707 1.3579 0.0000 2.4304 0.0000 0.3143 38.4303 656.5438 27.0758 27367.8369

32

Grupo 2: Nitrobenceno CORRIENTE 23: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Componente NITRIC ACID BENZENE SULFURIC ACID WATER MNB NO2 DNP DNPONa TNP TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL

% wt 0.0000 5.9797 0.0000 0.5060 92.9921 0.0010 0.0046 0.0000 0.0000 0.0000 0.0275 0.4697 0.0194 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9996 0.0000 3.3002 88.7520 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3883 0.0268 101.5530

Fi, kg/h 0.0000 701.9676 0.0000 59.4044 10916.4906 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2278 55.1424 2.2741 11739.1638

3.3.2.7 Balance de materia en el mezclador mezclador M7 CORRIENTES DE ENTRADA

CORRIENTE 23: T = 50 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Componente NITRIC ACID BENZENE SULFURIC ACID WATER MNB NO2 DNP DNPONa TNP TNPONa NaOH Na2SO4 NaNO3 TOTAL

% wt 0.0000 5.9797 0.0000 0.5060 92.9921 0.0010 0.0046 0.0000 0.0000 0.0000 0.0275 0.4697 0.0194 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9996 0.0000 3.3002 88.7520 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3883 0.0268 101.5530

Fi, kg/h 0.0000 701.9676 0.0000 59.4044 10916.4906 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2278 55.1424 2.2741 11739.1638

33




% wt 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 1304.3515 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1304.3515

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 0.0000 23478.3275 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 23478.3275

MODELO MATEMATICO

Balance global

Balance para cualquier componente i

Ó

34





% wt 0.0000 1.9932 0.0000 66.8353 30.9974 0.0003 0.0015 0.0000 0.0000 0.0000 0.0092 0.1566 0.0065 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9996 0.0000 1307.6518 88.7520 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3883 0.0268 1405.9045

Fi, kg/h 0.0000 701.9676 0.0000 23537.7319 10916.4906 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2278 55.1424 2.2741 35217.4913

3.3.2.8 Balance de materia en el separador líquido-líquido S3 CORRIENTES DE ENTRADA



% wt 0.0000 1.9932 0.0000 66.8353 30.9974 0.0003 0.0015 0.0000 0.0000 0.0000 0.0092 0.1566 0.0065 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9996 0.0000 1307.6518 88.7520 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3883 0.0268 1405.9045

Fi, kg/h 0.0000 701.9676 0.0000 23537.7319 10916.4906 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2278 55.1424 2.2741 35217.4913

35


MODELO MATEMATICO

Balance global





36

Grupo 2: Nitrobenceno CORRIENTES DE SALIDA



% wt 0.0000 5.8871 0.0000 0.4948 93.6135 0.0000 0.0047 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.7519 0.0000 3.1875 88.2536 0.0000 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.1959

Fi, kg/h 0.0000 682.6479 0.0000 57.3755 10855.1869 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11595.7531



% wt 0.0000 0.0818 0.0000 99.4015 0.2595 0.0005 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0137 0.2334 0.0096 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.2477 0.0000 1304.4642 0.4984 0.0025 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3883 0.0268 1305.7086

Fi, kg/h 0.0000 19.3197 0.0000 23480.3564 61.3037 0.1141 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 3.2278 55.1424 2.2741 23621.7382

37

Grupo 2: Nitrobenceno 3.3.2.9 Balance de materia en la torre de destilación destilación T2

A continuación se mostrara el algoritmo utilizado para realizar los balances de masa en la torrre de destilación. 1) Se calculo para la alimentación “corriente de entrada”, la tempe ratura de burbuja y de rocio

Nota: El modelo termodinamico usado en los calculos es uniquac, puesto que se modelara una mezcla polar altamente no ideal. El artículo de la universidad de Alicante [1] sugiere trabajar con un modelo de coeficiente de actividad. Sustancia BENCENO (C6H6) AGUA (H2O) NITROBENCENO (C6H5NO2) DINITROFENOL (C6H4N2O5) Total

Corriente 29 Flujo (kmol/h) 8.75189615 3.18752778

Fracción mol 0.08734783 0.03181295

Flujo (kg/h) 682.6479 57.3755

88.253552

0.8808098

10855.1869

0.00294785 100.195924

2.9421E-05 1

0.5427 11595.753

395.21 478.55

Temperatura de burbuja (K) Temperatura Temperatura de rocio (K) 2)

Especificación de la alimentación: como primera estimación se eligio una temperatura de (T = 436.80K) la cual se encuentra entre la de rocio y la de burbuja. Esta estimacion se hizo con el fin de evitar que la alimentación entrara a la torre como un liquido subenfriado ver corriente 29.

Ahora se organizaran los compuestos en orden de volatilidad decreciente con el fin de escoger de forma correcta los componentes clave ligero y clave pesado. Datos del flash hecho en pro II a una temperatura temperatu ra de T = 436.80K, presión de P=14.7 psi y a la composicion de entrada.

Sustancia

Alimentación (kmol/h) 3.18752778

AGUA (H2O) BENCENO 8.75189615 (C6H6) NITROBENCENO 88.253552 (C6H5NO2) DINITROFENOL 0.00294785 (C6H4N2O5) 100.195924 Total Nota: N.D significa no definido.

Fracción molar Coeficientes (zF) de reparto 0.03181295 38.0547

Volatilidades

0.08734783

7.4139

25.6224

0.8808098

0.2894

1.0000

2.9421E-05

N.D

N.D

1

131.5168

38

Grupo 2: Nitrobenceno Debido a que los software utilizados (Aspen, Pro II, Chemcad ) no poseen datos del dinitrofenol, ni tampoco la enciclopedia Dechema, se buscaron compuestos analogos “parecidos” a este, tales

como: (dinitrotolueno, dinitrobenceno) , pero sus propiedades fisicoquímicas son muy diferentes (entalpía de vaporización, punto de ebullición, punto de fusión, densidad, entre otras), por tal razón se analizó el peso molecular y a la arquitectura de la molécula este compuesto y se asumio que este es más pesado que el clave pesado, por ende, como una primera estimación consideramos que todo lo que entra a la alimentación del dinitrofenol, sale por las colas (sugerencia: profesor Heberto Tapias). 3)

Especificación de los componentes claves y el grado de separación de estos.

Componentes clave: Clave ligero (Benceno): 98 % de la alimentacion por el destilado. lk : 0.98

Dlk

F lk

Flujo del componente clave ligero en el destilado.

lk

Donde lk

: Grado _ de _ separacion_ del de l _ componente_ clave _ ligero

Blk

F lk

Dlk

Flujo del componente clave ligero por los fondos.

Clave pesado (nitrobenceno): 98 % de la alimentacion por los fondos hk : 0.98

Bhk

F hk

Donde

hk

hk

Dhk

Flujo del componente clave pesado en el residuo o fondos

de l _ componente_ clave _ pesado : Grado _ de _ separacion_ del

F hk

Bhk

Flujo del componente clave pesado en el destilado.

Componentes claves

Benceno Benceno Nitrobenceno Nitrobenceno

Alimentación (kmol/h) 8.75189615 88.253552

Destilado (kmol/h) 8.576858 1.765071

Fondos (kmol/h)

0.17504 86.48848

Este grado de separación se define con el objetivo de obener la pureza que requiere el nitrobenceno. 4)

Estimar las separaciones de los componentes no clave.

Para realizar una primera aproximación de como se da la separación de los componentes no claves atraves de la torre, se emplea la ecuación de Hengstebeck-Geddes. Hengstebeck -Geddes. El primer paso consiste en hallar los coeficientes de distribución (k i) y la volatilidad relativa relativa de todos los componentes (α), a las cond iciones de entrada: k i k hk

39

Grupo 2: Nitrobenceno yi

k i

Sustancia BENCENO (C6H6) AGUA (H2O) NITROBENCENO (C6H5NO2) DINITROFENOL (C6H4N2O5)

xi

Xi

Yi

Ki

Volatilidad

0.0575

0.4263

7.4139

25.6224

0.0080

0.3033

38.0547

131.5168

0.9345

0.2704

0.2894

1.0000

N.D

N.D

N.D

N.D

El segundo paso consiste en calcular los flujos de salida de los componentes no clave con la ecuación de Hengstebeck-Geddes:

log

di

a * log

bi

i

b

El factor “b” se determina aplicando la ecuación anterior al compuesto clave pesado, puesto que el

logaritmo de su volatilidad es cero y de esta forma la ecuacion queda en terminos de variables conocidas.

log

di

b

bi

Ahora se determinara el factor “a” aplicando la ecuacion de Hengstebeck -Geddes al componente

clave ligero.

log a

di

b

bi

log

Factores a y b a b 2.3998 -1.6902

i

Determinación de los flujos de salida de los componentes no clave: d i a log i b f i d i b i 10 ; bi Combinando las ecuaciones anteriores se tiene:

di

f i *10 10

a log

a log

b

i i

b

; bi

f i

di

40


Sustancia BENCENO (C6H6) AGUA (H2O) NITROBENCENO NITROBENCENO (C6H5NO2) DINITROFENOL DINITROFENOL (C6H4N2O5) Total

Flujos de salida de los no claves (kmol/h) di/bi di bi 48.999 8.576858 0.17504 2124.866 3.1873 0.0015 0.020408 1.765071 86.48848 N.D 0 0.00294785 13.52923 86.66797

Nota: La ecuación de Hengstebeck-Geddes no se aplico al dinitrofenol, la cantidad de bi es la misma cantidad que entro a la alimentación. 5)

Para determinar la presión y el tipo de condensador se desarrollo el siguiente algoritmo:

Realizando un flash isotermico al destilado en pro II a una temperatura de 120 ºF y en su punto de burbuja se estimo la presión de burbuja. Presión de burbuja (Psi) Presión en el destilado destilado (Psi) Temperatura del destilado (K) Tipo de condensador

10.79 30 120 Total

Asumiendo una caida de presión en el condensador de 5 Psi y en la columna de 10 Psi y considerando que la alimentación se encuentra justamente en la mitad de la torre se tiene que: PAlimentación = PD + 7.5psia y PFondos = PD +10 psia

41


Presión en la alimentación alimentación (Psi) Presión en los fondos (Psi) 6)

30 40

Se aplica un flash adiabatico al flujo de entrada de la torre, a la presión que se determino PAlimentación= 37.5 psia para el alimento; esto se hizo con el fin de verificar que el orden de volatilidades no hubiese cambiado.

Esta iteración se hace desde el numeral 1 hasta el numeral 6. Se lleva a cabo hasta que la presión calculada en el destilado no varie. Sustancias BENCENO (C6H6) AGUA (H2O) NITROBENCENO (C6H5NO2) DINITROFENOL (C6H4N2O5) Total

di 8.576858 3.1873

bi 0.17504 0.0015

1.765071

86.48848

0

0.00294785

13.52923

86.66797

Mediante el software Pro II se corrio un flash adiabatico con las composiciones y la presión de los fondos y se estimo la temperatura de burbuja; burbuja ; esta debe ser menor a las temperaturas criticas de los compuestos que hay en el fondo. Tburbuja = 530.49 K Sustancias Temperaturas críticas (K) BENCENO 562 (C6H6) AGUA (H2O) 647 NITROBENCENO 719 (C6H5NO2) DINITROFENOL 780 (C6H4N2O5) De lo anterior se concluye que todos los compuestos estan por debajo de la temperatura critica 7)

A continuación se calculara la distribucion de volatilidad del componente clave ligero atraves de la torre, si esta da mayor al 15% se utiliza la correlación de Win para estimar el número mínimo de etapas, si da menor al 15% se utiliza la correlación de fenske. i, d

i, b

*100%

49.2822%

i, d

Con base en el cálculo anterior, se estimara el número mínimo de etapas con la ecuación de Win.

42

Grupo 2: Nitrobenceno La ecuación anterior contiene dos parámetros empíricos, los cuales se estimaron aplicando la ecuación a los componentes claves.

Resolviendo el anterior sistema de ecuaciones se tiene: 11,7760 0,6258 Ahora que se han estimado los parámetros para la ecuación de Winn se tiene:

8)

Ahora teniendo el número mínimo de etapas podemos recalcular la distribución de los componentes no claves, y comparar estos resultados con la distribución arrojada por Hengstebeck-Geddes. f i di 1 i,r b r i ,r B 1

dr

D N min

i, r

f i

bi

N min

1 i ,r

br dr

i, r

B D

B

bi i

D

di i

1

i ,r

43


Sustancias BENCENO (C6H6) AGUA (H2O) NITROBENCENO (C6H5NO2) DINITROFENOL (C6H4N2O5) Total

di

bi

8.5771

0.1750

3.1873

0.00148

1.7658

86.5238

0

0.00294785

13.53

86.703

Como puede verse, la diferencia entre los flujos calculados es de 0.00. Por lo tanto, se tiene que los flujos de salida de la torre: destilado y fondo son: Destilado

Fondos

Corriente 31 Flujo(kg/h) 669.0138 57.3714

Corriente 30 Flujo(kg/h) 13.65 0.02664

Composición destilado destilado en en peso Corriente 31 Flujo(kg/h) 0.70901756 0.06080193

217.1934

10642.4274

0.23018051

0.99866568

0

0.54269919

0

5.0926E-05

943.5786

10652.6467

1

1

Sustancia

BENCENO (C6H6) AGUA (H2O) NITROBENCENO (C6H5NO2) DINITROFENOL (C6H4N2O5) Total

Composición fondo en peso Corriente 30 Flujo(kg/h) 0.00128089 2.4998E-06

Obteniendo por el destilado, un producto de una pureza de: %Pureza = 10642.4274 kg NB * 100 % = 99.90 % en peso 10652.6467kg producto De lo anterior podemos concluir que las especificaciones de la torre cumplen con los requerimientos del producto.

44


CORRIENTE 31: T = 48.89 ºC, P = 30 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 70.9096 0.0000 6.0787 23.0117 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.5769 0.0000 3.1861 1.7651 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 13.5280

Fi, kg/h 0.0000 668.9950 0.0000 57.3495 217.1037 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 943.4482

MODELO MATEMATICO

Balance global


45

Grupo 2: Nitrobenceno Criterio de equilibrio de fases para un componente i






% wt 0.0000 75.3369 0.0000 0.2138 24.4493 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.5756 0.0000 0.1055 1.7649 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 10.4460

Fi, kg/h 0.0000 668.8976 0.0000 1.8987 217.0789 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 887.8752

46



3.3.3


% wt 0.0000 0.1752 0.0000 99.7800 0.0448 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0012 0.0000 3.0806 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 3.0820

Fi, kg/h 0.0000 0.0974 0.0000 55.4508 0.0249 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 55.5730

RESULTADOS OBTENIDOS EN LA ÚLTIMA ITERACION



% wt 0.0000 97.1861 0.0000 0.0244 2.7895 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 96.9610 0.0000 0.1055 1.7649 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 98.8314

Fi, kg/h 0.0000 7562.9602 0.0000 1.8987 217.0789 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 7781.9378

47




% wt 5.1994 0.0001 62.4931 32.2964 0.0109 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 88.1473 0.0010 681.0832 1916.3562 0.0951 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2685.6828

Fi, kg/h 5553.2799 0.0781 66746.1536 34494.4116 11.6949 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 106805.6183



% wt 0.0242 0.6334 58.2490 31.4822 9.6072 0.0013 0.0024 0.0000 0.0003 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.4407 9.3044 681.0832 2004.1526 89.5016 0.0320 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.5305

Fi, kg/h 27.7664 725.7408 66746.1536 36074.7467 11008.6980 1.4722 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 114587.5781

48


CORRIENTE 13’: T = 50 ºC, P = 14.7 psig, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0242 0.6334 58.2490 31.4822 9.6072 0.0013 0.0024 0.0000 0.0003 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.4407 9.3044 681.0832 2004.1526 89.5016 0.0320 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.5305

Fi, kg/h 27.7664 725.7408 66746.1536 36074.7467 11008.6980 1.4722 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 114587.5781



% wt 0.0000 5.6542 1.3073 0.1621 92.8455 0.0046 0.0238 0.0000 0.0025 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.2806 1.5239 1.0290 86.2268 0.0115 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 97.0877

Fi, kg/h 0.0007 645.8857 149.3400 18.5212 10605.8973 0.5275 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11423.1728

49




% wt 0.0269 0.0774 64.5541 34.9503 0.3904 0.0009 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.4407 1.0238 679.5593 2003.1236 3.2748 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2687.4428

Fi, kg/h 27.7657 79.8551 66596.8136 36056.2256 402.8007 0.9447 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 103164.4053

CORRIENTE 15’: T = 190 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L-V Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0269 0.0774 64.5541 34.9503 0.3904 0.0009 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.4407 1.0238 679.5593 2003.1236 3.2748 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2687.4428

Fi, kg/h 27.7657 79.8551 66596.8136 36056.2256 402.8007 0.9447 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 103164.4053

50


CORRIENTE 16: T = 190 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: V Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0813 0.2980 1.2767 96.8795 1.4610 0.0035 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 1.0228 3.4875 1440.8132 3.1797 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1448.8690

Fi, kg/h 21.7522 79.7770 341.7781 25934.6368 391.1019 0.9445 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 26769.9905



% wt 0.0813 0.2980 1.2767 96.8795 1.4610 0.0035 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 1.0228 3.4875 1440.8132 3.1797 0.0205 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1448.8690

Fi, kg/h 21.7522 79.7770 341.7781 25934.6368 391.1019 0.9445 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 26769.9905

51




% wt 0.0079 0.0001 86.7276 13.2491 0.0153 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0955 0.0010 676.0718 562.3105 0.0951 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1238.5738

Fi, kg/h 6.0135 0.0781 66255.0355 10121.5887 11.6988 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 76394.4148



% wt 0.0570 1.9000 1.2859 67.9524 28.7931 0.0039 0.0071 0.0000 0.0008 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.3453 9.3034 5.0114 1441.8421 89.4065 0.0320 0.0147 0.0000 0.0013 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1545.9567

Fi, kg/h 21.7529 725.6627 491.1181 25953.1580 10996.9992 1.4720 2.7136 0.0000 0.2867 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 38193.1633

52




% wt 0.0000 0.0000 0.0000 50.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 50.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 25.3834 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11.4225 0.0000 0.0000 36.8059

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 0.0000 456.9005 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 456.9005 0.0000 0.0000 913.8010



% wt 0.0000 1.8556 0.0000 68.0107 28.1203 0.0038 0.0014 0.0062 0.0000 0.0008 0.1065 1.8197 0.0750 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 9.3034 0.0000 1477.6066 89.4065 0.0320 0.0029 0.0118 0.0000 0.0013 1.0414 5.0114 0.3453 1582.7625

Fi, kg/h 0.0000 725.6627 0.0000 26596.9193 10996.9992 1.4720 0.5427 2.4304 0.0000 0.3143 41.6544 711.6201 29.3491 39106.9643

53




% wt 0.0000 0.0865 0.0000 96.9821 0.2780 0.0050 0.0000 0.0089 0.0000 0.0011 0.1404 2.3990 0.0989 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.3036 0.0000 1474.3052 0.6184 0.0295 0.0000 0.0118 0.0000 0.0013 0.9606 4.6229 0.3185 1481.1718

Fi, kg/h 0.0000 23.6805 0.0000 26537.4929 76.0608 1.3579 0.0000 2.4304 0.0000 0.3143 38.4253 656.4542 27.0740 27363.2904



% wt 0.0000 5.9775 0.0000 0.5060 92.9942 0.0010 0.0046 0.0000 0.0000 0.0000 0.0275 0.4698 0.0194 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9998 0.0000 3.3015 88.7881 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3885 0.0268 101.5908

Fi, kg/h 0.0000 701.9822 0.0000 59.4264 10920.9383 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 11743.6738

54




% wt 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 1304.8526 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1304.8526

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 0.0000 23487.3477 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 23487.3477



% wt 0.0000 1.9925 0.0000 66.8353 30.9981 0.0003 0.0015 0.0000 0.0000 0.0000 0.0092 0.1566 0.0065 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9998 0.0000 1308.1541 88.7881 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3885 0.0268 1406.4434

Fi, kg/h 0.0000 701.9822 0.0000 23546.7740 10920.9383 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 35231.0215

55




% wt 0.0000 1.9925 0.0000 66.8353 30.9981 0.0003 0.0015 0.0000 0.0000 0.0000 0.0092 0.1566 0.0065 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.9998 0.0000 1308.1541 88.7881 0.0025 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3885 0.0268 1406.4434

Fi, kg/h 0.0000 701.9822 0.0000 23546.7740 10920.9383 0.1141 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 35231.0215



% wt 0.0000 5.8849 0.0000 0.4948 93.6156 0.0000 0.0047 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.7521 0.0000 3.1887 88.2896 0.0000 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.2333

Fi, kg/h 0.0000 682.6639 0.0000 57.3971 10859.6160 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11600.2197

56




% wt 0.0000 0.0818 0.0000 99.4015 0.2595 0.0005 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0137 0.2334 0.0096 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.2477 0.0000 1304.9654 0.4986 0.0025 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0807 0.3885 0.0268 1306.2101

Fi, kg/h 0.0000 19.3183 0.0000 23489.3770 61.3223 0.1141 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 3.2291 55.1659 2.2751 23630.8018

CORRIENTE 29: T = 211.755 ºC, P = 37.5 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 5.8849 0.0000 0.4948 93.6156 0.0000 0.0047 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.7521 0.0000 3.1887 88.2896 0.0000 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.2333

Fi, kg/h 0.0000 682.6639 0.0000 57.3971 10859.6160 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11600.2197

57




% wt 0.0000 0.1281 0.0000 0.0002 99.8665 0.0000 0.0051 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.1750 0.0000 0.0014 86.5238 0.0000 0.0029 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 86.7032

Fi, kg/h 0.0000 13.6533 0.0000 0.0261 10642.4237 0.0000 0.5427 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 10656.6458

CORRIENTE 31: T = 48.89 ºC, P = 30 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 70.9018 0.0000 6.0802 23.0180 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.5771 0.0000 3.1873 1.7658 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 13.5301

Fi, kg/h 0.0000 669.0106 0.0000 57.3710 217.1923 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 943.5740

58




% wt 0.0000 75.3298 0.0000 0.2138 24.4564 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.5758 0.0000 0.1055 1.7656 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 10.4469

Fi, kg/h 0.0000 668.9132 0.0000 1.8989 217.1674 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 887.9795



% wt 0.0000 0.1752 0.0000 99.7800 0.0448 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0012 0.0000 3.0818 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 3.0832

Fi, kg/h 0.0000 0.0974 0.0000 55.4721 0.0249 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 55.5945

Una vez cerrados los balances en los recirculaciones, se procede con el cálculo de las corrientes involucradas en la sección de preparación de materias primas y entre los reactores R1 a R4, corrientes 1-5, 7, 8,19, 20, 10-12, respectivamente. Los resultados son tal como se muestran a continuación:

59

Grupo 2: Nitrobenceno 3.4.1

Balance de materia en el mezclador M1 CORRIENTES DE ENTRADA



% wt 70.0000 0.0000 0.0000 30.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 88.0518 0.0000 0.0000 132.0778 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 220.1296

Fi, kg/h 5547.2664 0.0000 0.0000 2377.3999 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 7924.6663



% wt 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 73.3765 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 73.3765

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 0.0000 1320.7777 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1320.7777

MODELO MATEMATICO

Balance global

60

Grupo 2: Nitrobenceno Balance para cualquier componente i Ó CORRIENTES DE SALIDA



% wt 60.0000 0.0000 0.0000 40.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 88.0518 0.0000 0.0000 205.4543 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 293.5062

Fi, kg/h 5547.2664 0.0000 0.0000 3698.1776 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 9245.4440

3.4.1.1 Balance de materia en el mezclador M2 CORRIENTES DE ENTRADA



% wt 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 1148.5914 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1148.5914

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 0.0000 20674.6453 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 20674.6453

61



% wt 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 5.0114 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 5.0114

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 491.1181 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 491.1181

MODELO MATEMATICO

Balance global Balance para cualquier componente i Ó




% wt 0.0000 0.0000 2.3203 97.6797 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 5.0114 1148.5914 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1153.6028

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 491.1181 20674.6453 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 21165.7634

62




% wt 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 88.3852 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 88.3852

Fi, kg/h 0.0000 6894.0470 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 6894.0470



% wt 0.0000 75.3298 0.0000 0.2138 24.4564 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 8.5758 0.0000 0.1055 1.7656 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 10.4469

Fi, kg/h 0.0000 668.9132 0.0000 1.8989 217.1674 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 887.9795

63


Balance global

Balance para cualquier componente i Ó




% wt 0.0000 97.1861 0.0000 0.0244 2.7895 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 96.9610 0.0000 0.1055 1.7649 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 98.8314

Fi, kg/h 0.0000 7562.9602 0.0000 1.8987 217.0789 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 7781.9378

64


CORRIENTE 7: T =28 ºC, P = 14.7 psia, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 0.0000 2.3203 97.6797 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 5.0114 1148.5914 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1153.6028

Fi, kg/h 0.0000 0.0000 491.1181 20674.6453 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 21165.7634



% wt 60.0000 0.0000 0.0000 40.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 88.0518 0.0000 0.0000 205.4543 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 293.5062

Fi, kg/h 5547.2664 0.0000 0.0000 3698.1776 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 9245.4440

65



% wt 0.0079 0.0001 86.7276 13.2491 0.0153 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0955 0.0010 676.0718 562.3105 0.0951 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 1238.5738

Fi, kg/h 6.0135 0.0781 66255.0355 10121.5887 11.6988 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 76394.4148

MODELO MATEMATICO

Balance global Balance para cualquier componente i Ó CORRIENTES DE SALIDA



% wt 5.1994 0.0001 62.4931 32.2964 0.0109 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 88.1473 0.0010 681.0832 1916.3562 0.0951 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2685.6828

Fi, kg/h 5553.2799 0.0781 66746.1536 34494.4116 11.6949 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 106805.6183

66

Grupo 2: Nitrobenceno CORRIENTES EFLUENTES DE LOS REACTORES R1-R3



% wt 0.4362 1.1431 58.2490 31.3646 8.8036 0.0012 0.0022 0.0000 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 7.9333 16.7927 681.0832 1996.6614 82.0146 0.0293 0.0135 0.0000 0.0011 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.5291

Fi, kg/h 499.7952 1309.8316 66746.1536 35939.9054 10087.7999 1.3465 2.4818 0.0000 0.2622 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 114587.5762

CORRIENTE 11: T= 135ºC, P = 65psig, ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.2650 0.5831 24.4597 71.7258 2.9653 0.0011 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.1171 0.2082 6.9498 110.9565 0.6713 0.0006 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 118.9035

Fi, kg/h 7.3779 16.2377 681.0832 1997.2166 82.5696 0.0295 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.5146

67

Grupo 2: Nitrobenceno CORRIENTE 12: T = 135.5ºC, P = 65 psig, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.2623 0.5805 24.4597 71.7285 2.9680 0.0011 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.1159 0.2072 6.9498 110.9606 0.6719 0.0006 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 118.9061

Fi, kg/h 7.3041 16.1640 681.0832 1997.2904 82.6433 0.0295 0.0001 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 2784.5146

CORRIENTES DE ALIMENTACIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO Y AGUA

CORRIENTE 19: T = 28 ºC, P = 14.7 psi, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 0.0000 0.0000 40.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 60.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 16.9222 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 11.4225 0.0000 0.0000 28.3448

Fi, kg/h

304.6003

456.9005

761.5008

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CORRIENTE 20: T = 28ºC, P = 14.7 psi, ESTADO: ESTADO: L Peso molecular 63 78 98 18 123 46 184 206 229 251 40 142 85 ---


% wt 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 100.0000

Ni, kgmol/h 0.0000 0.0000 0.0000 8.4611 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 8.4611

Fi, kg/h

152.3002

152.3002

3.4. CUANTIFICACIÓN CUANTIFICA CIÓN DE PRODUCCIÓN HORARIA (kgmol/hora)

DEL PRODUCTO PURO

De la iteración final (Corriente (27)) se tiene que se producen 10642.4237 kg/h de nitrobenceno puro.

3.5. CUANTIFICACIÓN DE MATERIAS PRIMAS PURAS (kgmol/hora)

Una vez converge el proceso iterativo, se encuentra que se hacen necesarias las siguientes cantidades cantidades de las materias primas: Materia prima ACIDO NITRICO ACIDO SULFURICO BENCENO AGUA HIDROXIDO DE SODIO

Kgmol/h 88.0518 5.0114 88.3852 2535.28 11.4225

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Grupo 2: Nitrobenceno 3.6. CALCULOS ITERATIVOS PARA OBTENER INFORMACIÓN SOBRE CORRIENTES Y CONDICIONES DE OPERACIÓN DE EQUIPOS

Una vez se realiza una iteración, se calcula un porcentaje de desviación para cada corriente, y todos estos en conjunto nos dan un porcentaje de desviación promedio, el cual lo podemos calcular de acuerdo a la siguiente expresión.

Donde, corresponde corresponde al valor de una variable en la presente presente iteración y variable, pero correspondiente a la iteración inmediatamente anterior.

al valor de la misma

Los resultados de aplicar esta fórmula a la última iteración con respecto a la penúltima, usando como variable de comparación los flujos másicos, se muestran en la tabla del anexo.

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Asignación # 2: Balances de materia y especificación de equipos de la planta

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