Introducción. La Síntesis química es el proceso por el cual se obtienen compuestos químicos a partir de sustancias más simples. El objetivo principal de la síntesis química, además de producir nuevas sustancias, es el desarrollo de métodos más económicos y eficientes para sintetizar sustancias naturales ya conocidas. En este proyecto analizaremos algunos métodos para la producción del Oxido de Etileno ( O). El óxido de etileno es un gas inflamable de aroma más bien dulce. Se disuelve fácilmente en agua. El óxido de etileno es una sustancia química manufacturada usada principalmente para fabricar glicol de etileno (una sustancia química usada para fabricar anticongelante y poliéster). Una pequeña cantidad (menos de 1%) es usada para controlar insectos en ciertos productos agrícolas almacenados, y una cantidad muy pequeña se usa en hospitales para esterilizar equipo y abastecimientos médicos. El oxido de etileno en el medio ambiente puede presentar el siguiente comportamiento:
El óxido de etileno se degrada rápidamente cuando es liberado al medio ambiente. Debido a que el óxido de etileno es un gas, se cree que la mayor cantidad será liberada al aire en donde reacciona con vapor de agua y la luz solar y se degrada en unos pocos días. El óxido de etileno se disuelve en agua, pero la mayor parte se evaporará al aire. La porción que permanece en el agua será degradada por bacterias, o por reacciones con agua y otras sustancias químicas. Cuando es liberado al suelo, la mayor parte se evaporará al aire y cierta cantidad puede ser degradada por bacterias o al reaccionar con agua en el suelo. El óxido de etileno no permanece mucho tiempo en el ambiente y no se espera que se acumule en la cadena alimentaria.
En la producción de Oxido de Etileno ( O) puede llevarse a cabo de dos maneras distintas las cuales se presentaran en dicho trabajo así como las ventajas y desventajas de dicho proceso, tomando en cuenta en las siguientes consideraciones:
Por oxidación del etileno o Oxidación del Etileno con Oxigeno puro o Oxidación del Etileno con Aire Por método de las Clorhidrìnas
Para conocer más a fondo las características de las especies químicas se darán las características de las mismas así como información que pueda ser de utilidad en posteriores pasos del proceso.
Reactivos y productos involucrados en las reacciones en la Producción del Oxido de Etileno. Etileno
Oxigeno PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS 3 3 Densidad de gas a 0°C (32°F), 1 atm: 1.326 kg/m (0.083 lb/pie ) Punto de ebullición a 1 atm: -183.0°C (-297.4°F) Punto de congelación / fusión a 1 atm: -218.8°C (-361.8°F) pH: No aplica. Peso especifico (aire = 1) a 21.1°C (70°F): 1.105 Peso molecular: 32.00 Solubilidad en agua vol/vol a 0°C (32°F) y 1 atm: 0.0491 Grado de expansión: No aplica. Grado de evaporación (nBuAc = 1): No aplica. Olor umbral: No aplica. 3 Volumen especifico del gas (lb/ft ) : 12.1 Presión de vapor a 21.1°C (70°F): No aplica. Coeficiente de distribución agua / aceite: No aplica. Apariencia y color: Gas incoloro y sin olor a presión y temperatura normal. Reactividad: 0 “Estable” Peligro especifico : “Oxidante” Tipo de Conexión: CGA 540. Recomendaciones de material: Cobre, bronce, aleaciones de níquel y acero inoxidable. REACTIVIDAD Y ESTABILIDAD Estabilidad
El oxígeno es un gas estable Condiciones a evitar Ninguna Incompatibilidad Oxígeno es incompatible con materiales combustibles y materiales inflamables, hidrocarburos clarinados, hidracina, compuestos reducidos de boro, éter, fosfamina, tribromuro de fósforo, trióxido de fósforo, tetrafluoretileno, y compuestos que forman peróxidos fácilmente. Oxígeno puede formar compuestos explosivos cuando es expuesto a materiales combustibles, aceite, grasas y otros materiales hidrocarburos. Reactividad a) Productos de descomposición: Ninguno b) Polimerización peligrosa: Ninguna
Plata (catalizador)
Oxido de Etileno
Dióxido de Carbono Propiedades Fisicoquímicas
Protección a la Salud
Agua
Análisis por Oxidación con Aire y Oxigeno Puro
El óxido de etileno fue preparado por primera vez en 1859 por Wurtz partiendo de 2cloroetanol y el hidróxido de potasio acuoso. Más tarde se intento producir óxido de etileno por oxidación directa pero no tuvo éxito. En 1931, Lefort alcanzo la oxidación directa del etileno obteniendo óxido de etileno con un catalizador de plata. A pesar de fabricación a principios de óxido de etileno se llevó a cabo por el proceso de clorhidrina, el proceso de oxidación directa se ha utilizado casi exclusivamente desde 1940. El principal uso del óxido de etileno es en la fabricación de derivados, tales como etilenglicol, surfactantes, y etanol aminas. La tecnología de oxidación directa, como su nombre indica, utiliza un catalizador a base de plata para producir óxido de etileno. El proceso se puede dividir en dos categorías en función de la fuente del agente oxidante: el aire de proceso y basado en el proceso a base de oxígeno. En la primera, de aire o aire enriquecido con oxígeno se introduce directamente en el sistema. En el segundo, un flujo de oxígeno de alta pureza (> 95% mol) de una separación de aire. se emplea como fuente del agente oxidante. Los procesos de oxidación directa. La principal desventaja del proceso de oxidación directa es el bajo rendimiento y baja selectividad de óxido de etileno por unidad de etileno consumido. La ineficiencia principal da como resultado la pérdida de unos 20 a 25% del etileno a dióxido de carbono y agua. En consecuencia, las condiciones de operación deben ser cuidadosamente controladas para maximizar la selectividad. Las principales Reacciones son las siguientes:
Para evitar la posterior oxidación de óxido de etileno, la conversión de etileno de procesos comerciales suele ser de entre 10 y 20%. Los resultados de diversos estudios de caracterización de la superficie indican que hay al menos tres tipos de especies de oxígeno adsorbidas en plata. Durante la década de 1970 y principios de 1980, la teoría predominante era que el etileno reacciona con el oxígeno diatómico para formar óxido de etileno, dejando a un átomo de oxígeno en la superficie. El Oxígeno monoatómico reacciona con el etileno para formar dióxido de carbono y agua.
Esto conduce a una selectividad de etileno límite de 7.6 o 85.7%. Además de óxido de etileno, dióxido de carbono y aguase producen, pequeñas cantidades de acetaldehído y trazas de formaldehído también se producen en el proceso. Generalmente el total es de menos del 0,2% del óxido de etileno formado. El acetaldehído es más probablemente se formaron mediante la isomerización de óxido de etileno, mientras que el formaldehído es más probablemente se formara por la oxidación directa del etileno. Una gran cantidad de calor liberada por las reacciones de oxidación de etileno. A 600 K, cada kg de etileno convierte en óxido de etileno libera 3.756 MJ (3564 kcal), cada kg de etileno convierte en dióxido de carbono y el agua desprende 50,68 MJ (48.083 Btu). Recuperación de energía y la integración es una preocupación primordial en proceso de diseño. Las temperaturas de reacción de 200-300°C son los habituales de funcionamiento y presiones de 1.3 MPa (10-30 atm) han sido reportados. Con base en la información publicada en relación con las productividades catalizador y velocidades, la longitud del tubo del reactor son 6.12 m. Estos tubos se rellenan con un catalizador a base de plata ca 3-10 mm de diámetro apoyado en un soporte material. El rendimiento (Moles de producto producido por moles de etileno que se consume en el proceso) es normalmente 70-80% dependiendo del tipo de catalizador, por conversión paso, el diseño del reactor, y un gran número de variables de operación del proceso. A pesar de que la reacción fundamental y los resultados finales son los mismos, existen diferencias sustanciales en detalle entre el aire y los procesos a base de oxígeno. El proceso a base de oxígeno puro usa oxígeno sustancialmente, reduce las cantidades de gases inertes introducidos en el ciclo, y por lo tanto los resultados en casi completo de reciclaje del etileno no convertidos. Esto elimina la necesidad de un sistema de reactor de purga en un proceso a base de oxígeno. Además de la corriente de purga unidad de eliminación de CO2, un proceso adicional es necesaria para evitar la acumulación de argón en el ciclo. El argón es un importante impureza en el suministro de oxígeno, y puede acumular hasta 30 a 40% mol en el ciclo gas si no se purga. Cuando esto sucede, debido a la baja capacidad calorífica del argón, el ciclo de gas puede entrar en la región inflamables, y como resultado de la concentración de oxígeno en el ciclo tiene que ser reducido. En consecuencia, la selectividad del proceso es mucho menor. Consideraciones de tecnología de procesos Complejo de innumerables factores que interactúan en última instancia determinan el éxito o fracaso de óxido de etileno en el proceso. Los catalizadores de óxido de etileno. De todos los factores que influyen en la utilidad del proceso de oxidación directa del óxido de etileno, el catalizador utilizado es de los más importantes.
Hay cuatro componentes básicos en catalizadores de óxido de etileno comercial: el metal catalizador activo, la mayor parte de apoyo, los promotores de catalizador que aumentar la selectividad y / o actividad y mejorar vida del catalizador, y los inhibidores o anti catalíticos que suprimen la formación del dióxido de carbono y agua sin reducir sensiblemente la tasa de formación de óxido de etileno. Temperatura y factores térmicos. La temperatura se utiliza para controlar dos aspectos relacionados con la reacción: la eliminación del calor del reactor y la temperatura de funcionamiento del catalizador. La temperatura del reactor se controla mediante el uso de un fluido de transferencia de calor en la cubierta del reactor. El refrigerante utilizado en la mayoría de los últimos diseños es el agua hirviendo. El control de la temperatura de funcionamiento del catalizador es necesario para evitar daños al catalizador, como sinterización o daños resultantes de tubo temperaturas excesivas en el lecho del catalizador. Puntos calientes de 100-300°C por encima de la temperatura del refrigerante se pueden formar en el lecho del catalizador sin el adecuado control de temperatura. La extracción de calor del reactor es necesaria para un funcionamiento estable. El calor se extrae a través de dos procesos: calor sensible del gas de proceso y transmisión de calor al refrigerante. La presión de operación. Operar una mayor densidad de gas, aumenta la transferencia de calor, aumenta el óxido de etileno y la recuperación de dióxido de carbono en los amortiguadores, y reduce los costos de compresión. Por otra parte, ya que el número total de moles disminuye en la formación de óxido de etileno a partir de etileno y el oxígeno, la presión alta es consistente con una alta conversión. Sin embargo, las altas presiones reducen el límite de inflamabilidad del gas de proceso así como incrementar los costos de los equipos. Las presiones comerciales son 1.2 MPa (10-20 atm) Consideraciones de Seguridad Mayor concentración de oxígeno implica mayor rendimiento y eficiencia, pero la actividad es muy cerca al límite inflamable. Una de las áreas más sensibles del diseño de la unidad es la mezcla de Oxigeno. La concentración de oxígeno debe pasar por la región inflamable mientras se diluye hasta el nivel operativo. Por lo tanto, el paso de oxígeno mezclado tiene un mayor tratamiento, y requiere un sistema de control bastante complicado para asegurar la seguridad de la mezcla. Otra área sensible es la conformación definitiva de Oxido de etileno de alta pureza. Al igual que con cualquier producto químico reactivo, es prudente utilizar la temperatura más baja. El Correcto funcionamiento de la caldera, incluyendo el control de nivel de líquido, es fundamental. La presencia de determinadas formas de óxido de hierro en contacto con el vapor de óxido de etileno puede dar lugar a reacciones exotérmicas que pueden iniciar la descomposición explosiva del óxido de etileno. La selección apropiada de aislamiento es fundamental. Las fugas de óxido de etileno en el aislamiento puede reaccionar de forma exotérmica con el agua en el aislamiento y el resultante glicol puede incendiarse espontáneamente a temperaturas superiores a 608C. La selección de las condiciones de funcionamiento del diseño deben ser de seguras y eficaces, los sistemas de seguridad de procesos es una tarea compleja que requiere de pruebas de
laboratorio para determinar el efecto de los diversos parámetros del proceso de explosividad así como la experiencia comercial comprobada. Consideraciones ambientales. Un estudio detallado del medio ambiente conlleva consideraciones en la fabricación de óxido de etileno por la oxidación directa. Las emisiones de aire primario de la formaciónde óxido de etileno por oxidación directa son etileno, óxido de etileno, dióxido de carbono, y trazas de etano. La mayor fuente de materia orgánica y las emisiones a la atmósfera, ya sea en el proceso de oxígeno o aire es el ciclo de purga. En el proceso de oxígeno, se trata de un volumen bajo, mientras la corriente de hidrocarburos es alta que puede ser fácilmente utilizado como combustible de calderas, ya que contiene 80-85% en moles de hidrocarburos. Algunas unidades de óxido de etileno usan turbinas de gas para alimentar aire o de etileno. Esto resulta en hidrocarburos no quemados y las posibles emisiones de NOx. El agua de la reacción de la combustión completa de etileno debe ser purgado del ciclo de óxido de agua absorbente. Esta corriente contiene glicol, sales orgánicas, aldehídos, y óxido de etileno. La ubicación de la corriente de purga es seleccionado para minimizar las emisiones de óxido de etileno y glicol. Esta corriente es fácilmente biodegradable. Los procesos de oxidación directa que operan a temperaturas más bajas generar menos impurezas, y por lo tanto tienen menor carga orgánica en el proceso de unidad de tratamiento de residuos. Varias tecnologías se han propuesto para reducir la cantidad de materia orgánica en los residuos, ya sea por destilación o por el uso de membranas para recuperar el contenido de glicol.
Basados en la información presentada y una base de cálculo para producción de Oxido de Etileno de: 100 Se realizara un Balance de Materia y asi mismo se presentara su potencial económico en el uso de materias primas; con esta información podremos demostrar que el proceso de Oxidación directa con Oxigeno Industrial es en parte la opción más viable para el proceso.
Para consideraciones iníciales solo se usara un diagrama de entrada-salida y el señalamiento de su debido sistema de separación para en pasos posteriores modificar el sistema de separación, adaptarlo y emplearlo de la manera más conveniente en beneficio del proceso.
Balance de Materia Se efectuara el balance de materia con las siguientes consideraciones: Conversión de etileno: 20% Selectividad del etileno a Oxido de Etileno: 85.7%. Perdida de Oxido de Etileno por reacción de glicoles 8% Perdida Etileno Combustión 2% 6 1 Etileno S/R Etileno
3
2
7
5
Oxigeno
8
Oxido de Etileno Subproductos
4 Oxigeno S/R 9
En el diagrama preliminar se consideran subproductos toda las especies no deseadas que se formaran así mismo impurezas que puedan contener los reactivos alimentados. El Oxigeno será recirculado ya que se está empleando una corriente que conlleva un egreso y eliminarlo del proceso implicaría un gasto innecesario. De nuestra base de cálculo efectuaremos un balance de materia en retroceso; siendo esta 100 de Oxido de etileno.
En el reactor.
Hoja de Balance Compuesto Corriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9
C2H4 Kmol/h
O2 Kmol/h
CO2 Kmol/h
C2H4O Kmol/h
H2O Kmol/h
Glicol Kmol/h
Impurezas Kmol/h
125.697 628.485 502.788 502.788
115.9816 579.908 463.9264 463.9264
38.0605 38.0605 38.0605 -
100 100 100 -
44.7271 44.7271 44.7271 -
2.2223 2.2223 2.2223 -
6.6156 6.1042 6.6156 6.1042 12.7198 12.7198 12.7198 -
-
Potencial Económico del Proceso Egresos Compuesto
Kmol/h
PM
Etileno
Precio ($/kg) 5.85
125.697
28
Total ($/kg) 20589.1686
O2
1.15
115.9816
32
3712.5612
Precio ($/kg) 12.57
Kmol/h
PM
100
44
Total ($/kg) 55308
26.05
2.2223
62.07
3593.2890
Ingresos Compuesto Oxido de Etleno Glicol
Utilidad Por Kilogramo= (58901.289-24301.7298)/(100*44)=
7.8635 $/Kg Oxido de Etileno
Las diferencias del Proceso y Economía de oxígeno vs aire Dos características del proceso dictan la diferencia en los costos para los dos procesos. El aire de proceso requiere una inversión adicional para los reactores de purga y sus amortiguadores asociados y para la recuperación de la energía del gas de ventilación. Sin embargo, esto se compensa con la necesidad de una planta de producción de oxígeno y un sistema de eliminación de dióxido de carbono una unidad basada en el oxígeno. También hay consideraciones de costo de operación que difieren significativamente entre los los dos procesos. Los costos de catalizador de plata, el oxígeno, y el etileno son críticos factores determinantes de la economía. Para un tipo de catalizador dado, el oxígeno tiene lugar a una mayor selectividad y requiere un menor volumen de catalizador.
