Hidrodesalquilación térmica Tolueno

Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas ITLAC

REPORTE DEL PROCESO

HIDRODESALQUILACIÓN TÉRMICA DEL TOLUENO (C7H8) PARA LA OBTENCIÓN DE BENCENO (C6H6)

ASIGNATURA

SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

CARRERA

INGENIERÍA QUÍMICA

INTEGRANTES

ARCIGA DURÁN EARVING BALDERRAMA JUSTO HUGO CORNEJO SÁNCHEZ ROXANA GARCÍA VALENCIA ALMA DELIA LEZMA GÓMEZ ERVEY LOZANO VAZQUEZ GÉNESIS OCHOA BARRERA FLORA IDALIA SÁNCHEZ ZARAGOZA PERLA IVONNE TORRES ACOSTA VIANEY VILLA COBOS LUIS ROBERTO

DOCENTE

DR. ZENAIDO MARTÍNEZ RAMÍREZ

23 DE OCTUBRE DEL 2013 1


1. RESUMEN 2. INTRODUCCIÓN 3. OBJETIVOS 



Simular, en estado estacionario, el proceso de hidrodesalquilación del tolueno para producir benceno. Dimensionar y establecer las condiciones de operación de los equipos que intervienen en el proceso; tales como, intercambiadores de calor, reactor tubular y destilador flash.

4. ESTADO DEL ARTE 4.1 Hidrodesalquilación del tolueno (HDA) Es la reacción del tolueno con hidrógeno, que produce benceno y metano. La HDA se hace industrialmente en procesos catalíticos, usando como catalizadores óxidos de cromo o molibdeno, platino u óxidos de platino, soportados sobre sílica o alúmina; o también en procesos puramente térmicos a presiones y temperaturas elevadas. Las condiciones típicas de operación de los procesos térmicos están en el rango de 811K a 1072K (1000°F – 1470°F), preferiblemente a 922K (1200°F) y de 13.8 bar - 68.9 bar (200 psi - 1000 psi), aunque también se reportan rangos distintos de acuerdo al proceso, por ejemplo 866K - 1144K, (1100°F -1600°F), o 839K - 1033K (1050°F – 1400°F) y 27.6 bar - 41.4 bar (400 psi - 600 psi). Dado que la reacción es altamente exotérmica (Hrx = −41.76 kJ/mol) se

emplea un exceso de hidrógeno, obtenido recirculando H 2 de la salida (e introducido en varios puntos), para bajar la temperatura en el reactor, con relaciones molares hidrógeno a hidrocarburos aromáticos del orden de 8:1, aunque puede haber variaciones, por ejemplo 1.5:1 - 20:1, o 2:1 - 15:1. La conversión usualmente está en el rango de 70% - 80%. En los procesos catalíticos las condiciones son usualmente menos severas que en los térmicos, mientras que la presencia de hidrógeno mejora el rendimiento de los catalizadores. Las condiciones típicas de la HDA catalítica son de 40 bar - 60 bar y de 773K a 868K (500°C – 595°C), con variaciones dependiendo de cada versión del proceso, por ejemplo 811K - 978K (1000°F – 1300°F) y 1 atm -100 atm, 811K 1089K (1000°F – 1500°F) y 20.7 bar - 69.0 bar. Igual que en la HDA térmica el hidrógeno se alimenta en exceso, con relaciones molares hidrógeno a hidrocarburos aromáticos de 5:1 a 12:1. Las conversiones por paso alcanzan 2


el 90%, y la selectividad a benceno (teniendo en cuenta que la alimentación incluye mezclas de hidrocarburos aromáticos) es con frecuencia de más del 95%. 4.2 Descripción del proceso El proceso consiste en la hidrodesalquilación térmica de tolueno puro (C 7H8) para la producción de benceno (C 6H6). Éste inicia cuando se introduce la corriente de alimentación de tolueno puro a un intercambiador de calor para elevar su temperatura hasta 276°F y posteriormente pasa a una serie de compresores para elevar su presión hasta 510psia, esta corriente es mezclada con una corriente de hidrógeno a 276°F y 510 psia. A continuación la corriente de la mezcla, (C7H8 + H2), entra a un intercambiador de calor que eleva su temperatura hasta 430°F; en seguida, la corriente entra a un horno que eleva la temperatura hasta 1160°F para su posterior entrada al reactor. Al salir del reactor, la corriente entra a otro intercambiador de calor donde es enfriada hasta 100°F, en tales condiciones entra a una válvula que desciende la presión de la corriente hasta 480 psia. Finalmente la corriente entra a un destilador flash a 100°F y 480psia donde se recupera hidrógeno que posteriormente es recirculado al proceso. Para una mejor comprensión del proceso en estudio, se muestra la siguiente ilustración.

Cabe destacar que se trata de un reactor tubular no catalítico adiabático, que opera con una conversión por paso de tolueno del 50% y una selectividad de tolueno a benceno del 99%; ésta se encuentra limitada por la conversión por paso elegida, produciéndose difenilo (C 12H10) e hidrógeno en una reacción secundaria. 3


4.3 Cinética de las reacciones Las reacciones efectuadas durante el proceso de hidrodesalquilación del tolueno son las siguientes: Reacción principal:

       Reacción secundaria:

     Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas en Luybenetal. (“Plantwide Process Control”, McGraw -Hill). Sin embargo, cuando se usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno. Se tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son:

                               Donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie 3 las concentraciones están en lbmol/pie 3 la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR. 4.4 Reactivos 4.4.1 Tolueno (C6H6) Descripción: También conocido como metil-benceno, es un hidrocarburo líquido, incoloro, transparente con un olor característico. El tolueno existe naturalmente en el petróleo crudo y en el árbol tolú. Es producido en el proceso de manufactura de la gasolina y de otros combustibles a partir del petróleo crudo, en la manufactura de coque a partir del carbón y como subproducto en la manufactura del estireno. 



Aplicaciones y usos: Es utilizado en combustibles para automóviles y aviones; como disolvente de pinturas, barnices, hules, gomas, etil celulosa, poliestireno, polialcohol vinílico, ceras, aceites y resinas, reemplazando al benceno. También se utiliza como 4


materia prima en la elaboración de una gran variedad de productos como benceno, ácido benzoico, fenol, benzaldehído, explosivos (TNT), colorantes, productos farmacéuticos (por ejemplo, aspirina), adhesivos, detergentes, monómeros para fibras sintéticas, sacarinas, saborizantes y perfumes. 

Tabla de propiedades Propiedades físicas y termodinámicas Punto de ebullición

111°C

Punto de fusión

-95 °C

Densidad a 20°C

0.87 g/mol

Temperatura critica

318.64 °C

Presión critica

40.55 atm

Entalpia de formación

2.867 Kcal/mol

Entalpia de combustión

934.5 Kcal/mol

Capacidad calorífica Energía libre de formación

0.4709 cal/(g K) 27.282 Kcal/K

4.4.2 Hidrógeno (H2) 





Descripción: Es un elemento químico que en condiciones normales de presión y temperatura, es un gas diatómico inodoro, insípido, no metálico y altamente inflamable. En estado libre sólo se encuentra en muy pequeñas cantidades en la atmósfera, se estima que el 90% del universo visible está compuesto de hidrógeno. Es producido industrialmente a partir de hidrocarburos como el metano. Aplicaciones y usos:Es usado como agente reductor en procesos de la industria química y metalúrgica, procesos de tratamientos de aguas, procesos de refrigeración, además de producir llamas de alta temperatura que pueden ser usadas en procesos de corte, soldadura, producción de cuarzo, puede servir como combustible aeroespacial, puede emplearse en la producción de semiconductores, entre otros. Tabla de propiedades 5


Propiedades físicas y termodinámicas Punto de ebullición

-232.8 °C

Punto de fusión

-259.2 °C

Densidad a 25°C

0.08235 kg/m 3

Temperatura critica

-240 °C

Presión critica

12.8 bar

Entalpía de formación

0 Kcal/mol

Entalpía de combustión Capacidad calorífica a P= cte.

–286 kJ/mol

0.029 kJ/(mol K)

4.5 Productos 4.5.1 Benceno (C6H6) 



Descripción: Conocido también como benzol, es un hidrocarburo aromático, líquido, incoloro, de olor dulce, componente natural del petróleo crudo, aunque también se puede encontrar en los gases emitidos por volcanes e incendios forestales. Existen cuatro procesos químicos que contribuyen a la producción de benceno industrial: reformado catalítico, hidrodesalquilación de tolueno, desproporción de tolueno y craqueo a vapor. Aplicaciones y usos: El benceno se utiliza principalmente como un producto intermedio para hacer otros productos químicos. Alrededor del 80% de benceno se consume en la producción de tres productos químicos: etilbenceno, cumeno y ciclohexano. Su derivado que más se produce es etilbenceno, precursor de estireno, que se utiliza para hacer polímeros y plásticos. El cumeno se convierte fenol para resinas y adhesivos. El ciclohexano se utiliza en la fabricación de nylon. Pequeñas cantidades de benceno se utilizan para hacer ciertos tipos de gomas, lubricantes, tinturas, detergentes, medicamentos, explosivos y pesticidas. 6





80°C

Punto de fusión

6°C

Densidad relativa al H 2O

0.88

Densidad relativa al aire

2.7

Temperatura de inflamación -11°C Presión de vapor a 20°C

10 kPa

Entalpía de formación (*)

49.08 kJ/mol

Energía libre de formación (*) 124.42 kJ/mol (* )

A 25°C y 1atm, para la fase l íquida.

4.5.2 Metano (CH4) 



Descripción: Es el hidrocarburo más simple; un gas incoloro e inodoro o un líquido bajo presión. Este gas se produce de forma natural por la descomposición de la materia orgánica. Las principales fuentes productoras de metano son el proceso digestivo de los rumiantes, la combustión de biomasa, la actividad microbiana en aguas servidas, así como determinadas acumulaciones de hidrocarburos tales como campos de petróleo, gas y carbón que lo emiten espontáneamente. Aplicaciones y usos: El metano se utiliza como fuente de luz y combustible, es el principal gas del gas natural. También se utiliza en la elaboración de muchas sustancias químicas, tales como acetileno y metanol. En los últimos años ha sido aplicado con buenos resultados, como fuente energética alternativa en pequeña escala, generándolo a partir de residuos orgánicos agrícolas.

7





-162°C

Punto de congelación

-183°C


0.42

Temperatura critica

-82.5°C

Presión de vapor a 20°C

>760 mm Hg

Entalpía de formación

-74.85 kJ/mol

Energía libre de formación

-50.8 kJ/mol

4.5.3 Difenil (C12H10) 





Descripción: También conocido como bifenilo o fenilbenceno, es un compuesto orgánico así como hidrocarburo aromático; de aroma agradable, sólido, que se forma de manera incolora a cristales amarillos. El bifenilo, se encuentra de manera natural en alquitrán mineral, crudo y gas natural, y puede ser producido con esos materiales a partir de la destilación. Aplicaciones y usos: Es usado ampliamente como fluido dieléctrico y agente de transferencia de calor. También es un intermediario para la producción como anfitrión de otros compuestos orgánicos como emulsificantes, iluminadores ópticos, productos insecticidas y plásticos. El bifenilo previene el crecimiento de moho y hongos, y es usado como conservante particularmente en la preservación de los cítricos durante su transporte. Tabla de propiedades Propiedades físicas y termodinámicas Punto de ebullición

256 °C

Punto de fusión

70 °C


1.04

Temperatura de inflamación

113 °C 8


Temperatura crítica

516.1 °C

Presión crítica

38.50 bar

Presión de vapor a 25°C

1.19 Pa

5. SIMULACIÓN EN CHEMCAD 5.1 Intercambiador de calor #2 5.2 Reactor tubular 5.3 Intercambiador de calor #7 5.4 Destilador Flash

6. CÁLCULOS 6.1 Volumen del reactor tubular Condiciones de operación Ptotal 521 psia T 1150ºF = 169.7ºR R 1.9858 Btu/(lbmol°R)

             

Reacción 1 Reacción 2

Cinética de las reacciones

                        

   

   

Balance por componente Especie Tolueno

Balance 1-X1

Pi=XiPTotal 521(1-X1) 9


Benceno Difenilo Hidrógeno Metano

X1-X2 (½)X2 1+(½)X2-X1 X1

521(X1-X2) 260.5(X 2) 521(1+(½)X 2-X1) 521(X1)

Por lo tanto

                             Entonces, partiendo de:

            

        Resolviendo por medio de Runge-Kutta grado 4 se obtienen las siguientes conversiones máximas: d(V/F) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

X1

X2

Xtotal

0 0.04401377 0.08432028 0.12137955 0.15558476 0.18727298 0.21673394 0.24421721 0.26993827 0.29408354 0.31681462

0 4.0495E-05 0.00042979 0.00148478 0.0034224 0.00637623 0.01041232 0.01554382 0.02174393 0.02895703 0.037108

0 0.04405426 0.08475007 0.12286432 0.15900716 0.19364921 0.22714626 0.25976103 0.2916822 0.32304056 0.35392263

10


X1= 0.3168

X2= 0.0371

Si Ft= kmol/h de Tolueno + kmol/h de Hidrógeno + kmol/h Benceno + kmol/h Metano + kmol/h Difenilo Ft= 1204.3 kmol/h Por lo tanto, el volumen del reactor tubular será:

                 6.2 Área del intercambiador de calor #7 Condiciones de operación Corriente 5 (mezcla) T1= 1160.35°F T2 = 100.13°F Cp. = 21.4579 Btu/lbm °F µ = 0.0589 Lbm/ft h k = 0.115 Btu/ft h °F P = 0.507 psia W = 45077.25 Lbm/h Corriente (agua de enfriamiento) t 1 = 80°F t2 =? Cp. = 1 Btu/lbm °F µ = 0.69 Lbm/ft h k = 0.255 Btu/ft h °F w =?

 ̇  ̇    ̇    Con 0.507 psia, T=80°F Por lo tanto: ΔH = 1048 Btu/lbm 11


Sí;

 ̇   ̇  ̇        ̇   ̇  ̇  ̇     Despejando t 2 t2 = 1128 °F



Calculo del tubo interno del fluido caliente (mezcla).

                                 ()   ( )         ( )     

Calculo en el anulo para el fluido frio (agua).

                       

12


                      ( ) ( )      

Calculo del coeficiente total limpio y coeficiente total de diseño.

                     

Calculo del área.

 ̇           

Nota: se requerirán tres intercambiadores con el área de 2955.4428 ft 2

6.3 Destilador Flash Condiciones:



Compuestos Tolueno Hidrógeno Metano Benceno Difenilo Total

Flujos de Entrada (Lb/h) 19984.6934 3061.0525 12870.917 8824.957 335.6308 45077.2507

13


6.1 Diagrama de Destilación Flash 

Calculamos % de flujo, lbmol y fracción mol.

                         Compuesto Tolueno Hidrógeno Metano Benceno Difenilo

% de Flujo

Lb-mol

Fracción mol

44.33432184

0.481157377

0.081762936

6.790681447

3.368393575

0.572390162

28.55302131

1.779780672

0.302437623

19.57740737

0.250626102

0.042588822

0.744568036

0.004828211

0.000820456

Balance de Materia

 Balance de Componente más Volátil

 14


Cálculo de Presiones de Vapor de Antoine

     [ ]  Compuesto Tolueno Hidrógeno Metano Benceno Difenilo

Presión de Vapor 57.0026106 14.78140998 14.65274541 14.55183937 14.70067272

Cálculo de Presión Total

   Cálculo de Ki

      Compuesto Tolueno Hidrógeno Metano Benceno Difenilo

Ki 0.492721638 0.127768193 0.126656036 0.12578382 0.127070313

   Ƴ =

0.3765914078

Calculamos x e y Compuesto Tolueno Hidrógeno Metano Benceno Difenilo

x

y

0.079663519

0.002099406

0.000684613

0.571705568

0.00304056

0.168221331

0.039386153

0.012778677

0.000820413

8.9615E-06

15


7. CONCLUSIONES 8. REFERENCIAS Carrero Mantilla Javier Ignacio. (2005). Simulación molecular del equilibrio 

          

  

químico para las reacciones de hidrogenación de benceno a ciclohexano, de hidrodesalquilación de tolueno a benceno y de hidrogenación de etileno a etano y de propileno a propano. Universidad del Valle. Cali, Colombia. centrodeartigos.com/articulos-utiles/article_116863.html campus.usal.es/~ingquimica/benceno_archivos/benceno.htm IPCS, CE 2005, Fichas internacionales de seguridad química www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs56.html www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/17tolueno  www.minambiente.gov.co/documentos/Guia25.pdf www.cnrcop.es/gc/assets/docs/Bifenilos%20policlorados.  www.uam.es/docencia/elementos/spV21/conmarcos/elementos/h.html elementos.org.es/hidrogeno www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/hidrogeno.htm www.infra.com.mx/servicio_atencion/libreria/gases/documentos/msds/hidrogen o.pdf encyclopedia.airliquide.com/encyclopedia.asp?LanguageID=9&GasID=36 www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/Metano.htm www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/FISQ/Fich eros/101a200/nspn0106.pdf

16

Hidrodesalquilación térmica Tolueno

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