UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)
FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
SÍNTESIS Y ANÁLISIS DE PROCESOS
TEMA:
PROFESOR:
INTEGRANTES:
“PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ACRÍLICO”
Ing. Raymundo Erazo Erazo
INDICE
INTRODUCCION
2
PRINCIPIOS TEÓRICOS
5
NIVEL 1
7
BIBLIOGRAFÍA
2
INTRODUCCIÓN El ácido acrílico (C3H4O2) es el ácido carboxílico insaturado más simple, En estado puro, es un líquido corrosivo, incoloro y de olor penetrante; es miscible con agua, alcoholes, éteres y cloroformo. Se produce a partir del propileno, un subproducto gaseoso de la refinación del petróleo. Presenta una acentuada tendencia a la creación de polímeros, los cuales se utilizan comercialmente en su forma neutralizada (como el poliacrilato de sodio).
PROCESOS INDUSTRIALES: Hasta hace poco, el ácido acrílico se producía industrialmente vía una variedad de rutas como la hidrólisis del acrilonitrilo y el método modificado de Reppe. Sin embargo, un avance significativo en la oxidación catalítica del propileno al ácido acrílico vía la acroleína permitió remplazar los procesos originales.
El método de ERPE: Está basado en el acetileno y se lleva a cabo a presión atmosférica y a 40 °C en presencia de ácido y de carbonilo de níquel. La reacción fue descubierta por ERPE en 1939 y fue utilizada por Rohm & Haas y por Toa Gosei Chemical por largo tiempo hasta que fue abandonada por las dificultades en manipular el carbonilo de níquel, tóxico y corrosivo. El proceso Reppe: A Alta Presión utilizado por BASF y Badische Corp. opera a aprox. 14 MPa y 200 °C con un catalizador de bromuro de níquel – cobre III. El método de hidrólisis del acrilonitrilo: Es poco atractivo económicamente. Fue utilizado por Ugine Kuhlmann, Mitsubishi Petrochemical y Mitsubishi Rayon, y hasta hace poco aún era utilizado por Asahi Chemical. El proceso por cetanos: En que el ácido acético o la acetona son pirolizados a ceteno es un proceso que en algún tiempo utilizó Celanese y B. F. Goodrich pero que ya no es utilizado. Proceso por Oxidación del propeno o propileno: Hoy en día la mayor parte del ácido acrílico se produce a partir del propileno, que también es la materia prima de la acroleína. El proceso por oxidación del propileno involucra la oxidación catalítica heterogénea del propileno en fase vapor con aire y vapor para dar el ácido acrílico. Generalmente el producto que sale del reactor es absorbido en agua, extraído con un solvente apropiado y destilado para dar el ácido acrílico glacial grado técnico. 3
USOS Y APLICACIONES DEL ÁCIDO ACRÍLICO Y SUS DERIVADOS El ácido acrílico: El ácido acrílico se usa como intermediario en la producción de acrilatos. Los polímeros del ácido y sus sales sódicas se utilizan como floculantes y dispersantes. Las sales de sodio tienen importancia industrial Las poliacrilamidas y el ácido poliacrílico: La masa molecular del polímero es un factor clave para determinar su uso específico para una aplicación. Los polímeros de masas moleculares inferiores a 20 000 se utilizan como secuestrantes. Los polímeros con masa molecular entre 20 000 y 80 000 se utilizan como agentes de dispersión de pigmentos. Los polímeros con masas moleculares entre 1, 000,000 y 10,000,000 se utilizan como agentes para terminado textil y como ayudas de retención para fabricación de papel. Las masas moleculares que exceden los 10, 000,000 se utilizan como floculantes o agentes de espesamiento. Polímeros de mayor peso molecular o entrecruzado se utilizan como absorbentes de fluidos. El ácido poliacrílico soluble en agua y sus sales neutralizadas con masas moleculares de entre 2000 y 5000 se utilizan como inhibidores de sarro, dispersantes de lodos, dispersantes en sistemas de enfriamiento, como fillers en materiales para pigmentos o recubrimiento de papel. Los homos o co-polímeros del ácido acrílico y el ácido metacrílico y sus mezclas con hasta el 10% en peso de alquil acrilato se utilizan para prevenir la redeposición de materiales en formulaciones de detergentes líquidos. Los co-polímeros con pequeñas cantidades de grupos hidrofóbicos son útiles para fluidos de perforación. Los fluidos son reformulados para dar una viscosidad inicial que es retenida por largos periodos a altas temperaturas y presión. El poliacrilato de sodio entrecruzado se utiliza como absorbente en pañales, productos para incontinencia, productos de higiene femenina y absorbente en cables de trasmisión. Los polímeros del ácido acrílico o del metacrílico neutralizados a mas de 50% mol, se pueden usar para mampostería por su alta retención de agua y alta viscosidad. Un polímero del ácido acrílico, absorbente y entrecruzado se puede utilizar en formulaciones de tabletas de administración oral por su capacidad de liberar de forma sostenida el principio activo. Una mezcla de partículas de polímero aniónico del ácido acrílico o metacrílico y sus sales solubles y polímeros catiónicos de amino acrilato se utiliza como adhesivo para pasta para muros para reducir la absorción del agua. El ácido poliacrílico entrecruzado se utiliza como resina de intercambio catiónica. Algunas aplicaciones en desarrollo incluyen el ligeramente entrecruzado poli (N-isopropilacrilamida) que es un hidrogel con transición de fase a 31 °C. Se supone que esta propiedad 4
puede ser útil en separaciones como la de la proteína de soya de su extracto acuoso o en la administración controlada de fármacos. El balance entre grupos hidrofóbicos y grupos hidrofílicos en la poli (N,N-dimetilacrilamida) y los co-polímeros de la N,N-dimetilacrilamida con otros monómeros solubles en agua hacen de estos productos solubles en un amplio rango de solventes. Esto sugiere su potencial uso como espesantes en formulaciones con altas concentraciones de químicos orgánicos El homopolímero es soluble con poli (vinil acetato), poli (metil metacrilato), y poliestireno.
Los poliacrilatos: Los ésteres acrílicos se utilizan para la producción de polímeros (poliacrilatos). Estos polímeros se utilizan para recubrimientos, pinturas, adhesivos, ligantes para piel, papel y textiles. LAS PRINCIPALES APLICACIONES DE LOS ÉSTERES ACRÍLICOS SON: Pinturas para Arquitectura – por su buena pigmentabilidad y
propiedades de película se utilizan como dispersión polimérica y adhesivo para pinturas. Las dispersiones co-poliméricas de vinil ester tienen propiedades reológicas favorables para material de recubrimiento. Las dispersiones de copolímeros de acrilato usualmente contienen emulsificantes y pueden ser extendidos con pigmentos, pero requieren auxiliares para mejorar su reología. Los copolímeros con alto contenido de estireno tienden a tomar el color amarillo con la luz UV y por lo tanto solo se utilizan para pinturas de interiores. Las dispersiones de acrilatos puros se utilizan en pinturas brillantes. Recubrimientos y lacas – Los metales usualmente se recubren con
una capa de primer y una capa de solvente La tendencia es usar capas con alto contenido de polímero para reducir las emisiones del solvente. En la industria automotriz usualmente se aplican tres capas: una primera base agua que sirve para proteger contra la corrosión, una capa intermedia (filler) que compensa por irregularidades en el substrato, y una capa superior pigmentada metálica que consiste de una base de pigmento aluminizado y coloreado. En las tres capas pueden usarse potencialmente mezclan con acrilatos. En estos métodos los monómeros y oligómeros son curados y endurecidos por medio de exposición a radiación, usando usualmente luz UV. Su aplicación principal está en el recubrimiento de madera, papel y plásticos. Sistemas
curables
con
radiación.
Industria del papel - Los papeles de alta calidad se recubren con
pigmentos para mejorar su calidad de impresión, apariencia, brillo y otras propiedades.
5
Adhesivos y compuestos de sellado – adhesivos de laminación,
adhesivos sensibles a la presión, adhesivos para construcción y compuestos de sellados son producidos de poliacrilatos. Industria textil – se utilizan como polímeros de emulsión, por
ejemplo como adhesivos para teñido o impresión.
Industria de la piel o el cuero – la superficie de la piel se trata
para hacerla hidrofóbica y para evitar que se cuartee o rompa.
Como se puede observar, la versatilidad del ácido acrílico y sus derivados es muy amplia y existen aplicaciones en los más variados campos y aún muchas más en desarrollo.
PRINCIPÌOS TEÓRICOS Fórmula del ácido acrílico: C3H4O2 Estructura: El ácido acrílico, también conocido como ácido 2propenoico CH2=CHCOOH, y sus ésteres CH 2=CHCOOR, también se conocen como acrilatos. Su estructura es:
El ácido acrílico es un ácido carboxílico, incoloro, inflamable, volátil y medianamente tóxico. Esteres como el metil, etil, n-butil, y 2-etil-hexil acrilato, así como el ácido acrílico se utilizan principalmente como polímeros. Otros ésteres, incluyendo acrilatos multifuncionales se producen para aplicaciones especiales.
Ficha de datos de seguridad: ácido acrílico (MSDS, fds) Identificación del producto Nombre químico: Acido acrílico. Sinónimos: Acido 2-propenoico/ Acido etilencarboxílico/ Acido
acroleico Nº CAS: 79-10-7 Fórmula: C3H4O2/CH2=CHCOOH
Características de peligrosidad: 6
inflamable, nocivo, corrosivo, peligroso para el medio ambiente. Propiedades físico-químicas Aspecto y color : Olor : Presión de vapor : Densidad relativa de vapor (aire=1): Solubilidad en agua: Punto de ebullición: Punto de fusión : Peso molecular :
Líquido incoloro. Característico. 413 kPa a 20º C 2.5 Miscible. 141º C 14º C 72.07
Estabilidad y reactividad El vapor es más denso que el aire. El vapor forma mezclas explosivas con el aire. La sustancia se polimeriza fácilmente debido al calentamiento intenso, bajo la influencia de la luz, oxígeno, agentes oxidantes tales como peróxidos u otros activadores (ácidos, sales de hierro) con peligro de incendio o explosión. Durante un calentamiento intenso se producen humos tóxicos. La sustancia es moderadamente ácida. Reacciona violentamente con oxidantes originando riesgo de incendio y explosión; reacciona violentamente con bases fuertes y aminas. Ataca a muchos metales, incluyendo niquel y cobre. Condiciones que deben evitarse : Calentamiento intenso. Materiales a evitar : Oxidantes, bases fuertes, aminas, metales como
níquel
y Productos de descomposición : Humos tóxicos.
cobre.
Polimerización: La sustancia se polimeriza fácilmente debido al
calentamiento intenso, bajo la influencia de la luz, oxígeno, agentes oxidantes tales como peróxidos u otros activadores (ácidos, sales de hierro) con peligro de incendio y explosión.
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NIVEL I ESCTRUTURA ENTRADA / SALIDA DEL PFD
Diagrama del proceso: Flujos en kmol/h
Propileno ()
Acido acético (95) PROCESO
Aire ()
XG =88.4%
Acido acrílico (99.9)
Criterios: Se asume que la mayor conversión se da en el reactor; siendo la conversión del propileno aproximadamente igual a la conversión final del proceso Calidad del producto: Porcentaje de pureza del acido acrílico = 99.9% Calidad de materia prima • •
Propileno con 100% de pureza. Aire con 0.79 de Nitrógeno, 0.21 de Oxígeno. 8
BALANCE DE MATERIA S1
cantidad de acido acrilico producido ( producto deseado = cantidad deacido acetico producido ( subproduct o)
)
= S2
13.5
cantidad de acido acrilico producido ( producto deseado ) = ( ) cantidad de CO 2 producido subproduct o
=
1.6
Capacidad de planta: 50000
T año
N (salida C
× 3
1año
1000 Kg
8000 h
H 4 O 2
×
1T
×
1kmol 72 KgAA
=86,81Kmol/h=
) =r 1
REACCIONES: C3H6 + 3/2 O2 (1)
C3H4O2 + H2O
(Ac.acrilico) C3H6 + 5/2 O2 C2H4O2 + CO2 + H2O (Ac.acetico) C3H6 + 9/2 O2 3CO2 + 3H2O
---------- (3)
SELECTIVIDAD
•
Balance para el acido acrílico: N( salidaC 3 H 4 O2 ) = N( entradaC 3 H 4 O2 ) + r 1
9
-----------
---------- (2)
N (entrada C3H4O2) = 0
; inicialmente no reproduce C3H4O2 entonces
tenemos:
N(salidaC
3
H 4 O 2
) =r 1
8 6 =
o lK g ,8 1 m
/ h
Balance del acido acético:
•
N( salidaC 2 H 4O2 ) = N( entradaC 2 H 4O2 ) + r 2
N
(entradaC2H4O2) = 0
; inicialmente no reproduce C2H4O2 entonces
tenemos:
Usando la selectividad S1: N( salidaC3 H 4O2 ) r → 1 = 13,5 → r 2 = 6,43 Kgmol / h r 2 N( salidaC2 H 4O2 )
S1 =
(
N salida C
2
H 4 O2
) =r
2
=6,43 Kgmol
/ h
Balance de materia del CO2:
•
N( salidaC O2 ) = N( entradaC O2 ) + r 2
+ 3r 3
Usando la selectividad S2: N ( salidaC3 H 4O2 ) r 1 = = 1,6 → N ( salidaCO2 ) = 54,26 Kgmol / h N salidaC ( ) ( ) O N salidaCO 2 2
S2 =
N
(entrada CO2) = 0
tenemos:
;
inicialmente no reproduce CO2 entonces
N(salidaC
O2
)= 5 4
,2 6 K g m o l
De esta ecuación obtenemos: r 3
1 5 ,9 4
=
K g m o l
10
/ h
/ h
r
=2
3 +
r 3
Balance de materia del propileno:
•
CONVERSIÓN Usando como dato la conversión en el reactor: x
N (entrada
=
N(entrada
r 1 + r 2 + r 3
•
C 3 H 6 ) - N (salida
C3H 6 )
C3H 6 )
=109,18
kmol
=
r 1
r
r
+ 2 + 3
N (entradaC
Oxígeno que entra al reactor, por estequiometria:
8,5 KgmolO 2
=
3 KgmolC 3 H 6
N ( salidaO 2 ) = N ( entradaO2 ) −
3 2
r 1
−
349 ,86 KgmolO 2
5 2
r 2
−
9 2
r 3
N (salida O2)=131,84
kgmol h
•
=
0.884
→ N (entradaC 3 H 6 ) = 123 ,48 Kgmol
h
Balance del oxigeno:
123 ,48 KgmolC 3 H 6 ×
H 6 )
3
Balance del agua:
N ( salidaH 2 O ) = N ( entradaH 2 O ) + r 1
+ r 2 + 3r 3
N (salida H2O)= 109,18
11
kgmol h
/h
Entrada: Sustancia Propileno
Alimentación(kgmol /h) %mol 123,48 6.9
Oxigeno Nitrógeno
349.86 1316.14
19.55 73.54
Salida: Sustancia Propileno Oxigeno Nitrógeno Vapor de agua Dióxido de carbono Acido acético Acido acrílico
salida(kgmol/ h) 14.3 131.84 1316.14 109.18
% mol 0.83 7.67 76.5 6 6.35
54.26
3.15
6.43 86.81
0.37 5.05
1. POTENCIAL ECONÓMICO Lista de precios
Sustancia Acido acrílico (producto) Acido acético (sub. Prod) Propileno (M.P) Vapor de Agua Aire
Precio ($/Kg)
Peso molecular
1.92
72.0
0.942
60.0
0.51 0.00662 0.00
42.0 18.01 60.05
El Potencial Económico para este nivel será :
12
( PE ) I = Σ[( flujo )( valor )] productos
, sub . prod
− Σ[ ( flujo )(cos to )] MP ,insumos
k g $ k g $ ( 8 .86 ×17 2 ) 1(.9 2 ) + (6,4 ×36 0 ) 0(.9 4 2) h k g h k g P( ) I E = K g $ k g $ + (1 0,1 9×81 .08 1h ) 0(.0 0 6k )g 6− (21 2.4 3×84 2h ) 0(.5 k1 )g ( PE ) I
9732 .1(
=
( PE ) I
=
$ h
) * 8000
77856908
13
h año
$ año
