“UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ.”
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA.
OBTENCIÓN DE PROPILEN-GLICOL
CÁTEDRA:
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
CATEDRÁTICO:
ING. GUEVARA YANQUI, Pascual Víctor.
ALUMNOS:
ARECHE SULLCA, FRANCOIS. PAITAN DE LA CRUZ, Luís Angel
SEMESTRE:: SEMESTRE SECCION:
IX “A”
HUANCAYO – PERÚ PERÚ 2013
I.
INTRODUCCIÓN
Es un compuesto orgánico (un diol alcohol), usualmente insípido, inodoro, e incoloro líquido aceitoso claro, higroscópico y miscible con agua, acetona, y cloroformo. Se manufactura por hidratación del óxido de propileno. Se usa como humectante en productos farmacéuticos, cosmética, alimentos y tabaco también su uso es como solvente para coloración de alimentos y saborización, como anticongelante de alimentos. En máquina de humo para hacer humo artificial para entrenamiento de bomberos y producciones teatrales. En desinfectantes de manos, lociones antibacterianas, y solución salina. Como ingrediente en muchos productos cosméticos, como ingrediente primario de la pintura y de base en aeronaves fluidificante y en ciertos anticongelantes de vehículo, y como fluido hidráulico para máquinas. La La Administración de Alimentos y Medicamentos Medicamentos estadounidense (FDA) ha determinado que el propilenoglicol es "generalmente considerado como seguro" para uso en alimentación, cosmética, y medicinas. Como el etilenglicol, etilenglicol, el propilenoglicol afecta la química de la sustancia a la que se agrega por el incremento de la acidez. El propilenoglicol se metaboliza en ácido láctico, láctico, que ocurre naturalmente en los músculos ejercitados, mientras que el etilenoglicol lo hace a ácido a ácido oxálico, que oxálico, que es tóxico.
II.
RESUMEN
En el presente informe se planteó como objetivo general la Obtención de Propilen-Glicol en estado estacionario para ello es necesario los valores de flujos de entrada y salida del proceso. En el presente trabajo se desarrollan las relaciones termodinámicas fundamentales para el establecimiento de la consistencia termodinámica conjuntamente con el balance de materia y energía para la producción de propilenglicol. La producción de propilenglicol (C3H8O2) se da por la hidratación del óxido de propileno, es decir en la primera fase Propilen glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua (H2O). Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y presión atmosférica. En una primera etapa se realizó el balance de materia al mezclador despreciando el balance de energía por ser un proceso isotérmico, seguidamente se planteó el balance de materia y energía al reactor de tanque agitado continuo (CSTR) determinando así los valores de flujos molar de entrada y salida del sistema los resultados obtenidos fueron: para una alimentación de 150 lbmol/h de Oxido de propileno y 610.595 lbmol/h de agua con una conversión en el reactor de X= lbmol/h de propilenglicol.
se obtuvo 144.195
OBJETIVOS: OBJETIVO GENERAL:
Obtención de Propilen-Glicol en estado estacionario
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Realizar el balance de materia en el mezclador y en el reactor tipo CSTR.
Realizar el balance de energía en el mezclador y en el reactor tipo CSTR.
Elaborar el diagrama de flujo del proceso de producción del Propilen-glicol.
III.
MARCO TEORICO
2.1. PROPILENGLICOL El propilenglicol, también denominado 1,2-propanodiol es un producto de amplia aplicación. Como aditivo para alimentación animal pertenece a la categoría de los “aditivos tecnológicos”, incluyéndose dentro del grupo funcional “aditivos espesantes”. [1]
El propilenglicol es un hidrato de carbono utilizado por vía oral en vacas lecheras de alta producción como fuente rápida de glucosa y energía en casos de cetosis. También se utiliza en piensos semihúmedos para pequeños animales para reducir las pérdidas de humedad y mejorar la conservación y consistencia del alimento. [1] El PGI es un líquido incoloro, soluble en agua, higroscópico, con un olor específico de glicoles, de viscosidad media, de baja presión de vapor y de baja toxicidad. El propilenglicol industrial tiene uso en numerosas industrias y tiene una amplia gama de aplicaciones prácticas. [1]
Tabla 1 Características del propilenglicol Aspecto
Liquido incoloro
Peso especifico Cenizas Formula química Nº CAS Agua Cloruros
1.0350 – 1.0389 g/cm < 70.00 ppm CH3CHOH – CH2OH 57 – 55 -6 < 0.20 % < 0.007 %
Fuente: www.pintaluba.com – Andrés Pintaluba .S.A.
2.1.1. PROPIEDADES DEL PROPILENGLICOL
Figura 1: Propiedades del propilenglicol industrial. 2.1.2.
APLICACIONES:
El propilenglicol industrial se utiliza en una amplia gama de productos, incluyendo diversos productos básicos tales como resinas de poliéster, refrigerantes para motores, pinturas de látex, fluidos de transferencia de calor y compuestos antihielo. Asimismo, satisface los requisitos para la aplicación en limpiadores líquidos, lubricantes, plastificantes y aditivos para el triturado de cemento. Se emplea como disolvente,
como medio para transferir calor o como producto químico intermedio, aprovechando sus grupos reactivos de hidroxilo. [2] El propilenglicol industrial de Dow es el glicol preferido para la fabricación de resinas de poliéster no saturadas, a su vez usadas en una variedad de aplicaciones, tales como laminados plásticos reforzados para la construcción naval, gel coats, materiales para moldeo de láminas (SMC, por sus siglas en inglés) y mármol sintético. [2] Las soluciones acuosas de propilenglicol
industrial cuentan con excelentes
propiedades anticongelantes y por lo tanto, son valiosas en la transferencia de calor a bajas temperaturas y en los fluidos antihielo para aeronaves. [2] El PGI es un codisolvente valioso para las pinturas con base de agua para edificaciones y asimismo se utiliza como producto intermedio en la producción de resinas alquídicas para pinturas y barnices. Por su capacidad de disolución es posible utilizarlo en limpiadores líquidos, incluyendo la estabilización de detergentes líquidos con enzimas para lavado de la ropa. [2]
2.2. OXIDO DE PROPILENO El propileno o propeno (H2C=CH – CH3) es un hidrocarburo perteneciendo a los alquenos, incoloro e inodoro. Es un homólogo del etileno. Como todos los alquenos presenta el doble enlace como grupo funcional. Es el segundo compuesto más utilizado en la industria química en todo el mundo. [3] El líquido es muy inflamable y el vapor forma una mezcla explosiva con el aire, el óxido de propileno puede polimerizarse violentamente. Es muy reactivo, en particular con el cloro, el amoniaco, agentes oxidantes fuertes y los ácidos. En la tarjeta Internacional sobre la Seguridad de las Sustancias Químicas se indican algunas de las propiedades físicas y químicas del óxido de propileno. [3]
2.2.1. COMPOSICIÓN: Las impurezas ordinarias que pueden presentarse en pequeñas cantidades incluyen agua, ácido acético, cloruro y aldehídos, en el producto final se pueden encontrar pequeñas cantidades de monocloroacetona, 1, 2-dicloro-33propanol y dicloruro de
propileno, cuando se produce el óxido de propileno por medio del proceso de la clorhidrina. [3]
Figura 2: Identidad y usos del óxido de propileno.
2.2.2.
PROPIEDADES QUIMICAS Y FISICAS:
Figura 3: Propiedades químicas y físicas del óxido de propileno 2.2.3.
MÉTODOS DE SÍNTESIS:
El óxido de propileno es producido por dos procesos principalmente: clorohidrinación del propileno seguida de la epoxidación y el segundo está dado por el proceso Oxirano, el cual es la reacción del propileno con peróxidos. [4]
Clorohidrinación, epoxidación:
Figura 4: Reacciones de clorohidrinación y epoxidación
Proceso Oxirano:
Figura 5: Reacción del proceso de oxirano. 2.2.4. Aplicaciones y usos:
Se emplea como intermediario para una amplia gama de productos químicos industriales y comerciales, entre los más importantes se encuentran, Polioles, propilenglicol, éteres de glicoles. [5]
Se utiliza como herbicida. [5]
Se emplea como aditivo en la industria de algodón. [5]
2.2.5. RIESGOS PARA LA SALUD: Contacto con los ojos: puede causar una irritación menor .Contacto con la piel: El contacto frecuente o prolongado puede presentar síntomas de piel reseca y de irritación ya que es una gente desengrasante suave. 2.2.6. Inhalación: No existen síntomas significativos de un daño a la salud a consecuencia de la inhalación .Ingestión: Relativamente no es tóxico. La ingestión de pequeñas cantidades (sobre 100 ml) puede causar un temporal malestar gastrointestinal y depresión del sistema nervioso central. Estos efectos son más severos en personas con problemas previos de salud Efectos Crónicos: No se conocen efectos adversos .
IV.
LA PRODUCCION DE PROPILENGLICOL EN ESTADO ESTACIONARIO PARA
3.1. APLICANDO AL CASO DE UNA PLANTA DE PROPILEN-GLICOL EN ESTADO ESTACIONARIO 3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Propilen glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua (H2O). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la Tabla 3.
Tabla 2 Condi cion es de ali mentación
Nombre Temperatura (°F) Presión Flujo molar
Óxido de Propileno
Agua
75
75
1,1 atm
16,16 psi
150 lb mol/h
Óxido de propileno
Fracción molar: 1,0
Flujo másico: 0,0 lb/h
Agua
Fracción molar: 0,0
Flujo másico: 11000,0 lb/h
Propilen glicol
Fracción molar: 0,0
Flujo másico: 0,0 lb/h
Fuente: Separata del Ing. Pascual Guevara Yanqui.
Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y presión atmosférica. La reacción, que se describe en Tabla 4, ocurre en fase líquida. El reactor tiene un volumen de 280 ft3, se supones caída de presión nula y mantiene un nivel de líquido de 85 %.
Tabla 4 Reacciones Químicas y datos cinéticos.
r 1,7 x1013 e
32 000 RT
C C H O 3
Nota: Las velocidades de reacción están dados en lbmol/ft .h. Las energías de activación están dadas en Btu/lbmol. Fuente: Separata del Ing. Pascual Guevara Yanqui.
3.2. BALANCE DE MATERIA ( ESTADO ESTACIONARIO) 3.2.1. BALANCES DE MATERIA EN EL MEZCLADOR
Mezclador
Grafico N° 1: Mezclador.
Consideraciones:
Estado estacionario (Acumulación = 0). No existe reacción química (Generación =0)
Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
La entrada de los flujos es a 75°F y a 1.1 atm Teniendo en cuenta estas consideraciones la ecuación (1) será:
6
CÁLCULO DE LA CORRIENTE
De la Tabla 3:
= 150 lbmol /h CÁLCULO DE LA CORRIENTE
:
De la Tabla 3:
CÁLCULO DE LA CORRIENTE F:
Reemplazando los valores anteriores en (3):
Tabla 5 Tabla de resultados del balance de materia en el mezclador.
COMPONENTE
,
,
,
xi, fracción
lbmol/h
lbmol/h
lbmol/h
molar en
Oxido de Propileno Agua
150
0
150
0,1971
0
611.111
611.111
0,8029
3.2.2.BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR CSTR
Reactor CSTR
Figura 2: Balance de materia en el reactor CSTR
Dónde:
: Corriente de Venteo : Corriente Producto
Consideraciones:
Estado estacionario (Acumulación = 0).
La reacción ocurre en la fase líquida, por lo tanto no existe aumento de volumen.
La composición de la salida del reactor es la misma que se origina dentro del equipo por la agitación constante y completa.
La presión de operación es la atmosférica (14,7 psia) y a una temperatura constante de 140 °F (isotérmico).
El reactivo limitante es el óxido de propileno por encontrarse en menor proporción que la cantidad estequiometria. Tomando estas consideraciones se tiene:
Como el R.L es el óxido de prolileno se tiene que:
() CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN: De la ley de velocidad:
Dónde:
k 1,7 x 10
13
e
32 000 RT
h 1
CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA MEZCLA REACCIONANTE
Viene a ser el 85% del volumen del reactor: V 0,85V reactor
0,85280 ft 238 ft 3
3
Reemplazando estos valores en (6):
() Despejando la conversión:
CÁLCULO DEL CAUDAL VOLUMÉTRICO DE ALIMENTACIÓN
0
agua óxidode propile no
De tablas: Densidad del agua: = 62.30lb/pie3 Densidad del óxido de propileno: = 49.32lb /pie3 Caudal volumétrico inicial de agua:
agua
611.111
f t 1 f t 176.565 h 1lbmol 62.30lb
lbmol h
18 lb
3
Caudal volumétrico inicial del óxido de propileno:
3
óxidode propileno
150
3 1 ft ft 3 176.399 h 1lbmol 49.32 lb
lbmol 58 lb h
Finalmente:
0
176 .565 176 .399 352 .964
ft 3 h
Reemplazando en (8) todos los valores calculados a una temperatura de 140°F (600 R): Donde:
[ ] [ ]
CÁLCULO DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOS PRODUCTOS DE REACCIÓN
Tabla 6 Tabla de resultados del balance de materia en el reactor
, Especie i
lbmol/h
xi, fracción molar en
,
xi,
lbmol/h
fracción molar
en
Oxido de Propileno
150
0,197
5.790
0,009
Agua
610.595
0,803
466.901
0,757
Propilen glicol
0
0
144.210
0,234
3.3.
BALANCE DE ENERGIA (ESTADO ESTACIONARIO) 3.3.1. BALANCE DE ENERGÍA EN EL MEZCLADOR o
o
Q W E cinética E potenc ial U
P
F
(9)
Consideraciones
Estado estacionario (Acumulación = 0). o
No existe considerable generación de energía y trabajo del eje (W 0 ).
Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.
Las pérdidas de energía por las tuberías y accesorios son despreciables ( F 0 ).
Las variaciones de energía cinética y potencial, de trabajo de flujo son despreciables (
E cinética 0, E potencial 0
).
El calor de mezclado es despreciable por la rapidez que ocurre en el proceso ( o
Q
0 ). U 0
Finalmente:
El proceso es isotérmico.
Tabla 7 Condiciones físicas de la mezcla a la salida d el mezclador
Parámetros
Corriente
Corriente
Corriente
Temperatura, ºF
75
75
75
Presión, psia
16,16
16,16
16,16
Flujo molar, lbmol/h
150
611.111
761.111
Fracción molar de vapor
0
0
0
3.3.2. BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR o
o
Q W
n
T
i
1
T i 0
F i 0Cpi dT H Rx T F A0 X A
(10)
Consideraciones
Estado estacionario (Acumulación = 0). o
No existe trabajo de eje ( W 0 ).
Los calores específicos son constantes en el intervalo de integración.
El calor de reacción debe evaluarse a la temperatura de operación del reactor, la temperatura de referencia para las entalpías de formación es de 68 °F. o
Q
n
F i Cpi T T i H Rx T F A X A 0
0
0
i 1
(11)
CÁLCULO DE LAS CAPACIDADES ESPECÍFICAS Del texto: Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, H. Scout Fogler, tercera edición – página 446:
CÁLCULO DEL CALOR DE REACCIÓN A LA TEMPERATURA DE OPERACIÓN o 68º F Cp 140 68 H Rx 140º F H Rx (12) Cálculo del calor de reacción la temperatura de referencia (68°F): Las entalpías de
formación se obtuvieron del texto Elementos de Ingeniería de las reacciones químicas, H. Scout Fogler, tercera edición – página 447:
o H Rx 68º F 226 000 123 000 66 600 36 400
Cp
46 18
35 7
BTU lbmol
BTU lbmol
Reemplazando en (12): H Rx 140º F 36 400 7140 68 36 904
BTU lbmol
CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DEL REACTOR
Reemplazando todos los valores calculados en (9): o
Q
150 35
140
611,1 18
75
36 904 150
0,959
Q = -4.25x106 BTU/h
3.4. DIAGRAMA DE BLOQUES PARA PRODUCIR PROPILENGLICOL
1
4 Mezclador
3
2
Reactor CSTR
5
Figura 8: Balance de materia general para la producción de propilenglicol 1: Alimentación del Óxido de Propileno. 2: Alimentación de Agua. 3: Mezcla de alimentación al reactor. 4: Venteo, corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la reacción. 5: Productos finales a la salida del reactor.
3.4.1. COMPOSICIONES DE LAS CORRIENTES Tabla 8 Tabla de resultados del balance de materia
Corrientes Especie i
Corriente 1 ,
Corriente 2 ,
Corriente 3,
Producto 5,
lbmol/h
lbmol/h
lbmol/h
lbmol/h
Oxido de Propileno
150
0
150
5.790
Agua
0
610.595
610.595
466.901
Propilen glicol
0
0
0
144.210
Total
150
610.595
760.595
616.901
Fuente: Elaboración propia
V.
RESULTADOS
BALANCE DE MATERIA DEL MEZCLADOR 1,
2,
3,
xi, fracción
lbmol/h
lbmol/h
lbmol/h
molar en 3
150
0
150
0,1971
0
611.111
611.111
0,8029
Corrientes Oxido de Propileno Agua
BALANCE DE MATERIA DEL REACTOR CSTR 3,
xi,
5,
xi,
lbmol/h
fracción
lbmol/h
fracción
Corrientes Especie i
molar en F
molar en P
Oxido de Propileno
150
0,197
5.790
0,009
Agua
610.595
0,803
466.901
0,757
Propilen glicol
0
0
144.210
0,234
BALANCE DE ENERGÍA DEL MEZCLADOR Parámetros
Corriente 1
Corriente 2
Corriente 3
Temperatura, °F
75
75
75
Presión, psia
16,16
16,16
16,16
Flujo molar, lbmol/h
150
611.111
761.11
Fracción molar de vapor
0
0
0
BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR ∆H i,f ,
∆Hrx (68 F),
BTU/lbmol
BTU/lbmol
Especie i
-36 400
Cp,
∆ Cp
∆Hrx (140 oF),
BTU/lbmol
Oxido de Propileno
-66 600
35
Agua
-123 000
18
Propilen glicol
- 226 000
46
-7
-36 904
BALANCE GENERAL Especie i
Corriente A ,
Corriente B ,
Corriente F,
Producto P,
lbmol/h
lbmol/h
lbmol/h
lbmol/h
Oxido de Propileno
150
0
150
5.790
Agua
0
610.595
610.595
466.901
Propilen glicol
0
0
0
144.210
Total
150
610.595
760.595
616.901
Agua
Vapor
Mezcla
1
4 3
Oxido de prolileno 2
M-100 R-100
Producto 5
UNCP
FIQ
DPTO. ACADEMICO DE INGENIERIA ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS 093-B
DIAGRAMA DE FLOWSHEET (Producción de Propilenglicol) POR: PAITAN DE LA CRUZ;
Luis Ángel, ARECHE SULLCA; Francois
Vo.Bo. V.G.Y.
13/11/2013
ESCALA:
1 4 3 2
5
1 4 3 2
5
UNCP
DPTO. ACADEMICO DE INGENIERIA
FIQ
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS 093-B
DIAGRAMA DE BLOQUES (Producción de Propilenglicol) POR: PAITAN DE LA CRUZ;
Luis Ángel, ARECHE SULLCA; Francois
VI.
Vo.Bo. V.G.Y.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
H. Scout Fogler,“Elementos De Ingeniería De Las Reacciones Químicas” tercera ed. página 447-448
Gael D. Ulrich, “Diseño y Economía De Los Procesos De Ingeniería Química” Primera ed. Página 33-46
Perry, J.H., and C.H. Chilton, and S.D. kirpatrick, chemical Engineers Handbook, 4th edition, p. 6-19, section 9, McGraw-Hill, New York (1963)
[1] www.pintaluba.com – Andres Pintaluba .S.A.
13/11/2013
ESCALA:
VI.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
H. Scout Fogler,“Elementos De Ingeniería De Las Reacciones Químicas” tercera ed. página 447-448
Gael D. Ulrich, “Diseño y Economía De Los Procesos De Ingeniería Química” Primera ed. Página 33-46
Perry, J.H., and C.H. Chilton, and S.D. kirpatrick, chemical Engineers Handbook, 4th edition, p. 6-19, section 9, McGraw-Hill, New York (1963)
[1] www.pintaluba.com – Andres Pintaluba .S.A.
[2] www.dogpg.com - Hoja de datos técnicos.
[3] Guía para la salud y seguridad Nº 15 – PISSQ.Metepec. Mexico-2006
[5] http://www.corquiven.com
ARANGO LAZO, Cristhian, CONTRERAS SANABRIA, Katheryn Lizet “Simulación En Un Sistemas Estacionaria Y Dinámica Con Hysis, Chemcad Para La Produccion De Una Planta De Propilenglicol” UNCP 2012