IVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA E INGENIERIA METALURGICA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUÍMICA SEMESTRE 2013-II
PRODUCCIÓN DE ACETATO DE VINILO
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ASIGNATURA: DISEÑO DE PROCESOS
DOCENTE: DR. ING. BALTAZAR NICOLAS CACERES HUAMBO
ESTUDIANTES:
NICOLAS PUMA MUJICA SUSAN JALIXTO FERNANDEZ MARLENI CURASI ORDOÑEZ CUSCO – PERÚ 2013
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INDICE 1.- Introducción 2.- Objetivos 2.1.- Objetivo General 2.2.- Objetivos Específicos 3.- Justificación 4.- Marco Teórico 5.- Diagrama de Bloques Global 6.- Descripción del Proceso 7.- Diagrama de Flujo del Proceso Global 8.- Balance de Masa 9.- Balance de Energía 10.- Anexos 11.- Bibliografía
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1.- INTRODUCCION
En el presente proyecto se realizará el modelado del proceso de obtención del monómero acetato de vinilo. Primero se realizara un modelado teórico del proceso, posteriormente será implementado en el simulador Hysys. Los datos de partida para realizar el siguiente trabajo es una estructura del diagrama de bloques con información sobre corrientes y equipos. Incentivando el desarrollo industrial de nuestro país, haciendo posible de esta manera el crecimiento económico de nuestra nación, procurando poner en práctica los conocimientos adquiridos en nuestra formación profesional, haciendo uso de bibliografía especializada, tomando como referencia este tipo de industrias existentes en el mercado.
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2.- OBJETIVOS
2.1.- Objetivo General:
Simular el proceso de producción de Acetato de Vinilo.
2.2.- Objetivos Específicos:
Realizar el diagrama de bloques del proceso.
Realizar el diagrama de flujo del proceso.
Realizar los balances de masa y energía.
Simular el proceso de producción de Acetato de Vinilo.
3.- JUSTIFICACION El acetileno, debido a su precio, ha sido sustituido por etileno que es una alternativa de menor coste. Los procesos que se utilizan en la actualidad son 1.b y 3.b. Los procesos 1.a, 2 y 3.a ya no se emplean, mientras que el proceso 4 todavía no se ha empleado en la industria (quizás obtenga mayor importancia en un futuro debido a que los materias primas necesarias se pueden obtener fácilmente a partir de carbón o nafta). El acetato de vinilo (CH3COOCH=CH2) es un compuesto de la industria química básica orgánica y constituye el primer eslabón para la fabricación de innumerables compuestos usados cotidianamente en todo el mundo. Actualmente, se producen en torno a 4,9 millones de toneladas anuales en todo el mundo, de las que Estados Unidos acapara el 30% aproximadamente. El acetato de vinilo (AV) es un producto químico de gran importancia industrial, ya que es usado para fabricar una amplia variedad de productos industriales y de consumo, entre ellos el poliacetato de vinilo usado para producir las pinturas, pegamentos y capas para los substratos flexibles; el alcohol polivinílico, los acetales polivinílicos utilizados en la producción del aislamiento para el alambre magnético y los copolímeros del acetato de vinilo del etileno.¹ http://www.repositorio.uis.edu.co/... SINTESIS DE ACETATO DE VINILO A PARTIR DE LA REACCION CETENA Y ACETALDEHIDO. Autores: Ederman Calderón Bohorquez y Néstor Mauricio Sarmiento Delgado. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE
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SANTANDER, FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS, ESCCUELA DE INGENIERIA QUIMICA. BUCARAMANGA 2005. Entre los países productores de acetato de vinilo destacan, además de Estados Unidos: Australia, Brasil, Canadá, China, Francia, Alemania, los países británicos, India, Japón, Méjico, Sudáfrica y España. El precio de mercado es de 50€ la tonelada.
http://www.bibling.us.es/... MODELADO, SIMULACION Y CONTROL DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ACETATO DE VINILO. Yolanda Sánchez Reina. Perú carece de la existencia de una industria petroquímica desarrollada, lo que lo convierte en un importador neto de insumos y materias plásticas en formas primarias. De acuerdo con datos de la Sociedad Nacional de Industriales de Perú (SNI), el 99% de estas son de origen extranjero. De acuerdo con datos del Ministerio de la Producción, en Perú existen 916 empresas dedicadas a la fabricación de productos de plástico, donde la región de Lima concentra el 82,6%, Callao, el 4,0%, Arequipa, el 3,3%, y Junín, el 2,8%. www.legiscomex.com/BancoMedios/... PLASTICO Y SUS MANUFACTURAS EN PERU. Marzo 04 del 2009. Como se observa, el acetato de vinilo es una de las materias primas más imprescindibles para la producción de plásticos y por ello, es de necesidad importante el aumento de su producción a nivel nacional, y aún a nivel regional.
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4.- MARCO TEÓRICO 4.1.- Acetato de vinilo: El acetato de vinilo es una sustancia química reactiva que es polimerizada típicamente para formar el acetato de polivinilo y los copolímeros de acetato de vinilo. El acetato de vinilo es un líquido incoloro parcialmente soluble en agua, muy inflamable. Tiene un olor dulce a frutas en cantidades pequeñas, pero el olor puede volverse intenso e irritante a niveles más altos. Por lo general se embarca y almacena en recipientes de capacidad grande, a granel marcados claramente. El acetato de vinilo (AV) es un monómero que al polimerizar forma algunos polímeros de importantes aplicaciones industriales como lo son el acetato de polivinilo, alcohol de polivinilico, el butiral polivinilico, copolimeros vinil cloraros y fibras acrílicas entre otros; industrialmente es producido por diferentes métodos que se basan en la reacción de acetileno a acetato de vinilo, ya sea en fase liquido o en fase gaseosa. La fórmula general del acetato de vinilo es:
TABLA 4.1: PROPIEDADES DEL ACETATO DE VINILO
Fuente: Handbook of Polymer Synthesis. PROPIEDADES GENERALES DEL MONÓMERO DE ACETATO DE VINILO VALOR PROPIEDADES Peso de la fórmula 86.09 Temperatura crítica 246°C (474.8°F) Presión crítica 574.0 psia (39.0 atm) Punto normal de ebullición @ 760 mm Hg = 72.7°C (162.9°F) Calor de combustión @ 25°C = -495 Kcal/mole Índice de refracción (nD^20) 1.3953
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Punto de inflamabilidad Temperatura de auto ignición Estado físico Tasa de evaporación relativa (n-acetato de butilo = 1) Presión de vapor @ 60°C Presión de vapor @ 20°C Ecuación de Antoine
Tag Closed Cup =-8°C (18°F); Tag Open Cup =-°C(25°F) 385-426.9°C (725-800°F) Líquido 8.9
487.4 mm Hg 89.1 mm Hg Log P = A - [B/(T+C)] - Log = Base 10 - T = °C - P = mm Hg - Range = 10 to 83°C Coeficiente de ecuación - A = 7.51868 - B = 1452.058 - C = 240.588 Color Claro y sin color Gravedad específica (20/20°C) 0.934 Densidad del vapor (Aire =1.00) 2.97 Viscosidad @ 20°C 0.43 cps Punto de derretimiento -92.8°C (-135°F) Calor de vaporización (1 atm) 87.6 cal/g Calor de polimerización 21.3 Kcal/mole Calor específico @ 20°C (liq.) 0.46 cal/g °C Olor No desagradable, olor dulzón en pequeñas cantidades Umbral de olor Aprox. 0.25-0.5 ppm Reactividad Reactivo con sí mismo y con una variedad de otras sustancias químicas. Es estable cuando está almacenado e inhibido adecuadamente. Solubilidad en el agua: - AV en agua @ 2.3% por peso 20°C - AV en agua @ 20°C 1% por peso Sensibilidad a la luz La luz promueve la polimerización Conductividad eléctrica @ 23°C 2.6 x 104 pS/m (1 S = 1 mho) Tensión de la superficie (20°C) 23.6 dynes/cm Coeficiente de expansión cúbica 0.00137 per °C at 20°C Límite superior de inflamabilidad 13.4 vol% en aire Límite inferior de inflamabilidad 2.6 vol% en aire www.lyondellbasell.com/techlit/... GUIA PARA EL MANEJO SEGURO DEL ACETATO DE VINILO. VINIL ACETATE COUNCIL (Consejo del Acetato de Vinilo). El acetato de vinilo fue reportado por primera vez en 1912 en una patente que describe la preparación del 1,1-diacetoxyetano a partir de la reacción del acetileno y el ácido acético, apareciendo el acetato de vinilo como un subproducto de esta reacción. El interés industrial en el acetato de vinilo y el acetato de polivinilo comenzó en 1925 cuando se perfeccionaron procesos de obtención con mayores conversiones, pero fue hasta 1986 donde se produjeron grandes cantidades anuales de acetato de vinilo en Estados Unidos, Europa y Japón.
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4.2.- Aplicaciones
Las principales aplicaciones del acetato de vinilo se mencionan a continuación:
Plásticos Películas y láminas plásticas Adhesivos y pegamentos Pinturas de emulsión en agua Revestimiento en plásticos para envasar alimentos Cristales de seguridad Materiales adhesivos de aplicación en la construcción Fibras acrílicas Papel Aditivos de aceites lubricantes Modificador de almidón
De todas las aplicaciones, la más importante sin duda es la fabricación de plásticos, y a su vez la producción se distribuye del modo siguiente: 82% acetatos polivinílicos; de entre los que destaca el alcohol de polivinilo (PVHO), 8% acetato del vinilo del etileno (EVA), 6% alcohol del vinilo del etileno (EVOH), 1% cloruro de vinilo/copolímero del acetato de vinilo (VCM/VAM) y un 3% de otros polímeros. http://www.bibing.us.es/... MODELADO, SIMULACION Y CONTROL DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ACETATO DE VINILO. Yolanda Sánchez Reina.
4.3.- Procesos de producción Existen varias rutas posibles para la producción de acetato de vinilo, son las siguientes:
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El acetileno, debido a su precio, ha sido sustituido por etileno que es una alternativa de menor coste. http://www.bibing.us.es/... MODELADO, SIMULACION Y CONTROL DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ACETATO DE VINILO. Yolanda Sánchez Reina.
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5.- DIAGRAMA DE BLOQUES GLOBAL
CO₂(g)
O₂ (g)
REACT OR
A de V (g) SISTEMA DE SEPARACIO N
C₂H₄ (g)
DESTILA CION
A. ACETICO(l)
H₂O(l)
6.- DESCRIPCION DEL PROCESO Para la obtención de acetato de vinilo se emplean tres reactivos: etileno (C 2H4), oxígeno (O2) y ácido acético (HAc). Dichos reactivos se convierten en acetato de vinilo (VAc) como producto principal, además también se obtienen agua y dióxido de carbono como subproductos. Consideramos las dos siguientes reacciones:
Las reacciones exotérmicas tienen lugar en un reactor catalítico. Las reacciones son irreversibles y los órdenes de reacción tienen una dependencia con la temperatura tipo Arrhenius. El efluente del reactor fluye hasta un intercambiador de calor. Después es enfriado con agua refrigerante; la corriente gaseosa (oxígeno, etileno, dióxido de carbono) y líquida (acetato de DISEÑO DE PROCESOS
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vinilo, agua, ácido acético) son separadas en un separador. La corriente gaseosa procedente del separador es enviada a un compresor; a su vez, la corriente líquida se convierte en parte de la alimentación de la columna de destilación azeotrópica. El gas de salida del compresor se introduce en el fondo de un absorbedor, donde se recupera el acetato de vinilo restante. Parte de la corriente líquida que se obtiene por el fondo se enfría e introduce en la mitad del absorbedor. Ácido acético líquido que ha sido enfriado se introduce en la cabeza del absorbedor para facilitar el lavado final. Los productos líquidos de cola obtenidos en el absorbedor se mezclan con la corriente líquida procedente del separador alimentándose a la columna de destilación. Parte del gas de cabeza que abandona el absorbedor se introduce en el sistema de eliminación de dióxido de carbono, éste es como un separador con una determinada eficiencia que es función de la velocidad y la composición. La corriente gaseosa (menos el dióxido de carbono) es evacuada, parte de la misma se envía a la purga para eliminar el etano (inerte) del proceso. El resto se mezcla con la corriente de gas de reciclo y se dirige al intercambiador de calor situado tras el reactor. Hay una corriente de alimentación de etileno fresco. La corriente de gas de reciclo, la alimentación de ácido acético fresco , y la corriente líquida de ácido acético de reciclo se introducen en el evaporador, donde se emplea vapor para vaporizar el líquido. La corriente gaseosa obtenida en el evaporador es después calentada hasta la temperatura deseada de entrada el reactor. Se añade oxígeno fresco a dicha corriente gaseosa antes de introducirla en el reactor para mantener la composición de oxígeno en la corriente de reciclo de gas fuera de la región de explosividad. La columna de destilación azeotrópica separa el acetato de vinilo y el agua del ácido acético no convertido. El producto de cabeza es condensado con agua de refrigeración y el líquido es enviado al decantador, donde se separan el acetato de vinilo y el agua. Los productos orgánicos y acuosos son enviados a un posterior refinamiento en otra sección de destilación. Ignoramos los pasos de separación adicional requeridos para producir acetato de vinilo con la suficiente pureza. El producto de cola de la columna de destilación contiene ácido acético, parte de esta corriente se recircula al vaporizador junto con ácido acético fresco. Otra parte de la corriente de cola constituye el ácido de lavado empleado en el absorbedor después de ser enfriada.
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7.- DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
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8.- BALANCE DE MASA Se tiene las reacciones químicas globales:
① C₂H₄ + CH₃COOH + ⅟₂O₂ → CH₂CHOCOCH₃ + H₂O ② C₂H₄ + 3O₂ → 2CO₂ + 2H₂O De la reacción ①: CH₃COOH necesario para la conversión: ₃ ₂ ₄
CH₃COOH consumido: ₃
→
₂ ₄
CH₂CHOCOCH₃ obtenido: →
₂
₃ ₂ ₄
C₂H₄ necesario: →
₂
₃
O₂ necesario: →
₂ ₂ ₄
H₂O formado:
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₂
→
₂ ₄
De la reacción ②: C₂H₄ necesario: →
₂
O₂ que reacciona: ₂
→
₂ ₄
CO₂ formado: ₂
→
₂ ₄
H₂O formado: ₂
→
₂ ₄
GUIA: Díaz Bravo, Pablo. Balance de Materia y Energía-Problemas Resueltos. 3ra.Ed. 1997. Págs. 88-89.
De la reacción ①: Si: 30.60 Kg C₂H₄
94% → 100% = 32.55 Kg C₂H₄
Si: 107.43 Kg O₂
94% → 100% = 114.29 Kg O₂
De la reacción ②:
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Si: 59.82 Kg C₂H₄
94% → 100% = 63.64 Kg C₂H₄
Total Kg de los reactantes y productos:
→ C₂H₄ = (63.64 + 32.55) Kg = 96.19 Kg → CH₃COOH = 214.29 Kg → O₂ = (114.29 + 68.37) Kg * (13.4% / 100%) = 24.48 Kg → CH₂CHOCOCH₃ = 288.71 Kg → CO₂ = 94.0 Kg → H₂O = (60.43 + 38.46) Kg = 98.89 Kg
Convirtiendo las masas a moles:
→ C₂H₄ = (1 Kgmol * 96.19 Kg / 28 Kg) = 3.44 Kgmol → CH₃COOH = (1 Kgmol * 214.29 Kg / 60 Kg) = 3.57 Kgmol → O₂ = (1 Kgmol * 24.48 Kg / 32 Kg) = 0.77 Kgmol → CH₂CHOCOCH₃ = (1 Kgmol * 288.71 Kg / 86 Kg) = 3.36 Kgmol → CO₂ = (1 Kgmol * 94 Kg / 44 Kg) = 2.14 Kgmol → H₂O = (1 Kgmol * 98.89 Kg / 18 Kg) = 5.49 Kgmol
Fracciones Molares de Alimentación: C ₂ H₄
= 3.44 = 0.442
CH₃COOH
= 3.57 = 0.459
O₂
= 0.77 = 0.099 7.78
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Fracciones Molares de los Productos: CH₂CHOCOCH₃
= 3.36 = 0.306
CO₂
= 2.14 = 0.195
H₂ O
= 5.49
= 0.499
10.99
1.000
BASE DE CÁLCULO: 100 Kgmol/h DE ALIMENTACION: Multiplicando por 100 las fracciones, se tiene:
→ C₂H₄ = 44.2 Kgmol/h. → CH₃COOH = 45.9 Kgmol/h. → O₂ = 9.9 Kgmol/h.
Multiplicando por 100 las fracciones de los Productos, se tiene:
→ CH₂CHOCOCH₃ = 30.6 Kgmol/h. → CO₂ = 19.5 Kgmol/h. → H₂O = 49.9 Kgmol/h.
9.- BALANCE DE ENERGIA Datos: T₁ = 140°C T₂ = 159°C Capacidades caloríficas y entalpías de formación de los reactantes y de los productos: Cpi
ΔH°f
CH₃COOH = 109.8 KJ/Kg.mol.°C
--484.5 KJ/mol
C ₂ H₄
= 55.25 KJ/Kg.mol.°C
52.51 KJ/mol
O₂
= 30.51 KJ/Kg.mol.°C
0
ACETATO = 132.3 KJ/Kg.mol.°C DISEÑO DE PROCESOS
--316.103 KJ/mol
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H₂ O
= 34.92 KJ/Kg.mol.°C
--241.818 KJ/mol
CO₂
= 42.29 KJ/Kg.mol.°C
--393.509 KJ/mol
ΔH(sale) – ΔH(entra) = (n₄ΔH°₄ + n₅ΔH°₅ + n₆ΔH°₆) – (n₁ΔH°₁ + n₂ΔH°₂ + n₃ΔH°₃) + ʃ (n₄Cp₄ + n₅Cp₅ + n₆Cp₆)dT - ʃ (n₁Cp₁ + n₂Cp₂ + n₃Cp₃)dT Ecuación obtenida del texto:
Himmelblau, David M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. 6ta ed. Prentice-Hall Hispanoamericana S. A. 1997. Pág. 444.
Para el CH ₃COOH = (45.9 Kgmol/h*--484.5 KJ/Kgmol) = --22238.55 KJ/h Para el C₂H₄
Para el H₂O
= (44.2 Kgmol/h* 52.51 KJ/Kgmol) = 2320.94 KJ/h =0 = (9.9 Kgmol/h* 0) = (49.9 Kgmol/h*--241.818 KJ/Kgmol) = --12066.72 KJ/h
Para el CO₂
= (19.5 Kgmol/h*--393.509 KJ/Kgmol) = --7673.43 KJ/h
Para el Acetato
= (30.6 Kgmol/h*--316.103 KJ/Kgmol) = --9672.75 KJ/h.
Para el O₂
Para el CH ₃COOH: Q ₁ = 45.9 Kgmol 109.8 KJ (159 – 140) °C = 95756.58 KJ/h. h
Kg.mol.°C
Para el C₂H₄: Q ₂ = 44.2 Kgmol 55.25 KJ h
(159 – 140) °C = 46398.95 KJ/h.
Kg.mol.°C
Para el O₂: Q ₃ = 9.9 Kgmol h
30.51 KJ
(159 – 140) °C = 5738.93 KJ/h.
Kg.mol.°C
Para el H₂O: Q ₄ = 49.9 Kgmol 34.92 KJ DISEÑO DE PROCESOS
(159 – 140) °C = 33107.65 KJ/h.
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h
Kg.mol.°C
Para el CO₂: Q ₅ = 19.5 Kgmol 42.29 KJ h
(159 – 140) °C = 15668.45 KJ/h.
Kg.mol.°C
Para el Acetato de Vinilo: Q ₆ = 30.6 Kgmol
132.3 KJ
h
(159 – 140) °C = 76919.22 KJ/h.
Kg.mol.°C
Reemplazando en la anterior ecuación:
ΔH(sale) – ΔH(entra) = (--29412.9 + 19917.61) KJ/h + (125695.32 – 147894.46) KJ/h = --31694.43 KJ/h.
10.-CONCLUSIONES
La reacción es altamente exotérmica de la cual se puede aprovechar la energía.
El porcentaje de conversión del etileno se ha supuesto por datos experimentales 94%.
De acuerdo al balance de masa podemos deducir que a ver una pequeña generación de residuos.
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ANEXOS
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