PRODUCCION DE BUTADIENO A PARTIR DE BUTANO
1. RESUMEN: Se realizará un análisis de la producción de butadieno en una planta de deshidrogenación de butano. El butadieno se produce comercialmente por tres procesos: Craqueo con vapor de hidrocarburos parafínicos, es una compleja reacción endotérmica de pirolisis, es el método predominante, lo que representa más de 91% del suministro de butadieno en el mundo. Es casi exclusivamente manufacturado por este proceso en los Estados Unidos, oeste de Europa y Japón. Deshidrogenación catalítica catalítica de n-butano y n-buteno (el proceso de Houdry). Deshidrogenación oxidativa de n-buteno (la Oxo-D o el proceso pr oceso Oxd). La Tecnología que se estudiara es Lummus Technology-Butadieno a partir del butano. En la industria química el 1,3-butadieno es principalmente una materia prima en la fabricación de elastómeros sintéticos, y sobre todo de cauchos sintéticos (caucho estireno-butadieno (SBR) y el polibutadieno). Se utiliza en gran medida en varias partes de los neumáticos de automóvil, la fabricación de neumáticos consume alrededor del 70% de la producción mundial de butadieno, se usa principalmente en la pared lateral de los neumáticos de camiones, lo que ayuda a mejorarla fatiga a la vida el fracaso debido a la flexión continua durante la marcha.. También se utiliza en la porción de banda de rodadura de neumáticos para camiones gigantes para mejorar la abrasión, es decir, menos desgaste, y para ejecutar el neumático comparativamente fresco, ya que el calor interno sale rápidamente. Ambas partes se forman por extrusión.
2. INTRODUCCION El aumento de la producción de etileno basado en etano en América del Norte y el Medio Oriente hará que materia prima butadieno crezca a un ritmo más lento que la demanda. Las fuentes de suministro de butadieno incluyen deshidrogenación, sin embargo en los próximos 10años surgirán de base biológica. Estas nuevas fuentes de suministro impulsarán cambios en las corrientes tradicionales y las relaciones de precios. El nombre butadieno también puede hacer referencia a su isómero, 1,2-butadieno. Aunque su importancia es casi nula al lado del 1,3butadieno. Cerca del 75% del 1,3-butadieno que se manufactura se usa para fabricar fabricar caucho sintético. El caucho sintético es usado extensamente en e n neumáticos para automóviles y camiones. También se usa para fabricar fabricar plásticos, entre los que se incluyen los los acrílicos. La gasolina La gasolina contiene pequeñas cantidades de 1,3-butadieno. 1,3 -butadieno. 3. HISTORIA En 1863, un químico francés aisló un hidrocarburo previamente desconocido de la pirolisis del del Alcohol amílico. Este hidrocarburo se identificó como butadieno en 1886, después de que que Henry Edward Armstronglo Armstronglo aislara de entre los productos de pirolisis del petróleo. En 1910, el químico ruso Sergei ruso Lebedev butadieno polimerizado, y obtuvo un material con propiedadessimilares propiedadessimilares al caucho. Este
polímero es, sin embargo, demasiado suave para sustituir el caucho natural en muchas funciones, sobre todo los neumáticos del automóvil. 3.1 BUTADIENO El 1,3-butadieno es un alqueno que se produce en la destilación del petróleo. El 1,3butadienoocupa el lugar número 36 entre las sustancias químicas de más alta producción en los EE. UU. Es un gas incoloro de olor levemente parecido a la gasolina. El nombre butadieno también puede hacer referencia a su isómero, 1,2-butadieno. Aunque su importancia es casi nula al lado del 1,3- butadieno. Cerca del 75% del 1,3-butadieno que se manufactura se usa para fabricar caucho sintético. El caucho sintético es usado extensamente en neumáticos para automóviles y camiones. También se usa para fabricar plásticos, entre los que se incluyen los acrílicos. La gasolina contiene pequeñas cantidades de 1,3-butadieno. 3.2 ESTRUCTURA QUIMICA 3.2.1 ISOMEROS Cada molécula de polibutadieno contiene una cierta proporción de tres isómeros distintos, denominados cis, trans y vinilo. El monómero 1,3-butadieno es un dieno conjugado, es decir, posee dos dobles enlaces separados por un simple enlace. En la reacción de polimerización pueden intervenir uno sólo o los dos dobles enlaces. Cuando sólo se activa uno de los dobles enlaces, dos de los carbonos del butadieno se añaden a la cadena principal de polibutadieno y los otros dos quedan colgando a un lado. A esto se le denomina polimerización en posición 1-2. Como los dos carbonos dejados de lado recuerdan aun radical Vinilo, se dice que se ha formado una unidad o grupo vinilo.
Cuando sólo se activa uno de los dobles enlaces, dos de los carbonos del butadieno se añaden a la cadena principal de polibutadieno y los otros dos quedan colgando a un lado. A esto se le denomina polimerización en posición 1-2. Como los dos carbonos dejados de lado recuerdan aun radical Vinilo, se dice que se ha formado una unidad o grupo vinilo. Polibutadieno 1-2 (unidad vinilo) Si, por el contrario, ambos dobles enlaces participan en la reacción, los cuatro carbonos
del butadieno se incorporan a la cadena principal y se forma espontáneamente un nuevo doble enlace entre los carbonos 2 y 3. En este caso, llamado polimerización en posición 1-4, la geometría dela molécula formada será diferente según la posición relativa de los dos carbonos de los extremos (1 y 4). Si quedan en el mismo lado del doble enlace (configuración cis), la molécula sufrirá un giro mientras que si quedan en lados opuestos (configuración trans), la molécula sigue polimerizando en la misma dirección.
El que una molécula de butadieno sea incorporada en configuración cis, trans o vinilo depende de las condiciones de reacción, sobre todo del tipo de catalizador utilizado. Más abajo se discuten los distintos tipos de polibutadieno que se pueden obtener según su contenido relativo en cis, trans y vinilo. 3.2.2 TIPOS Según el catalizador utilizado en su producción se pueden obtener diferentes tipos de polibutadieno, cada uno con unas propiedades específicas.
4. APLICACIONES DE BUTADIENO La aplicación industrial del butadieno se basa en su aptitud para la homopolimerización y en su fácil copolimerización con numerosos monómeros no saturados. Puesto que posee varios centros de reactividad, el butadieno participa en numerosas reacciones, sobre todo, en las de adición y ciclación que llevan a síntesis de importantes productos intermedios. A los productos mencionados en primer lugar corresponden una serie de elastómeros, que según como polimericen pueden ser elásticos, estables a la abrasión, al desgaste, al frío y al calor, así como estables a la oxidación, al envejecimiento y a los disolventes. Como monómero de copolimerización con butadieno se emplean preferentemente estireno y acrilo nitrilo. Para la clasificación de los elastómeros se usa un código con la denominación “rubber”. Las tres clases más importantes de caucho son:
SBR estireno-butadieno-caucho BR caucho de butadieno (1,4-cis-polibutadieno) NBR----Nitril-caucho (copolímero de butadieno-acrilo nitrilo) ABS Resinas Adiponitrile K-Resin MBS (metacrilato-butadieno-estireno Resinas) Caucho nitrilo Policloropreno Caucho SB Goma (emulsión y solución) Látex SB Elastómeros Termoplásticos
La importancia relativa de cada una de las clases de caucho se deduce claramente de las producciones de caucho de síntesis en los EEUU en 1976 y del consumo de caucho de síntesis en Europa Occidental en 1976.A otro grupo pertenecen los terpolímeros para su elaboración termoplástica, como ABS- polimerizado, que se o btiene por copolimerización de acrilo nitrilo, butadieno y estireno, y que se distinguen por su alta tenacidad a los golpes, incluso a bajas temperaturas. La siguiente prospección de las aplicaciones del butadieno en los EEUU (1974) muestra que el73% de la producción total de butadieno se utiliza en la fabricación de homo y copolímeros.
El butadieno actualmente gana creciente importancia como producto intermedio. Así se obtiene de él el cloropreno, a través del producto de adición con cloro, el 3,4-dicloro-1-buteno, que por eliminación de HCl da lugar al mismo, y por hidrocianuración, es decir, adición duplicada de CNH, se obtiene el adiponitrilo. También se puede transformar en 1.4-butandiol mediante diferentes etapas intermedias. La ciclomeriazación del butadieno en presencia de catalizadores órgano metálicos produce 1,5ciclooctadieno y por trimerización el 1, 5, 9 –ciclo de catrieno. Ambos compuestos son productos de partida importantes para la preparación de poliamidas superiores. Finalmente, el butadieno reacciona reversiblemente en adición 1,4 con SO 2 para dar sulfoleno, que por hidrogenación pasa a sulfolán, o dióxido de tetrahidrotiofeno, térmicamente muy estable: El sulfolán es un disolvente industrial, aprótico y muy estable, que, por ejemplo, se emplea para la
destilación extractiva de aromáticos o junto con diisopropanolamina en el proceso sulfinol para purificación de gases (separación de gases ácidos). El productor de sulfolán es la Shell, con una capacidad de 11000 toneladas anuales. 5. TECONOLOGIA EXISTENTE El butadieno se produce comercialmente por tres procesos: Craqueo con vapor de hidrocarburos parafínicos, es una compleja reacción endotérmica de pirolisis. Deshidrogenación catalítica de n-butano y n-buteno; Proceso de Houdry (CATODIENE). Deshidrogenación oxidativa de n-buteno, Proceso de Oxd.
Se basara el estudio en el segundo proceso para obtener butadieno a partir de alcanos C4 5.1 TECNOLOGÍA LUMMUS – PROCESO CATODIENE
Materia prima: N- butanos----deshidrogenación Selectiva. Son sustancias de partida barata las fracciones C4 de craqueo o mezclas de butano – buteno procedente del gas natural o de gases de refinería.
Proceso: Los productos empleados para deshidrogenación pura son las mezclas de butano y buteno procedentes de gas natural y gas de refinerías, de que sobre todo disponen especialmente losEE.UU. Por ello, los procesos industriales se han desarrollado casi exclusivamente en aquel país, en donde siguen actualmente aplicándose con preferencia. Igual ocurre en algunos países de América del Sur. En Europa occidental, en 1972, se obtuvo solamente el 3% de butadieno por deshidrogenación y en 1978 dejó de realizarse esta deshidrogenación no sólo en Europa, sino también en Canadá y África del Sur. En el Japón, desde 1967, está parada la última instalación de
deshidrogenación Houdry después de ocho años de trabajo. La deshidrogenación de n-butano son procesos endotérmicos, que están ligados a un consumo enorme de energía:
Para conseguir transformaciones económicas, se tiene que emplear temperaturas relativamente altas de 600-700ºC. El n-butano necesita para alcanzar la misma velocidad de reacción una temperatura 130ºC más alta que para los n-butenos. En estas condiciones se producen reacciones secundarias de escisión y derivadas de las combinaciones no saturadas en magnitud notable. Por lo cual, se elige un tiempo de permanencia corto y se emplean catalizadores que actúan selectivamente. El aumento de volumen que se produce en el transcurso de la deshidrogenación, como en el caso del craqueo en vapor, se favorece por adición de vapor de agua. La disminución de la presión parcial de los hidrocarburos que se alcanza de este modo, disminuye la separación de cock la isomerización y la polimerización. Si los catalizadores son sensibles al vapor de agua., el proceso de deshidrogenación se realiza predominantemente con presión disminuida. Con lo que al mismo tiempo se desplaza eleq uilibrio de deshidrogenación favoreciendo la formación de butadieno. A los procesos industriales más importantes pertenece, como uno de los más antiguos de los empleados para deshidrogenación del butano (proceso Catadieno), el proceso en una etapa de la Houdry. Se realiza por empleo de un catalizador sensible al agua de óxido Cr-Al a 600ºC y 15milibars, pero que a los pocos minutos se tiene que regenerar por inversión de aire (combustión de los depósitos de coke). Entre el período deshidrogenante y el de regeneración hay que realizar una evacuación del catalizador para separar la mezcla de reacción. Para realizar el proceso funcionan tres reactores acoplados en una unidad en que se alternan las tres etapas formando un proceso cíclico. El elevado aporte de energía necesaria para la deshidrogenación se consigue por combustión de los depósitos de coke sobre el catalizador (método adiabático).
El catalizador usado contiene: 8-20% de Cr 2O3 y 1-2% de metales alcalinos sobre una superficie especifica de Al2O3 Tiene baja actividad. Reactores de lecho fijo (por lo menos 3) Condiciones de reacción de alta severidad: Temperatura = 600 ºC. Presión = 1 5 mbar.
5.2 OBTENCIÓN DE 1,3-BUTADIENO TECNOLOGÍA LUMMUS – PROCESO DE EXTRACCIÓN DE BUTADIENO BASADO EN BASF El proceso de extracción de butadieno NMP basado en BASF, licencia de tecnología Lummus desde 1990, es la tecnología preferida para la producción de alta pureza del 1,3-butadieno de cortes C4 brutos. La tecnología se aplica con éxito en más de 30 plantas de todo el mundo, con una capacidad total superior tres millones de toneladas por año. El proceso basado en butadieno NMP utiliza n-metil-pirrolidona (NMP) como disolvente. A diferencia de los otros disolventes usados para la extracción de butadieno, las mezclas acuosas de NMP no son corrosivas, lo que permite el uso de acero al carbono como material de construcción sin la adición de inhibidores de la corrosión. Este proceso es particularmente adecuado para corrientes de C4 de alta severidad de craqueo, donde los niveles de acetileno puede ser alta (> 3%). Se produce un producto de 1,3 butadieno de pureza 99,7% en peso, mientras que la recuperación de más del 99% del 1,3 butadieno contenido en la alimentación. También produce un producto de refinado-1 que
consiste en una mezcla de butanos y butenos con un contenido de butadieno tan bajo como 40 ppm en peso.
Descripción del Proceso
Una planta típica de extracción de butadieno se compone de cuatro secciones básicas: proceso de destilación extractiva, destilación convencional, desgasificación de disolvente, y la regeneración de disolvente. La alimentación de C 4 se envía a la sección de destilación extractiva en el que se vaporiza y se separa usando tres columnas de destilación extractiva. El producto de cabeza de la columna consiste en una mezcla de butenos y butanos. La sobrecarga de la tercera columna de butadieno es un producto crudo que se envía al sistema de destilación convencional para más purificación. El disolvente se separa de la parte inferior de la segunda columna y se envía al sistema de desgasificación de disolvente. Butadieno crudo se alimenta a la columna de propeno, en la sección de destilación convencional. Propeno se elimina como destilado de cabeza de esta columna y las partes inferiores se envía a la columna de butadieno. El producto butadieno se retira de la parte superior de esta columna y los C5S así como el 1,2-butadieno son rechazados en los fondos. El disolvente rico de la sección de destilación extractiva se alimenta a la sección de desgasificación de disolvente. El disolvente se elimina libre de C4 en la columna de desgasificación y se recicla a la destilación extractiva. Acetilenos se eliminan como una corriente lateral y pueden ser hidrogenados, usados como gas combustible o como alimentación de galleta, o quemados. El vapor que sale de la columna de desgasificación se enfría en una columna de enfriamiento separado o intercambiador de calor, comprimido, y enviado de nuevo a la sección de destilación extractiva. Un sistema de recuperación
de calor sofisticado utiliza la mayor parte del calor sensible del disolvente, lo que resulta en el consumo de energía extremadamente bajo. Una pequeña corriente de disolvente, se alimenta continuamente a la sección de regeneración de NMP. El disolvente se calienta con vapor de agua bajo condiciones de vacío en un recipiente de regeneración. NMP vaporizado se condensa y se recicla a la sección de destilación extractiva. El residuo restante por lo general se incinera.
6. INFORMACIÓN DE LA SALUD Y DEL PELIGRO PARA EL MEDIO AMBIENTE
Descripción de los peligros para la salud del butadieno
Exposición Aguda De la Inhalación
Los vapores del butadieno pueden ser suavemente irritantes a la nariz, a la garganta y a la zona respiratoria. Las altas concentraciones del vapor pueden causar la depresión del sistema nervioso central (CNS).Temprano al CNS moderado la depresión se puede evidenciar por el estrés, el dolor de cabeza, los vértigos y la náusea; en casos extremos, la inconsciencia, la depresión respiratoria y la muerte pueden ocurrir. Las altas concentraciones del butadieno en espacios confinados, tales como pueden ocurrir en un derramamiento o la situación del escape, puede causar la asfixia desplazando el oxígeno, causando una atmósfera oxigeno-deficiente. Como con los efectos antedichos del CNS, esto puede dar lugar a una pérdida repentina de sentido; la muerte puede seguir rápidamente.
Contacto visual y Piel
El contacto visual con el gas del butadieno rápidamente que se amplía o el butadieno líquido que se vaporiza puede causar la irritación severa y las quemaduras (congelación). La congelación sería el resultado del efecto que se refresca debido a la evaporación rápida del material.
7. DISEÑO DEL REACTOR 7.1 CALCULOS PREVIOS
58.12g/mol
54.0916g/mol
Para una producción de 5200 kg de Butadieno
La masa requerida de butano es:
El volumen total del reactor es:
[ ] Hallando ‘D’ , ‘H’ , ‘h’ y ‘r’:
Donde:
Hallando las relaciones:
Resultados:
Determinación de la Potencia del motor en HP
Suponiendo datos del motor siguientes:
0.18
1084
0.4029 m = 1.322 pie
3.5 rps
33.78 KW
Hallando la Potencia de arranque:
67.56 Kw
Hallando la Potencia de instalación:
85.33 Kw
Determinación del espesor de la chaqueta:
) (
E = espesor = Presión total del acero
D = Diámetro del tanque, pulg = 1.2208 m =48.06 pulg S = Esfuerzo permisible = 10000
t = Según movimientos sísmicos = 0.7 s Hallamos el
Hallamos el
:
:
7252.66 pulg 2
Hallamos
H=1.83m =72.0471 pulg
130633.24 pulg 3
( )
130633.24 pulg 3
37047.59 lb
Sacamos el 10% de la masa y hallamos
40752.35 lb
5.62
() Hallamos el
) ( ⁄ ⁄
8.
CONCLUSIONES
El proceso es ideal cuando se tiene corrientes de C4s de alta severidad de craqueo, donde los niveles de acelilenos puede ser alta.
Como el butadieno se utiliza en gran medida en varias partes de los neumáticos de automóvil y la fabricación de neumáticos consume alrededor del 70% tenemos gran expectativas en que será factible la implementación de nuevas plantas de butadieno debido al crecimiento del parque automotriz.
Aunque el butadieno no es tan bueno como el caucho natural en otras áreas, es más fácil de procesar y puede mezclarse con otros cauchos para crear una mezcla mejor para el trabajo para el que se ha creado. tiene buena resistencia al desgaste, especialmente a aquel que responda más a mecanismos de fatiga por rozamiento. En este sentido se comporta mejor que el Caucho Natural y de ahí su adopción casi universal en las bandas de rodamiento para neumáticos de automóviles.
