produccion de cloruro de etilo

PRODUCCION DE CLORURO DE ETILO

2013

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA


CÁTEDRA: SINTESIS DE PROCESOS CATEDRÁTICO: ING. EUFRACIO ARIAS, WILDER ALUMNOS:   

AMARO QUISPE, HENDERSON. BASURTO SIUCE, EDER. PALACIOS INGAROCA, JHOEL.

HUANCAYO – PERÚ


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INTRODUCCION El Cloroetano o monocloroetano, comúnmente conocido por su antiguo nombre cloruro de etilo, es un compuesto químico con la fórmula C2H5Cl, usado alguna vez en la producción de tetraetilo de plomo, un aditivo de la gasolina. Es un gas incoloro e inflamable, o un líquido refrigerado con un olor ligeramente dulce. El cloroetano es producido mediante las dos siguientes reacciones:

         

 

Primero se hace ingresar etano y cloro a un reactor donde producirán el cloruro de etilo y ácido clorhídrico, como se muestra en la reacción (1). Luego esta corriente se hace pasar por un separador donde obtenemos cloruro de etilo por un lado y los demás gases por otro (ácido clorhídrico producido, etano no reaccionado, metano que va junto con el etano). Aprovechando que hay ácido clorhídrico producido, hacemos ingresar etileno a un reactor y obtenemos cloruro de etilo, como se muestra en la reacción (2). Por un conjunto de factores relacionadas con la protección del medio ambiente, la producción del cloruro de etilo, en EE.UU., se redujo de 250 000 toneladas al año a solo 140 000 toneladas al año. Desde comienzos de 1922 hasta la mayor parte del siglo XX el cloroetano fue usado principalmente para producir tetraetilo de plomo, un agente antidetonante para la gasolina. Hoy en día el cloroetano no es muy usado para estos fines; el único uso industrial importante que se le da es en el tratamiento de celulosa para hacer etilcelulosa, un agente espesante y enlazador en la producción de pinturas ,cosméticos, y productos similares.


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INTRODUCCION El Cloroetano o monocloroetano, comúnmente conocido por su antiguo nombre cloruro de etilo, es un compuesto químico con la fórmula C2H5Cl, usado alguna vez en la producción de tetraetilo de plomo, un aditivo de la gasolina. Es un gas incoloro e inflamable, o un líquido refrigerado con un olor ligeramente dulce. El cloroetano es producido mediante las dos siguientes reacciones:

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 

Primero se hace ingresar etano y cloro a un reactor donde producirán el cloruro de etilo y ácido clorhídrico, como se muestra en la reacción (1). Luego esta corriente se hace pasar por un separador donde obtenemos cloruro de etilo por un lado y los demás gases por otro (ácido clorhídrico producido, etano no reaccionado, metano que va junto con el etano). Aprovechando que hay ácido clorhídrico producido, hacemos ingresar etileno a un reactor y obtenemos cloruro de etilo, como se muestra en la reacción (2). Por un conjunto de factores relacionadas con la protección del medio ambiente, la producción del cloruro de etilo, en EE.UU., se redujo de 250 000 toneladas al año a solo 140 000 toneladas al año. Desde comienzos de 1922 hasta la mayor parte del siglo XX el cloroetano fue usado principalmente para producir tetraetilo de plomo, un agente antidetonante para la gasolina. Hoy en día el cloroetano no es muy usado para estos fines; el único uso industrial importante que se le da es en el tratamiento de celulosa para hacer etilcelulosa, un agente espesante y enlazador en la producción de pinturas ,cosméticos, y productos similares.


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OBJETIVOS Objetivo general: 

Aplicar el diseño conceptual al proceso de producción de cloruro de etilo, a partir de etilbenceno por des hidrogenación desde los puntos de vista operativo y económico.

Objetivos específicos: 

Aplicar los conceptos adquiridos con anterioridad sobre balances de materia y energía, operaciones de separación y transferencia de calor, diseño de reactores y procesos químicos en el diseño conceptual de una planta para la producción de cloruro de etilo.



Determinar los costos de los reactores, separadores y enfriador.



Determinar el potencial económico del proceso.

NIVEL 0: INFORMACION DE ENTRADA


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1. INFORMACIÓN BÁSICA: 1.1 Información de las Reacciones y condiciones de operación: a)

Estequiom Es tequiomet etria ria de las Reacciones: Reacci ones:

ETANO +CLORO  CLORURO DE ETILO + ACIDO CLORHIDRICO ETILENO + ACIDO CLORHIDRICO  CLORURO DE ETILO

         

b)

Rango de Temperaturas y Presiones:

 

TEMPERATURA: 1ERA REACCION:

T = 750°F

2DA REACCION:

T = 350°F

PRESION DE OPERACION:P= 80psia. c)

Fases del Sistema: Las reacciones se llevan a cabo en sistema bifásico: LIQUIDO Y GASEOSO

d)

Selectividad y conversión: 1 ER REACTOR: 2DO REACTOR:

   

La selectividad está dada por la siguiente ecuación:

       

FUENTE: 2807656 PATENTE e)

Catalizador: No existen catalizadores

1.2 Velocidad de Producción PC2H5 Cl= 100 000 ton. de Cloruro de Etilo/año

      1.3 Pureza del Producto: La pureza del cloruro de etilo es típicamente mayor de 99,97%. XD = 0.9997

1.4 Materias Primas: CLORO: Ingresará químicamente puro.


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ETILENO: Comercialmente se encuentra 96 % y con inertes (4 % de Metano). ETANO: Comercialmente se encuentra 98.5 % y con inertes (1.5 % de Metano). FUENTE: FUE NTE: P ATENTE ATE NTE 2807 28076 656

1.5 Restricciones del Proceso: 

Se adiciona una R.M. = 2

   

1.6 Datos de la planta y del lugar:

Se sugiere la construcción de la planta en la provincia de Lima distrito de Huacho ya que este lugar cuenta con los servicios básicos (agua y electricidad), además cuenta con grandes extensiones de terreno disponible. Nos será factible para conseguir las materias primas y poner nuestro producto en el mercado.

1.7 Propiedades Físicas Físicas de los Productos y Materias Materias Primas: Primas: a) METANO:

CH4

Es el hidrocarburo alcano más sencillo en la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas. Constituye hasta el 97 % del gas natural. En las minas de carbón se le llama grisú y es muy peligroso ya que es fácilmente inflamable y explosivo.

a.1) Usos industriales: El metano es utilizado en procesos químicos industriales y puede ser transportado como líquido refrigerado (gas natural licuado, o GNL). Los gasoductos transportan grandes cantidades de gas natural, del que cual el metano es el principal componente. En la industria química, el metano es la materia prima elegida para la producción de hidrógeno, metanol, ácido acético y anhidro acético.

a.2) Propiedades del gas:


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Peso Molecular= 16.043 g/mol Fase Sólida 

Punto de fusión: -182.5 °C



Calor latente de fusión: 58.68 kJ/kg

Fase líquida 

Densidad del líquido:422.62 kg/m 3



Equivalente Líquido/Gas : 630 vol/vol



Punto de ebullición (1.013 bar) : -161.6 °C



Calor latente de vaporización:510 kJ/kg

Punto Crítico 

Temperatura Crítica : -82.7 °C



Presión Crítica : 45.96 bar

Fase gaseosa 

Densidad del gas : 1.819 kg/m 3



Densidad del Gas: 0.68 kg/m 3



Factor de Compresibilidad (Z): 0.998



Gravedad específica (aire = 1): 0.55



Volumen Específico: 1.48 m 3/kg



CpaP=cte(Cp): 0.035 kJ/(mol.K)



Cpa volumen constante (Cv): 0.027 kJ/(mol.K)



Viscosidad: 0.0001027 Poise



Conductividad Térmica: 32.81 mW/(m.K)

a.3)

Información

para

protección

especial

protección

respiratoria: En situaciones de emergencia debe utilizarse equipo de respiración autónomo. Precaución: No entre en áreas donde la concentración de sea mayor de 1.00% (20% del Límite Inferior de Inflamabilidad).

Ventilación: Provea buena ventilación o sistema de extracción para prevenir la acumulación de concentraciones de gas por encima del límite inferior de inflamabilidad.

Guantes de protección: Se recomienda el uso de guantes de carnaza y zapatos de seguridad para el manejo de cilindros.


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Protección ocular: Se recomienda el uso de anteojos de seguridad para el manejo de cilindros

Equipo de protección: En situaciones de emergencia utilice ropa resistente al fuego.

b) CLORO: El gas diatómico tiene un peso molecular de 70.906. El punto de ebullición del cloro líquido (de color amarillo-oro) es –34.05ºC a 760 mmHg (101.325 KPa) y el punto de fusión del cloro sólido es –100.98ºC. La temperatura crítica es de 144ºC; la presión crítica es 76.1 atm (7.71 MPa); el volumen crítico es de 1.745 ml/g, y la densidad en el punto crítico es de 0.573 g/ml. Las propiedades termodinámicas incluyen el calor de sublimación, que es de 7370 (+-) 10 cal/mol a OK; el calor de vaporización, de 4878 (+-) 4 cal/mol; a –34.05ºC; el calor de fusión, de 1531 cal/mol; la capacidad calorífica, de 7.99 cal/mol a 1 atm (101.325 KPa) y 0ºC, y 8.2 a100ºC. En condiciones normales y en estado puro forma dicloro: un gas tóxico amarillo-verdoso formado por moléculas diatómicas (Cl2) unas 2,5 veces más pesado que el aire, de olor desagradable y tóxico. Es un elemento abundante en la naturaleza y se trata de un elemento químico esencial para muchas formas de vida.

b.1) Efectos adversos potenciales para la salud: Inhalación: Forma ácidos en el organismo. Sensación de quemadura, produce espasmos en los músculos de la laringe,lagrimeo excesivo, tos, náuseas dificultad respiratoria, dolor de cabeza y del tracto respiratorio, edema pulmonar. Los síntomas pueden ser retardos. La inhalación de concentraciones mayores de 1000 ppm causa la muerte.

Ingestión: No aplicable para el gas. Un chorro de líquido ocasiona sensación de quemadura. Puede ocasionar vómito posteriormente a la exposición.

Piel: Sensación de quemadura. Mezclado con agua produce quemadura ya que forma ácido clorhídrico el cual es corrosivo. Produce irritación, dolor y enrojecimiento.

Ojos: Un chorro de líquido produce quemadura por congelamiento. El gas produce lagrimeo, enrojecimiento, dolor, visión borrosa y quemaduras. Es corrosivo para los tejidos.


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Efectos crónicos: Puede causar erosión de los dientes. Tiene efectos sobre los tejidos y pulmones, posible bronquitis crónica.

b.2) Procedimientos de primeros auxilios: Inhalación: Trasladar al aire fresco. Si no respira administrar respiración artificial (evitar el método boca a boca). Si respira con dificultad suministrar oxígeno. Mantener la víctima abrigada y en reposo. Buscar atención médica.

Ingestión: No está considerada una vía de ingreso al cuerpo. Piel: Retirar la ropa y calzado contaminados. Lavar la zona afectada con abundante agua, mínimo durante 15 minutos. Si la irritación persiste repetir el lavado. Busque atención médica inmediatamente.

Ojos: Lavar con abundante agua, mínimo durante 15 minutos. Levantar y separar los párpados para asegurar la remoción del químico. Si la irritación persiste repetir el lavado. Buscar atención médica.

c) ETILENO:C2H4 c.1)Propiedades físicas y químicas: Peso molecular:

28

Temperatura de Fusión

-169ºC

Temperatura de ebullición:

-103ªC

Temperatura Crítica:

9.5ºC

Densidad Relativa del Gas (aire=1)

1

Densidad Relativa del Líquido (agua=1)

0.57

Presión de Vapor a 20ºC

No Aplicable

Solubilidad en Agua (mg/l)

Desconocida

Apariencia y Color

Líquido Incoloro

Temperatura de Autoignición425ºC Rango de Inflamabilidad

c.2) Obtención:

2.7-34


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La mayor parte del etileno producido mundialmente se obtiene por craqueo con vapor (steam cracking) de hidrocarburos de refinería (etano, propano, nafta y gasóleo, principalmente). También se obtiene el etileno a partir del reformado catalítico de naftas o a partir de gas natural (OxidativeCoupling of Methane, OCM).También puede obtenerse en laboratorios de Química Orgánica mediante la oxidación de Alcoholes.

c.3) Riesgos a la salud y primeros auxilios: Vía de Ingreso al Organismo:

Ingestión: La ingestión no está considerada como una vía potencial de exposición.

Inhalación: La inhalación puede provocar efectos sobre el sistema nervioso central. Puede causar efectos anestésicos. A elevadas concentraciones puede causar asfixia. Los síntomas pueden incluir la pérdida de la consciencia o de la movilidad. La víctima puede no haberse dado cuenta de la asfixia. La asfixia puede causar la inconsciencia tan inadvertida y rápidamente que la víctima puede ser incapaz de protegerse.

Contacto: El contacto con gas licuado o de rápida expansión (proyectado a alta presión) puede causar congelación. Sin efectos negativos.

Efectos a la Salud: La exposición a una atmósfera con deficiencia de oxígeno puede causar los siguientes síntomas: Vértigo. Salivación. Náusea. Vómitos. Pérdida de movilidad / consciencia. El etileno detiene las funciones del sistema nervioso central. Funciona como asfixiante simple e insensabilizante. En ratas expuestas al etileno en concentraciones de hasta 10000 ppm durante 6 horas/día, 5 días/semana durante 14 semanas no ha aparecido ningún síntoma de toxicidad.

d) ETANO

C2H6


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d.1) Principales aplicaciones: El etano se emplea en la fabricación de compuestos intermedios de la síntesis orgánica; por ejemplo el etano produce el cloruro de etileno por cloración.

d.2) Propiedades del gas Peso Molecular 

Peso Molecular : 30.069 g/mol

Fase Sólida 

Punto de fusión : -183.3 °C



Calor latente de fusión: 94.977 kJ/kg

Punto Crítico 

Temperatura Crítica : 32.2 °C



Presión Crítica : 48.839 bar

Misceláneos 

Solubilidad en agua: 0.052 vol/vol



Temperatura de Autoignición : 515 °C

d.3) Riesgos / Síntomas: • Inhalación: Es un asfixiante simple. La exposición a altas

concentraciones de este gas tiene efectos narcotizantes. Los síntomas incluyen dolor de cabeza, zumbido en los oídos, vértigo, somnolencia, pérdida del conocimiento, nausea, vómito, falta de oxígeno en los pulmones y disminución funcional grave. • Contacto con la Piel: Efectos sobre la piel no son probables. • Contacto con los Ojos: No se conoce efectos importantes o

peligros críticos. • Ingestión: La ingestión no es una vía normal de exposición a

gases.

d.4) Elementos de protección personal:


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Protección Respiratoria: Usar protección respiratoria como equipo auto contenido (SCBA) o máscaras con mangueras de aire y de presión directa cuando se presenten escapes de este gas o durante emergencias. Los purificadores de aire no proveen suficiente protección.

Protección de las Manos: Guantes protectores de material apropiado para el trabajo.

Protección de la Vista: Gafas o anteojos de seguridad según sea apropiado para el trabajo que se realiza.

Protección de la Piel y del Cuerpo: Zapatos de seguridad. Ropa de algodón para prevenir la acumulación de cargas electroestáticas.

e) CLORURO DE ETILO: La mayor parte de la producción de cloruro de etilo (cloroetano) se obtiene mediante la adición en fase líquida de HCl a etileno con catalizador de AlCl3.

Se clasifica como un hidrocarburo halogenado. El cloruro de etilo se produce como un gas incoloro o líquido en una serie de reacción con cloruro de aluminio como catalizador. También es un subproducto de la fabricación de cloruro de polivinilo.

e.1)PROPIEDADES FÍSICAS: Apariencia: Gas incoloro Densidad: 920 kg/m 3; 0.92 g/cm3 Masa molar: 64.51 g/mol Punto de fusión: 134 K (−139 °C)

Punto de ebullición: 285.4 K (12.3 °C)

e.2) PRINCIPALES APLICACIONES: Se utiliza como refrigerante, un agente de soplado de espuma, un aditivo antidetonante de la gasolina con plomo, y un anestésico. El


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uso industrial de este hidrocarburo clorado ha disminuido abruptamente debido a las preocupaciones ambientales. De hecho, la única constante de este producto químico en la fabricación de hoy es en la producción de cosméticos y pinturas, donde se utiliza para mejorar el enlace y propiedades espesantes de la celulosa.

e.3) Cuidados El cloruro de etilo es el menos tóxico de los cloroetanos y, al igual que estos, es un depresor del sistema nervioso central, aunque de una manera menos potente que otros compuestos similares. La gente que respira aire con al menos 1% de concentración de cloroetano generalmente no presenta síntomas, mientras que a mayores concentraciones se manifiestan síntomas similares a los de la ebriedad y los casos en que la concentración es del 15% mayor suelen ser fatales. Algunos estudios han concluido que una exposición prolongada del mismo puede producir daños al hígado o los riñones, o cáncer uterinos en ratones, pero estos datos han sido difíciles de producir.


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NIVEL 1: DISCONTINUO VS CONTINUO 1. Velocidad de producción:100000 ton/año→ CONTINUO 

Proceso Continuo: Producción es mayor a 10x10 6 lb/año (5000 Ton/año)

2. Factores de mercado: 

El cloruro de etilo no es un producto estacional



Tiempo de vida largo.

→ CONTINUO

3. La velocidad de reacción es rápida e influenciada por la temperatura: 

K= f(T)



Los productos no ensucian muy rápidamente los equipos no se necesita realizar una limpieza periódicamente, no hay que limpiar los equipos y parar el proceso.

→ CONTINUO

4. Existen varias operaciones y procesos químicos: 



Procesos Discontinuos: Se efectúan varias operaciones en un mismo equipo. Procesos Continuos: Se necesita un equipo para cada operación .

→ CONTINUO


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NIVEL 2: ESTRUCTURA DE ENTRADA – SALIDADEL FLOWSHEET 2.1. Propuesta de estructura: PURGA



PROCESO QUÍMICO

24

PRODUCTO



2.1.1. Purificación de la alimentación: Cloro: 100 % puro Etileno y etano: con impureza de metano 

Muy pequeña impureza

2.1.2. Reciclo y purga: El metano y el etano son livianos de acuerdo a su punto de ebullición menor a 48ºC, por ello, reciclamos y purgamos ambos componentes.

2.1.3. Reactantes en exceso: El reactante en exceso es el etano para favorecer la reacción de clorinación en el primer reactor.

2.1.4. Número de flujos de productos COMPONENTE

PUNTO DE EBULLICION CODIGO DE DESTINO

Metano

-161 º C

Reciclo gaseoso

Etileno

-103.6º C

Materia prima

Etano

-88.5 º C

Reciclo gaseoso

Acido Clorhídrico

-84.9 º C

Reciclo

Cloro Cloruro de etilo

-34.3 ºC 12.4 ºC

Reactivo limitante Producto primario


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NUEVA ESTRUCTURA:ENTRADA – SALIDA PURGA

24 26  4

 









26  2 

PROCESO QUÍMICO





24



PRODUCTO





25



2 flujos de alimentación



2 flujos de producto

 

2.2. Variables de diseño, balances de materia y costos de los flujos de entrada y salida. 2.2.1. Variables de diseño: A. 1er Reactor 

X1 = 0.915

B. 2do Reactor 

X2 = 0.9S=0.915

26  D.4    E.  24    F.   0.0142 G. 24    H. 26    C.

2.2.2. Balances de materia estequiométrico:

        

REACTIVO LIMITANTE: CLORO EXCESO: ETANO

a) Balance en el primer reactor:

   

 


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b) Balance en el segundo reactor:

        22 c) Hallando el flujo molar para el HCl en la reacción I

2   2      2    2       Sabemos:

2   2    Entonces:

2            d) 2    e) 2         2  f) g) 2  2      BALANCE DE MATERIA PARCIAL INGRESA = REACCIONA + SALE h) Para el Etano:

2626  2 26 26    26 


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i) Para el Etileno:

24 24  2  24 24       24  j) Para el metano:

2424 2626   4 24 26              k)       l) 24     26   m) n) Hallando el flujo de ingreso para el metano

4  24 26   4   

BALANCE TOTAL ENTRADA = SALIDA

 2 



26

PURGA  =36.9121







2

4 =220.1039



30 490.6601lb

PROCESO QUÍMICO

PRODUCTO 

25

 

=407.2159

27197.0393 lb

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o) Purga de etano:

26  26      

p) Purga de metano:

4  4     

q) Purga del acido clorhídrico: r)

        Purga del etileno: 24  24    

2.3. Costos de los flujos: POTENCIAL ECONÓMICO PE = IV- CMP a)

Materia Prima:

              a.2) Etano:              a.3) Cloro:              a.4) Metano:           a.1) Etileno:















b)



Producto: b.1) Cloruro de etilo:

                  



c)

Subproducto gaseoso

            c.2) Metano:          c.1) Etano:










2013

2.4. Tabla de costos de materia y productos COMPONENTE

PESO MOLECULAR COSTO US$/Ton MATERIAS PRIMAS ETANO 30 392.400 ETILENO 28 485.000 CLORO 71 1200.000 PRODUCTO CLORURO DE ETILO 64.5 992.063 SUBPRODUCTO GASEOSO METANO 16 2116.402 ETANO 30 286.596 4 US$/106 BTU COMBUSTIBLE 2.5. COSTOS DE LOS FLUJOS: a)

Materia Prima:

             a.2) Etano:            a.3) Cloro:         Total: 98621240.43   a.1) Etileno:















b)

Producto: b.1) Cloruro de etilo:

c)

         



Subproducto gaseoso

              c.2) Metano:          Total: 2 406 240.94  c.1) Etano:











Entonces:



PE2 = 101 894 308 –98621240.43 = 3 273 067.53


2013

NIVEL 3: ESTRUCTURA DE RECICLO DEL FLOWSHEET 3.1. Caracterización: 3.1.1. Número de Reactores: C 2 H 6  Cl 2  C 2 H 5Cl  HCl C 2 H 4  HCl  C 2 H 5 Cl

Como se realiza a diferentes temperaturas empleamos dos reactores.

3.1.2. Número de Flujos de reciclo: De la tabla código de destino y clasificación: COMPONENTE C2H6 C2H4 CH4 H Cl Cl2

PUNTO DE EBULLICION -103.6º C -88.5 º C -161 °C -84.9 º C -34.3 ºC

CÓDIGO DE DESTINO Reciclo y purga Reciclo y purga Reciclo y purga Reciclo y purga No se Recicla

FLUJO DE RECICLO 1 Flujo de reciclo

Consideraciones: En este caso reciclamos los componentes gaseosos porque tienen el punto de ebullición menor al del propileno (-47 0C) Los puntos de ebullición no están tan lejano ni cercano por lo tanto se lleva por una sola corriente. El metano presente en las alimentaciones de C 2H6 y C2H4 se comporta como inerte por lo tanto no participa en la reacción. 





3.1.2.1. Flujo de Reciclaje: Reciclaje gaseoso C2H6, C2H4, HCl, CH4 Sistema para el reciclo gaseoso: El reciclo gaseoso necesita un compresor que pueda poner presión.

2013


3.2. BALANCE DE MATERIA DE RECICLO: 



REACTOR 

II



26 2   2 2 





CLORINACION



HIDROCL ORINACI ON

S1

Reactor I

S2

24 



3.2.1 Reactivo Limitante: Cloro Asumiendo 100% de recuperación.

2  2



:   26 26 26  2

Para el etano

0,985 260.8872  0,6278 RG



RG  336 .8817

2

lb mol C 2 H 6 lb mol Cl 2

(234.2341

lb mol Cl 2

lb mol h

     

FLUJO TOTAL DE ETANO:

26    

Para el etileno C2H4

     

h

)




2013

FLUJO TOTAL DE ETILENO:

24   

Para el HCl Para el HCl que se produce en la primera reacción y que no se consume totalmente en la segunda reacción.

     3.3.Efecto energético del reactor: 3.3.1. Carga térmica del reactor:

              ⁄       ⁄              ( )2 ( ) DATOS:

     4    2    26  


2013

      2                       3.3.2. Reglas heurísticas para carga térmica del reactor: Dado que la diferencia entre la temperatura de salida y la temperatura de entrada del reactor es elevada, es preciso añadir un enfriador para mantener la temperatura del reactor constante a 398.89 °C. Asumimos: Para reacciones en fase gas a altas temperaturas se supone:

y

        

3.4. Diseño del enfriador: GRAFICO A CONTRACORRIENTE:

Entonces realizando el balance de energía para el enfriador: Si:

                   

De las reglas heurísticas dadas en la parte de arriba remplazando.

       2      


2013

3.4.1. Ecuación de diseño de un enfriador:

   (1)                                           3.5 Diseño del Compresor: a)

Trabajo Isotrópico:

   [  ] b)

(1)

Trabajo Isotérmico:

 

Con:

    

(2)

3.5.1 Ecuación de diseño para un Compresor de Gas:

 5 [  ]       ⁄   ⁄ 

Cálculo del Coeficiente de Actividad:

  44 26 26  2424

(3)


2013

  

Cálculo de la temperatura de salida:

                

Cálculo de la densidad molar:

 1 lb mol   460  32   80    m     3   460  130 14 , 7 f t 359        m  0,0130 

lb mol 3

f t

Cálculo de la presión de ingreso:

           ⁄ 

Cálculo de la Velocidad de Flujo Volumétrico:

⁄       ⁄ ⁄    26 24    ⁄

(4)

Reemplazando en la ecuación (4) obtenemos:

 ⁄ Con los valores hallados reemplazamos en la ecuación (3):

         ( )*   +  

Eficiencia de compresor: 0.80



Potencia Real:

  


2013

3.5.2 Costo del compresor instalado:

 M  S  0,82 517.5..bhp 2,11  Fc  280 

C COMPRESOR  

Para un compresor centrifuga:



Reemplazando valores: Para el año 2010: M  S =1507.2 C COMPRESOR 

1  1507 .2  0 ,82  517 .5.87 .5975 2,11  1 3  280 

C COMPRESOR  113085 .1416 US $ / año

3.5.3 Costo de Operación basado en la Eficiencia del Motor: POR REGLA HEURISTICA: Eficiencia = 80% Costo de potencia =0.045US$/KW-h

            3.6 DISEÑO Y COSTO DEL REACTOR ESTEQUIOMETRICO. 3.6.1 Para Diseñar el 1erReactor: Para diseñar un reactor es indispensable saber la velocidad de reacción “r” pero para nuestro caso, se cuenta con el tiempo de residencia del reactor. (T = 3 seg) se sabe: Para diseñar un reactor estequiométrico la ecuación de diseño parte de un B.M. E  S  D  A F A   F A  dF A    r A dv F A  F A  dF A   r A dv

 dF A   r A dv F Ao dx   r A dv

 F A  F A  F Ao x


dV

 F



Ao



V  0C Ao

dx

 r A  x

 0



dx

 r A 

V F Ao

X



  

dx

  r   F

Ao

0

V  0

2013

  0C Ao

A

x

 C Ao  0

dx

 r A 

(1)

Donde:

        



0

Hallando caudal volumétrico ó velocidad de flujo ( 0 





0

)

Flujo total de ingreso al reactor Densid ad molar de la mezcla

(2)

Calculando. El Flujo total de ingreso al reactor I (Clorinación)

F T  F TC 2 H 6  F Cl 2  RC 2 H 4  R HCl  RCH 4 F T  472 .3815  234 .2341  4.4468  4.7837  116 .1568

F T  832.003 F T  0.2311

lb.mol h

lb.mol

(3)

seg

Calculando la densidad molar (considerando como un gas ideal) a las condiciones del primer reactor T = 750ºF, P= 80 psia

 1 lb mol   460  32   80    m     3  460  750 14 , 7 f t 359        m  0,006

lb mol ft 3

Reemplazando la ecuación (3) y (4) en (2)  0 

0.1003 lb.mol / seg 0,006 lb.mol / ft 3

(4)


 0  38.5167 ft 3 / seg

2013

(5)

Despejando el volumen del reactor de la ecuación (1) V   . 0

(6)

Reemplazando los valores





V  3 seg 38 .5167 ft 3 / seg V  115 .55 ft

3

a) Considerando un reactor estequiométrico: Por regla heurística: L D

 6  L  6 D

V R 

 D 2 L

4

 V R 

 4 x V R   D   6   

 D 2 6 D

4

1/ 3

Reemplazando los valores

 4 x 115,55   D    6  

1/ 3

 2.9049 ft

a.1) Cálculo del costo del reactor:

Reactor I (CSTR)

 M  S  k R . D1,066 . L0,82 2,18  Fc  280 

C REACTOR  

Donde:

                  


2013

Reemplazando valores 1  1507 .2  1, 066 0 ,82 C REACTOR   101,9 2.9049  17 .4294  2.18  3.67  3  280  C R  34735 .3031US $ / año

3.6.2 Diseño y costo del 2do reactor: Para diseñar el segundo reactor se debe contar con la velocidad de reacción (r); para este caso este valor se toma de referencia bibliografía. Por lo tanto: r  0,0262 mol / s 1 

El segundo reactor es de flujo tubular (PFR)

3.6.2.1)

Calculo del volumen del reactor:  1    1  x 2 

F T * ln  V R 

r .  m

a. Calculo de FT F T  RC 2 H 6  F TC 2 H 4  F HCl  F CH 4 ( C 2 H 6 )

F T  617.6788

lb mol

F T  617.6788

lb mol

b. Calculo de

h

h

 0.1716

lb mol s

 m

 1 lb mol   460  32   80    m     3  f t 359    460  350   14,7   m  0,009

lb mol 3

f t

Reemplazando valores en la ecuación V R : volumen del reactor V R 

0.1716 Ln1 / 1  0,9 

0,0262  0.009 

 4 x V R   D    6  

1/ 3

 1675 .6726 ft 3


2013

  3.6.2.2)

Cálculo del costo del reactor:

Reactor II (PFR)

Reemplazando valores C R 

1  1507 .2  1, 066 0 ,82  101,9 7.0845  42 .507  2,18  3.67 )  3  280  C R  186633 .1709 US $ / año

PE3 = PE2 –Costo de Instalación, reactor 1- Costo de Instalación, compresor Costo de Operación, compresor – Costo de Instalación, reactor 2= 3 273 067.53 - 34 735.3031 - 113085.1416 - 30212.09 - 186633.1709 = 2 908

401.824




2013

NIVEL 4: ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA DE SEPARACION FLOWSHEET FINAL 



REACTOR 

II

26  2 

Reactor I CSTR





S1

S2

(PFR)

24 



4.1. EVENTOS EN DISTINTAS ETAPAS:

        

 

4.2. FLUJOS DE GAS DE INGRESO Y SALIDA DEL REACTOR: 4.2.1. BALANCE EN EL 1 ER REACTOR: 4.2.1.1 A la entrada del reactor: 

Alimentación de etano al reactor:

26  26 26 26   26  26 26=468.4682 

Alimentación de etileno al reactor:

24  24 24  




2013

Alimentación de ácido clorhídrico al reactor:

     



Alimentación de metano al reactor:

4  4 4 4   4  4 4  



Alimentación de cloro al reactor:

2  2 2  2  

4.2.1.2. A la salida del reactor 1: 

Balance de etano en el reactor:

          

Balance de cloruro de etilo producido en el reactor:

    2 

4.2.2. BALANCE EN EL 2DO REACTOR: 4.2.2.1 a la entrada del reactor: 

Alimentación de etano al reactor:

26  26    26 468.4682  

Alimentación de etileno al reactor:

24  24     24  24       




2013

Alimentación de ácido clorhídrico al reactor:

     



Alimentación de metano al reactor:

4  4 4  

4.2.2.2. A la salida del reactor 2:



Balance de etileno en el reactor 2 :



         Balance del acido clorhídrico en el reactor 2 :         



Balance de cloruro de etilo producido en el reactor:

2    2  4.3.

FLUJOS EN EL REACTOR: 4.3.1.

En el 1er reactor: FC2H6=468.4682 FC2H4= 4.4868 FHCl=4.7837 FCl2=234.2341 FCH4=128.8743

Reactor I (CSTR)



FC2H6=254.144 FC2H4= 4.4868 FHCl=239.0178 FC2H5Cl =214.3242 FCH4=128.8743


4.3.2.

2013

En el 2do reactor: FC2H6=254.144 FC2H4= 215.7865 FHCl=239.0178 FCH4=128.8743 Reactor II (PFR)

FC2H6=254.144 FC2H4= 4.9758 FHCl=28.2071 FC2H5Cl =192.8918 FCH4=128.8743

  4.4.

DETERMINACION DE LOS FLUJOS DE LIQUIDO Y VAPOR A LA SALIDA

DE LOS REACTORES: 4.4.1. Cálculos de instalación para una Separación Flash (SEPARADOR 1) 

PLANTEAMOS LO QUE DESEAMOS HACER. Lbmol

Se alimenta 840.8471

h

de una mezcla que contiene 30.2248 % mol

de etano, 0.5336% mol de etileno, 28.4258% mol de ácido clorhídrico, 25.4891 % mol de cloruro de etilo y 15.3267% mol de metanoa un sistema de vaporización en equilibrio flash que opera a 80 psia, si se recupera el 99% de cloruro de etilo en el líquido. Entonces calculamos el caudal, la composición del vapor y la presión requerida.

F = V + L  V = F – L……………….. (1) Calculo de L: Se calcula en función de la corriente líquida, cuya ecuación deducida es: li  ki

fi v L

1


2013

Que puede modificarse a: ki

v L



fi li

 1..............................................3

Ahora escribimos la ecuación (3) para el componente j, obtenemos: kj

v L



fj li

 1..............................................4

Aplicando la ecuación (3) y (4) en la definición de volatilidad relativa:

 ij 

ki kj

ki

 kj

fi

v

L  fj v fi L

fj

1 1

Despejando se obtiene:

 fj

 fi  1   1  lj  li

 ij 

 fj     1 ij  1. li  lj 

fi

La solución para hallar 1 será por procedimiento iterativo, hasta que

 kixi  1, dado los valores supuestos de P. Para la aplicación de la ecuación (5) en la iteración consideramos como componente j al cloruro de etilo de modo que: fj lj



f clorurode etilo l cloruromde etilo



100 % 99%

 1.01

Sabemos: Pi sat ki  .......... .......... .......... ......... 6  P

ln Pi sat  A 

B

...........................7 T  C


2013

Para nuestro SEPARADOR en el cual vamos a especificar su balance tenemos como condiciones:

      Por procedimientos iterativos en Excel calculamos la temperatura de operación del separador: Calculemos la temperatura de operación: COMPONENTE METANO ETILENO ETANO CLORO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO

ANTA 15.2243 15.5368 15.6637 15.961 16.504 15.98

ANTB 997.84 1347.01 1511.42 1978.32 1714.25 2332.01

ANTC P.sat(243.85)psia 1167.9773 -7.16 276.7717 -18.15 156.1618 -17.16 18.0316 -27.01 161.7061 -14.45 2.2009 -36.48

Remplazando las formulas de la parte de arriba. COMPONENTE METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO TOTAL COMPONENTE METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO TOTAL

fi

P.sat

K115 psia

α

128.8743 4.4868 254.144 239.0178 214.3242

1167.9773 276.7717 156.1618 161.7061 2.2009

10.1563 2.4067 1.3579 1.4061 0.0191

530.6729 125.7518 70.9525 73.4715 1

840.8471

-

-

-

fi/li 6.3067

li 0.3075

xi 0.0024

Y=Kixi 0.4806

2.2575 1.7095

0.0179 0.4499

0.0040 0.0018

0.3825 0.3099

1.7347 1.01

0.1006 212.2022

0.0004 0.9901

0.3025 0.0050

-

212.7705

0.9987

1.0000

La temperatura de operación del separador es:

      L   li  212.7705lbmol / h


V  F  L  840.8471

lbmolh h

V  628.0766

 212.7705

2013

lbmol h

lbmol h

Calculamos la composición de la corriente de vapor: COMPONENTE METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO TOTAL 

Yi=(fi-li)/V 0.205 0.007 0.404 0.380 0.003 1.000

Cálculos del costo de instalación del separador: V = 628.0766 lbmol/h

F = 840.8471lbmol/h

YCH4, V = 0.205 YC2H4, V = 0.007 YC2H6, V = 0.404 YHCl, V = 0.380 YC2H5Cl, V = 0.003

FCH4 = 0.1533 FC2H4= 0.0053 FC2H6= 0.3022 FHCl = 0.2843 FC2H5Cl = 0.2549

L = 212.0775 lbmol/h

XCH4, L = 0.0024 XC2H4, L = 0.004 XC2H6, L = 0.0018 XHCl, L = 0.0004 XC2H5Cl, L = 0.9901

Para determinar la altura del separador flash es necesario calcular las temperaturas de rocío y de burbuja, por el método de Dodge. 

Temperatura de burbuja: T de Burbuja Psistema= METANO

348.4 K 115 psia X 0.0024

K Y 36.9523459 0.08868563


ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO

0.004 0.0018 0.0004 0.9901

2013

15.9192579 11.1370009 14.5885154 0.8295931

0.06367703 0.0200466 0.00583541 0.82138012 Σy= 0.99962479

Por lo tanto la temperatura de burbuja o de fondo será 384.4K. 

Temperatura de roció: T de Rocio Psistema= METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO

236.05 K 115 psia Y 0.205 0.007 0.404 0.38 0.003

K 8.79614977 1.943533 1.07064221 1.08080149 0.01233043

X 0.02330565 0.00360169 0.37734361 0.35159093 0.24330051 ΣX= 0.99914239

Por lo tanto la temperatura de rocío o de tope será 236.05K. 

Luego calculamos la volatilidad relativa promedio:

                            √     Establecemos condiciones: Componentes: CH 4 C H  2 4 CCL  C 2 H 6  HCl

CCP C 2 H 5 Cl

PRODUCCION DE CLORURO DE ETILO 

2013

Completando la columna de destilación con nuestros datos calculados: V = 628.0766 lbmol/h

YCLL = 0.9970 YCLP =0.0030 F = 840.8471lbmol/h

FCLL =0.7451 FCLP =0.2549 L = 212.0775 lbmol/h

XCLL =0.0086 XCLP =0.9914 

Calculo del número de etapas mínimas:

 X CCL Tope  1  X CCL  fondo   ln     1  X CCL tope   X CCL  fondo   N min  ln  prom

           El número de platos:

    Donde:  0  50% (según Connell)

  

PRODUCCION DE CLORURO DE ETILO 

2013

Calculando el diámetro del separador mediante la siguiente ecuación:

 4          2 Donde:

̅            ̅                     

Hallando el costo de instalación del separador:

                                        4.4.2. Cálculos de instalación para una Separación Flash (SEPARADOR 2): 

Planteamos lo que deseamos hacer. Se alimenta 609.03

Lbmol h

de una mezcla que contiene 41.7225% mol

de etano, 0.8169% mol de etileno, 4.6310% mol de ácido clorhídrico,

2013


31.6687% mol de cloruro de etilo y 21.1583% mol de metano a un sistema de vaporización en equilibrio flash que opera a 80 psia, si se recupera el 99% de cloruro de etilo en el líquido. Para nuestro SEPARADOR en el cual vamos a especificar su balance tenemos como condiciones:

      Por procedimientos iterativos en Excel calculamos la temperatura de operación del separador: 

Calculemos la temperatura de operación: COMPONENTE METANO ETILENO ETANO CLORO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO

ANTA 15.2243 15.5368 15.6637 15.961 16.504 15.98

ANTB 897.84 1347.01 1511.42 1978.32 1714.25 2332.01

ANTC P.sat(216.8081)psia 1092.514528 -7.16 122.8296159 -18.15 63.29599546 -17.16 4.914822203 -27.01 59.57129835 -14.45 0.407588717 -36.48

Remplazando las formulas de la parte de arriba. COMPONENTE METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO TOTAL

COMPONENTE METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO TOTAL

fi

P.sat

K80 psia

α

128.8743 4.9758 254.144 28.2071 192.8918

678.0679 122.8296 63.2960 59.5713 0.4076

8.4758 1.5354 0.7912 0.7446 0.0051

1663.6082 301.3568 155.2938 146.1554 1.0000

609.093

-

-

-

fi/li

li

xi

Y=Kixi

17.6361 4.0136 2.5529 2.4616 1.01

0.0074 0.0097 1.1496 0.0591 190.982

0.0001 0.002 0.0045 0.0021 0.9901

0.0005 0.3825 0.3099 0.3025 0.0050

-

192.2004

0.9987

1.0000


2013

La temperatura de operación del separador es:

     L   li  192.2004lbmol / h

V  F  L  609.063

lbmolh h

V  416.8926

 192.2004

lbmol h

lbmol h

Calculamos la composición de la corriente de vapor: COMPONENTE METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO TOTAL 

Yi=(fi-li)/V 0.309 0.012 0.607 0.068 0.005 1.000

Cálculos del costo de instalación del separador: V = 416.8926 lbmol/h

F = 609. 063 lbmol/h

YCH4, V = 0.309 YC2H4, V = 0.012 YC2H6, V = 0.607 YHCl, V = 0.068 YC2H5Cl, V = 0.005

FCH4 = 0.2115 FC2H4= 0.0081 FC2H6= 0.4172 FHCl = 0.0463 FC2H5Cl = 0.3167

L =

192.2004 lbmol/h

XCH4, L = 0.0001 XC2H4, L = 0.002 XC2H6, L = 0.0045 XHCl, L = 0.0021 XC2H5Cl, L = 0.9901


2013

Para determinar la altura del separador flash es necesario calcular las temperaturas de rocío y de burbuja, por el método de Dodge. 

Temperatura de burbuja: Tburbuja

337.1676 K

Psistema= METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO

80 psia X 0.0001 0.0002 0.0045 0.0021 0.9901

K 48.0867163 19.8226483 13.6401655 17.5398319 0.90194987

Y 0.004808672 0.00396453 0.061380745 0.036833647 0.893020568 Σy= 1.000008161

Por lo tanto la temperatura de burbuja o de fondo será 337.1676K. 

Temperatura de roció: Trocio

229.4104 K

Psistema= METANO ETILENO ETANO ACIDO CLORHIDRICO CLORURO DE ETILO

80 psia Y 0.309 0.012 0.607 0.068 0.005

K 11.1004216 2.30050601 1.24006658 1.22344339 0.01185604

X 0.027836781 0.005216244 0.489489846 0.055580831 0.421726068 ΣX= 0.999849769

Por lo tanto la temperatura de rocío o de tope será 229.4104K. Luego calculamos la volatilidad relativa promedio:

                              √    


2013

Establecemos condiciones: Componentes: CH 4 C H  2 4 CCL  C 2 H 6  HCl 

CCP C 2 H 5 Cl

Completando la columna de destilación con nuestros datos calculados: V = 416.8926 lbmol/h

YCLL = 0.996 YCLP =0.005 F = 609.063lbmol/h

FCLL =0.6833 FCLP =0.3167 L = 192.2004 lbmol/h

XCLL =0.009 XCLP =0.990 

Calculo del número de etapas mínimas:

 X CCL Tope  1  X CCL  fondo      1  X CCL tope   X CCL  fondo  

ln  N min 

ln  prom

        

  El número de platos:

   


2013

Donde:  0  50% (según Connell)

   

Calculando el diámetro del separador mediante la siguiente ecuación

 4          2 Donde:

̅            ̅                     

Hallando el costo de instalación del separador:

          

                              


2013

Hallando la ganancia anual en el proceso de obtención del cloruro de etilo.

                      


2013

CONCLUSIONES 

La compilación de información fue un instrumento fundamental para el inicio del

proyecto, por los datos recogidos de estos, que sirvieron como base para los cálculos realizados. 

Se puede catalogar al proceso de producción como uno del tipo continuo,

isotérmico. 

Después de haber realizado un análisis previo en el nivel uno, sobre el potencial

económico en referencia al mercado de la Cloruro de etilo, y haber obtenido resultados favorables; en el nivel dos podemos verificar estos resultados, respaldados por los cálculos realizados en este nivel, entonces se puede constatar que; el Potencial Económico es alto (PE2=3 273 067.53 es viable. 

), lo que significa que nuestro proyecto

El balance de energía nos da como resultado un proceso donde se libera mucha

calor y nosotros mediante un enfriador hacemos de que esta reacción este en un proceso isotérmico.


2013

BIBLIOGRAFIA 

Patent US2807656. ETHYL CLORIDE PRODUCTION.



Property Data Bank , Properties of Gases and Liquids,5 th Edition ,Prausnitz, John M.; O'Connell, John P., 2001 McGraw-Hill



COST DATA.

INFORMACION VIRTUAL: 

http://es.wikipedia.org/wiki/Cloroetano.



http://es.scribd.com/doc/29934049/Hoja-de-Seguridad-Del-Metano .



http://www.corquiven.com.ve/esp/MSDS%5CMSDS-CLORO.pdf.



http://www.indura.com.pe/_file/file_1777_etano%20-%20hdst.pdf.



http://www.infra.com.mx/servicio_atencion/libreria/gases/documentos/msds/etil eno.pdf.

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http://www.cisproquim.org.co/HOJAS_SEGURIDAD/Acido_clorhidrico.pdf.



http://www.praxair.com/eu/es/fseg_vig.nsf/AllContent/C125704B0032C2B2C12 570D0002FBFAC/$File/028.pdf.


2013

ANEXOS: Diagrama para el proceso de producción del cloruro de etilo (según PATENT US 2807656).

produccion de cloruro de etilo

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