INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONA N ACIONAL L ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA INGENIERÍ A QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
Departamento de Ingeniería Química Petrolera
Optativa III: Form!a"i#$ %& pro'&"to( i$%(tria!&(
)Estireno* I$t&+ra$t&(: Gar",a -apata L. A$%r&a/ Mo$ro' Cr. 0!io C1(ar/
GRUPO: 2PV34
NOM5RE DEL PROFESOR:
Estelio R. Baltazar Cadena
Unidad Profesional Profesi onal “Adolfo “Adolfo López Mateos! "a#aten#o$ M%&i#oD!'! M%&i#oD!'!
ESTUDIO DE MERCADO. Introd(##ión )*(% es el estireno+ El estireno es un líquido transparente transparente e incoloro, incoloro, que puede obtenerse como derivado del petróleo y del gas natural, pero que también se encuentra en la naturaleza como tal. El estireno ayuda a producir materiales plásticos utilizados en miles de productos que se caracterizan por su bao peso, su !e"ibilidad y su e"traordinaria resistencia, y que son vitales para nuestra salud y bienestar. El estireno se utiliza para casi todo# desde envases alimentarios $asta componentes de automóviles, barcos y ordena enadores. El esti estirreno eno em empl plea eado do en esos esos prod produc ucto toss es sint sintét étic ico o y se %abr %abric ica a en plan planta tass petro petroquí químic micas. as. &in embar embargo, go, el estir estireno eno tambié también n apar aparece ece en la natur naturale aleza za como como componente natural de numerosos alimentos comunes, como son el ca%é, las %resas o la canela. 'lgunas personas con%unden el estireno, que es un líquido, con el poliestireno, que es un plástico sólido %abricado con estireno polimerizado. El estireno y el poliestireno son muy di%erentes. El poliestireno es inerte y no tiene el olor del estireno( por eso se utiliza con %recuencia %recuencia en aplicaciones en las que la $igiene es importante, importante, por eemplo, en productos sanitarios y de manipulación manipulación alimentaria. )a mayoría de las personas se e"ponen a cantidades ín*mas de estireno, que pueden e"istir en el aire o en los alimentos +el estireno es un componente natural de alimentos como la canela, la carne de vacuno, el ca%é en grano, los caca$uetes, el trigo, la avena, las %resas y los melocotones. -eneralmente, estas cantidades no pasan de ser trazas, y antes de los ltimos avances tecnológicos era di%ícil detectarlas. /ambién es posible reconocer el estireno por su olor característico, cuando se utilizan ciertos productos que lo contienen, como pueden ser las disoluciones de resinas de poliéster. Como ya se $a dic$o, el poliestireno se utiliza a menudo en aplicaciones en las que la $igi $igien ene e es impo import rtan ante te,, por por eem eempl plo, o, en prod produc ucto toss sani sanita tari rios os y de ma mani nipu pula laci ción ón alim alimen enta tari ria. a. 0tra 0trass secc seccio ione ness del del 1oro oro del del es esti tirreno eno e"pl e"plic ican an es esta tass dist distin inci cion ones es..
Ta,a-o del pro.e#to! 274 ton/ ton/dí día a de Esta Esta plant planta a se será rá inst instal alad ada a para para prod produc ucir ir una una ca capa paci cidad dad de 274 estireno, es decir 100,000 ton/ao
)a demanda de estireno en los primeros a2os mostrada en el estudio de mercado, tiene un crecimiento importante desde el a2o 3443 $asta el a2o 3445, por lo cual la o%erta de estireno en Colombia se incrementa durante estos a2os. En el a2o 3446 $asta el 7888 la demanda y la o%erta su%re algunas !uctuaciones, desde el 7883 $asta el 7889 e"iste una disminución importante tanto en la demanda como en la o%erta. 'l cabo del a2o 788: se observan variaciones en el mercado muy importante con picos elevados. /ambién se puede observar que la proyección de la demanda desde el a2o 783: $asta el 787; se mantiene apro"imadamente constante y la o%erta decrece a partir del a2o 783:, por lo tanto, se concluye que se podrá aumentar la capacidad de la planta para satis%acer el mercado de estireno a nivel nacional en un %uturo pró"imo.
U/i#a#ión! &e pretende instalar esta planta en la ciudad de
Usos del prod(#to! )os materiales a base de estireno o%recen características nicas de durabilidad y de alto rendimiento, versatilidad de dise2o, la simplicidad de la producción y la economía. Ellos pueden proporcionar e"celentes bene*cios de $igiene, salubridad y seguridad. > muc$os de estos productos o%recen muy buenas cualidades de aislamiento y la capacidad de ser reciclados donde los sistemas de recogida se realizan
En0asado . e,/alado
El estireno es un material que se utiliza ampliamente en el campo del envasado y embalado de una gran variedad de productos, esto es debido a sus propiedades entre las que destacan su alta capacidad de protección y de aislamiento térmico, así como su ligereza y %acilidad de con%ormado. ')@
Ele#trodo,%sti#os$ #o,ponentes ele#tróni#os$ ,(e/les2
1erra,ientas .
E"celente comportamiento de amortiguación de impactos, además de una buena adaptabilidad de los envases y embalaes.
Prod(#tos Ca3as apila/les de ali,entos! E,/ala3e de ,er#ader4a pesada E,/ala3es de ,er#ader4a fr56il
Venta3as Embalaes resistentes a la presión con buena rigidez al doblado y estabilidad de apilado
'cción de amortiguación calculable y por lo tanto, segura En0ases . /ara baa, invariable y e,/ala3es para en muc$os casos no es transporte necesario tomarla en a%reo cuenta Ca3as para 'lta capacidad de prod(#tos aislamiento térmico. #on6elados =o se vuelve %rágil a baas temperaturas
En0ases de #onta#to dire#to #on prod(#tos ali,enti#ios E,/ala3es para o/3etos #o,pli#ados de s(per7#ies no planas Vasos t%r,i#os
=o posee ningn elemento contaminante que a%ecte el contenido
Propiedades Resistencia a la presión
'lta capacidad de amortiguación de golpes Bao peso# densidad aparente entre 78 y 98 gm9 Reducida conductividad térmica e inalterabilidad al %río =o permite la proli%eración de $ongos y bacterias
)ibertad de dise2o en piezas moldeables
Elevado poder aislante y de conservación del gas en las bebidas carbonatadas
El estireno en el se#tor de la #onstr(##ión /anto en la edi*cación como en las obras de ingeniería civil, nos encontramos con numerosas aplicaciones del estireno debido a su elevada capacidad de aislamiento térmico, su ligereza, sus propiedades de resistencia mecánica, su adecuado comportamiento %rente al agua y resistencia a la di%usión del vapor de agua. )a utilización del estireno en la construcción aporta además, bene*cios medioambientales principalmente derivados de su %unción de aislante térmico, ya que a$orra energía.
Co,peten#ia!
Posi/les Clientes!
Pro0eedores de ,ateria pri,a! AmpexChemi ca l s: Of r e c e mo sEt i l b e nc e n o,9 9% PSe n Sa nt a An a5 77 Co l .Ca l i f o r n i a2 do Se c t o r ,Gr a lEs c o b ed o ,Nu e v o L eó nC. P .6 60 55 .Mé x i c o .
ESTUDIO T!C"ICO. PR8PIEDADES DEL ESTIREN8
El estireno, también conocido como el benceno de vinilo y eteno %enilo, es un compuesto orgánico con la %órmula química C D?;C? C?7. Este derivado del benceno es un líquido aceitoso incoloro que se evapora %ácilmente y tiene un olor dulce, a pesar de las altas concentraciones con*eren un olor menos agradable, su densidad de 8,484 g cmF, Gunto de %usión H98 I C, 7:9 , H77 I C, punto de ebullición 3:; I C, :36 , 749 I 1, la apariencia es incoloro a amarillo líquido aceitoso, olor penetrante y tiene una solubilidad insigni*cante +J8,3K. -eneralmente el proceso tienes las siguientes especi*caciones.
C8NDICI8NES DE 8PERACI9N )a reacción se lleva a cabo en presencia de vapor de agua en relación EBagua 3#3; en moles. 'pro"imadamente un 38K del vapor total se a2ade al EB antes de su vaporización y recalentamiento en el cambiador previo al primer reactor. El resto del vapor necesario se a2ade inmediatamente antes de la entrada a este primer reactor, alcanzándose una temperatura de unos D:8 LC. )a reacción, endotérmica, $ace que bae la temperatura a la salida del mismo $asta unos ;58LC, recalentándose de nuevo $asta los D:8 LC, con vapor recalentado a 63;LC, en el cambiador previo al segundo reactor. )a salida de éste intercambia calor con la entrada y posteriormente se condensa con agua de re%rigeración. En el separador posterior se eliminan los incondensables quedando una corriente líquida compuesta %undamentalmente de EB no reaccionado, Estireno producido y el /olueno subproducto de la reacción. Estos tres componentes se separan en tres columnas de destilación sucesivas segn muestra el esquema. )a columna de /olueno trabaa a presión atmos%érica mientras que las otras dos lo $acen a una presión ligeramente superior a la atmos%érica
CATALI"AD8R )os ó"idos inorgánicos son los catalizadores más empleados en la industria para la producción de estireno, particularmente los ó"idos de $ierro en %orma de $ematita +1e709 promovidos por los ó"idos de potasio, cerio y cromo. &i bien estos catalizadores presentan alta actividad, selectividad y bao costo por ser abundantes, su desactivación rápida, su área super*cial especí*ca baa, su alta to"icidad y su mayor polución ambiental debido a la presencia de cromo constituyen notorias desventaas. )a composición más comn de este catalizador es 48K 1e 709, :K Cr709 y DK 7C09. ' la temperatura de reacción el carbonato potásico es considerablemente volátil y esto $ace que sea lentamente perdido. Gor esto es que el carbonato debe ser repuesto por adición a la alimentación. Comercialmente se suelen utilizar partículas de catalizador e"traídas de :HD mm de diámetro. Gara meorar la selectividad del catalizador se utilizan tama2os más peque2os, trayendo como
consecuencia un aumento en la presión. El tiempo de vida del catalizador es de 3 a 7 a2os.
DESCRIPCI9N DEL PR8CES82 El proceso de producción del estireno, es un proceso en continuo. @nicialmente se adeca la alimentación de etilbenceno que es nuestra materia prima la cual está disponible a 98IC +estado líquido $asta tenerla como vapor saturado con ayuda de un precalentamiento usando un intercambiador de calor EH:83 y mezclándola con vapor sobrecalentado. El vapor de agua es inerte en la reacción y está presente como diluyente, lo cual permite desplazar el equilibrio a %avor de la producción de estireno, el vapor además proporciona energía para conducir la reacción. Este vapor originalmente está disponible como vapor de baa presión, el cual se sobre calienta en el $orno ?H:83, la dosi*cación de vapor es de 3; partes de vapor por cada parte de etilbenceno, en base molar. Esta corriente será la alimentación para dos lec$os adiabáticos R:83 y RH:87 donde se e%ectuará las reacciones, el dise2o en serie con calentamiento intermedio permite aumentar la conversión para la obtención de los productos. El !uo de vapor para el calentamiento en EH:87 está en una relación 8.D#3 respecto a la suministrada en EH:83, en base molar. )a temperatura de la corriente de productos se reduce por medio de tres en%riadores de productos EH:89, EH:8: y EH:8; $asta una temperatura de D;IC( la cual se envía a un separador de tres %ases MH:83, donde se obtiene los gases ligeros +$idrogeno, metano, etileno, líquido orgánico y e!uente de agua en corrientes separadas. )a corriente orgánica que contiene el producto deseado se destila en dos torres de destilación, en la primera /H:83 se elimina el benceno y tolueno, en la segunda /H:87 se separa el etilbenceno que no reacciona el cual es recirculado para la producción del estireno.
LISTA DE E*UIP8S2 Cla0e R;<=> R;<=? E;<=> E;<=?
No,/re del E:(ipo Reactor de Estireno Reactor de Estireno Calentador de alimentación Calentador @ntermedio
E;<=@ E;<=< E;<= E;<=B E;<= E;<= E;<= F;<=> V;<=> V;<=? C;<=> T;<=> T;<=? P;<=> AGH P;<=? AGH P;<=@ AGH P;<=< AGH P;<= AGH P;<=B AGH
En%riador En%riador En%riador Re$ervidor Condensador Re$ervidor Condensador Calentador de Mapor &eparador de /res 1ases /ambor de Re!uo Compresor Columna de BencenoH/olueno Columna de Estireno Bomba de 'guas Residuales Bomba de Re!uo Bomba de Re!uo Bomba de Estireno Bomba de Re!uo Bomba de BencenoH/olueno
E# dia$ra%a es &resentado a contin'aci(n)
Dia6ra,a de 'l(3o del Pro#eso de Estireno
MECANISM8 DE REACCI9N PARA HALANCE DE MATERIA Es comercialmente producido por des$idrogenación del etilbenceno +reacción 7 en el cual es $ec$o desde el benceno y etileno +reacción 3. CD?D N C7?:
CD?;HC7?;OOOOOOO +3
CD?;HC7?;
CD?; PC7?; N ?7OOOO +7
CD?; P C7?9 CD?; P C7?9
CD?D N C7?: 6C N ;?7
Q? 383.6 mol Q? 3.57 mol
)a %ormación del etilbenceno es una reacción e"otérmica. )a alquilación con etilbenceno en %ase liquida es la más comn. )a producción de estireno a partir de
MECANISM8 DE REACCI9N PARA HALANCE DE MATERIA Es comercialmente producido por des$idrogenación del etilbenceno +reacción 7 en el cual es $ec$o desde el benceno y etileno +reacción 3. CD?D N C7?:
CD?;HC7?;OOOOOOO +3
CD?;HC7?;
CD?; PC7?; N ?7OOOO +7
CD?; P C7?9 CD?; P C7?9
CD?D N C7?: 6C N ;?7
Q? 383.6 mol Q? 3.57 mol
)a %ormación del etilbenceno es una reacción e"otérmica. )a alquilación con etilbenceno en %ase liquida es la más comn. )a producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica en %ase gas, y el ? 7 %ormado se puede quemar para aportar calor al reactor. El catalizador más usado está constituido por una mezcla de 1e709 más Cr709. )a producción de estireno esta %avorecida por temperaturas altas y baas presiones de ?7. )a des$idrogenación es liberada a calor en presencia de ?70 +vapor de agua el cual es una %uente de calor. VELOCIDAD DE PRODUCCIÓN Base de cálculo 388,888 /n a2o G< estireno 38: gg mol lb mol Tn 1000 kg 1 Kg mol 2.205 lb mol 1 día =100000 ( )( )( )( ) hr año 1 Tn 104 Kg 1 kgmol 24 hr ¿
lb mol lb mol =248.85 hr hr
PROPIEDADES FISICAS DE LOS PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS.
Constante
Etil/en#e
Fidro6e
Tol(en Estire
'or,(la
no C6?38
no ?7
o C5?6
no C6?6
E,p4ri#a Peso Mole#(lar
38D.3D6
7.83D
47.3:3
38:.3;
P(nto de '(sión 356.7
H7;4.34
356
7 7:7.;
JCK P(nto de
H7;7.57
969.6
:36.9
E/(lli#iónJCK Densidad6G#,@K 8.4
8.853
8.6D5
8.4
JC Entalpia CalG6!
73D
5498
6688
39D
6;88
,olK ME)0C@S'S SE RE'CC@A= Ecuación cinética.
(
(
r A ) k p a
−
=
−
p B . p C k P
)
mol ( kgcat )
1
−
( s)
1
−
Sonde# −2
k =3.46 x 10 exp 11
k p =8.2 x 10 exp
(
)
−10980 mol ( kgcat )−1 ( s )−1 ( Pa )−1
(−
T
)
15200 pa T
Gara saber cuál será la velocidad de producción se debe $acer un análisis de mercado. 'nálisis de la demanda 'nálisis de la o%erta 'nálisis de la demanda insatis%ec$a.
'demás, nuestro producto no es estacionario esto quiere decir que se requiere todo el a2o en el mercado. )a velocidad de reacción es rápida e in!uenciada por la temperatura# k =383 . exp
{
}
−20440 −1 hr RT ( ºR )
E"isten varios operaciones y procesos químicos &uponiendo que el 38K de la demanda insatis%ec$a es 388,888 /na2o, esta es la cantidad que pensamos producir. SELECTIVIDAD Y CONVERSION Tenner and Sybdal presentan algunos datos de distribución para la producción de estireno. )as reacciones que ellos consideran son#
Ta/la >2
Co$v&r(io$ X
B E
6/6
6/66
6/68
6/64
6/69
6/6
6/8
6/82
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
7 0.0
0.10
= 0.333 X − 0.215 X 2 + 2.547 X 3
Ta/la ?2
6/66
6/687
6/696
6/627
6/6;6
6/88
6/8
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
molEstiren o
Co$v&r(io$
0
X
T E
= 0.084 X − 0.264 X + 2.638 X 2
3
CINETICA DE REACCION
)a e"presión de velocidad de reacción, para la reacción principal es# EB
← → E + k 2
r
=
H 2
k 1 C EB
−
1
1
K E
.C E 2 .C H 2
1 2
K E
=
k 1 k 2
Sonde# k 1
=
383 exp − 20440
hr −1
[ RT ( º R ) ]
k E = 7.734 x 10 6 exp − 27170
hr −1
[T ( º R ) ]
T = 1115 + 460 = 1575 º R R = 10.73159 ft 3 . psi .R −1.lb mol −1
CONVERSION DE EQUILIBRIO Cuando la velocidad de reacción alcanza el equilibrio r 8# Entonces#
C E .C H
K E
=
C EB
=
C E
C H
2
=
2
ε
C EB
EB0 (1
− X )
1 + ε X
=
EB0 ( X )
1 + ε X
EB0 ( X )
1 + ε X
=
=
=
=
EB0 (1
2 −1 1
=1
− X )
1 + X
EB0 ( X )
1 + X
EB0 ( X )
1 + X
eq8.7:4 )uego EB0 ( X ) EB0 ( X ) 1
.
+ X
1
+ X = 0.249
EB0 (1 − X ) 1
+ X
&impli*cando# EB0 ( X )
1−
X
2
2
= 0.249
Gara una concentración del etil benceno de E8 3 molar
VARIAHLE DE DISE8$ HALANCE DE MATERIA C8ST8S DE 'LU8S DE ENTRADA SALIDA VARIABLES DE DISEÑO X = 0.70 y S = 0.353
Sonde# U# Conversión &# &electividad
BALANCE TOTAL DE MATERIA Grocedimiento de balance de materia a) Velocidad de !od"cci#$ de%eada GE 7:6.6; lb mol E$ &) Calc"lo de la %elec'i(idad S
=
1 1
+ 0.417 X − 0.479 X + 5.185 X 2
3
=
0.353
&. Ded"cci#$ a!a calc"la! la %elec'i(idad Sado el mecanismo de reacción Etilbenceno Etilbenceno Etilbenceno N ?7
U
% 3+"B+8.999UH8.73;U 7N7.;:5U9E % 7+"/+8.86:UH8.7D:U 7N7.D96U 9E &i la conversión +"aNbNc
S
=
S
=
S
S
moles "e estireno pro"ui"o moles "e etilbenen o on!erti"o
a a
+b+c
=
=
0.353
248.85 248.85 + 248.85 * f 1 (x)
1 = 1 + f 1 (x) + f 2 (x)
1 = 1 + 0.417 X − 0.479 X + 5.185 X 2
3
+ 248.85 * f 2 (x)
Estireno N ?7 Benceno N Etileno /olueno N
C) Calc"lo De *"+o% de lo% !eac'a$'e%, !od"c'o% - %"&!od"c'o% c.) ETILBENCENO ALIMENTADO F FEB ) S
=
# E
FFEB
F FEB
=
P E S
= 248.85 = 704.958 Lbmol EB / h 0.353
c.. ETILBENCENO ALIMENTADO TOTAL F TEB
=
F FEB X
=
704.9 0.70
= 1007.1 Lbmol EB / h
C./) TOLUENO PRODUCIDO / +8.86:UH8.7D:U7N7.D96U9GE / +8.86:+8.5H8.7D:+8.57N7.D96+8.59V+7:6.6; / 77;.45 )b mol/$ c.0) BENCENO PRODUCIDO B +8.999UH8.73;U 7N7.;:5U 9GE B +8.999+8.5H8.73;+8.5 7N7.;:5+8.59V+7:6.6; B 553.7;: )b molB$ C.0.) BALANCE PARA EL 1IDRO2ENO
?<!;
)b mol ?7 producidos en la primera reacción
??!
)b mol ?7 que reacciona en la tercera reacción
<=!<
)b mol ?7 que no reacciona.
C.0./) BALANCE DEL ETILENO C /13 ) C7?: +8.999UH8.73;U 7N7.;:5U9 GE C7?: 7:6.3 )b mol E$ C./.0) BALANCE PARA EL METANO C1 3 ) C?: +8.86:U H 8.7D:U 7 N 7.D96U9 GE
C?:785.; )b mol <$
Ta/la @2 Comp&(to
E5
To!&$o
5&$"&$o
<4
Eti!&$o
C<2
E(ti$&r o
E$tra%a !=mo!>?r Sa!i%a !=mo!>?r
1007.1
0
771.254
512.27
0
0
0
0
225,97
0
0
248.1
207.5
248.85
EFICIENCIA @ RENDIMIENTO La eficiecia !e" p#$ce%$ e% !e" 90& y e" #e!i'ie($ !e" e(i")ece$ e% !e 25& ($'a!$ e c*e(a "a #eci#c*"aci+.
UHICACI9N DE PLANTA Es un terreno de : $ectáreas Carr.
ESTUDIO ECO"OMICO.
HIHLI8ORA'A2 *le#C#Wsers$pK78pavilionSesXtop98835;873HEstudioHdeH
