ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA.
“DISEÑO BÁSICO DE PROCESOS”
PROPUESTA PARA EL DISEÑO DE PROCESO DE PRODUCCION DEL ACETALDEHIDO. EQUIPO 3
INTEGRANTES:
DIAZ HERNADEZ FRANCISCO JAVIER LOPEZ RUIZ BELEM MONSERRAT MACHUCA SANTIAGO YADIRA RODRIGUEZ BELLO CARLOS SHAID VAZQUEZ CASTRO BLANCA VARELA PEDRAZA ANDRES
PROFESOR: DR. ENRIQUE ARCE MEDINA REVISOR: ALFREDO DE LA CRUZ GARCIA
GRUPO: 7IM2 FECHA: 4/MARZO/2011 Página 1
INDICE. PÁG. Resumen.-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 Introducción.--------------------------------------------------------------------------------------------------3 Antecedentes del acetaldehído.----------------------------------------------------------------Aplicaciones del acetaldehído.-------------------------------------------------------------------
3 3
CAPITULO 1.----------------------------------------------------------------------------------------------------4 1.1 Rutas de obtención propuestas para la producción de acetaldehído.------------- 4 1.2 Cálculo de los potenciales económicos para las rutas propuestas.----------------- 5 1.3 Condiciones en las que se llevan a cabo las reacciones.----------------------------- - 6 1.4 Balance de materia.----------------------------------------------------------------------------
6
1.7 Conclusiones.-----------------------------------------------------------------------------------7 CAPITULO 2.----------------------------------------------------------------------------------------------------8 2.1 Evaluación de rutas mediante el método Electre.------------------------------------8 2.2 Aplicación del método de Nadgir y Liu para tren de separadores.-----------------
11
2.3 Aplicación de Heurísticas para tren de separadores.----------------------------------
Página 2
11
2.4 Diagrama de Proceso.-------------------------------------------------------------------------
12
2.5 Descripción del Proceso.---------------------------------------------------------------------- 12 Anexos.-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13-14 Bibliografía.----------------------------------------------------------------------------------------------------
15
RESUMEN.
El acetaldehído es la materia prima de gran importancia en un amplio número de industrias. Por lo cual nos interesa saber las diferentes rutas de su obtención y conocer cuál de ellas nos conviene más. El objetivo de seleccionar una ruta, es hacer del proceso de producción seleccionado algo económico y que sea apto para proponerlo ante una industria, es decir dar a conocer nuestra propuesta como algo que será conveniente para quien desee llevar a cabo este proceso.
En el capítulo 1 se analizan solo 2 rutas de obtención del acetaldehído, una por oxidación del etileno y la otra por deshidrogenación catalítica del etanol. Nos enfocaremos en la ruta de oxidación del etileno. Así también, se hacen las comparaciones de las rutas y sus propiedades físico-químicas de los productos y reactivos en ambas.
Página 3
INTRODUCCIÓN.
ANTECEDENTES DEL ACETALDEHIDO. Haciendo una investigación se encontró que en el año de 1782, Scheele [1] prepara el acetaldehído por oxidación de alcohol etílico con dióxido de manganeso y acido sulfúrico, en
forma impura. En 1800,
Fourcroy y Vauquelin [2] estudian este compuesto y hasta 1835 su formula fue averiguada por primera vez por Liebig [3] quien le dio el nombre de acetaldehído. Más tarde, Phillips [4] en 1894, inicio la oxidación del etileno para la obtención de acetaldehído y observó que las sales de platino en reacción estequiometria, oxidaban selectivamente el etileno, dando acetaldehído con simultanea reducción a platino metálico. Pero solo el descubrimiento realizado por Wacker [5] de un proceso catalítico con ayuda de un sistema de oxido-reducción fue decisivo para el desarrollo de la tecnología adecuada por
Wacker y Hoechst que ha
permitido su aplicación industrial en gran escala. El proceso total desarrollado
por
Wacker
y
Hoechst
(1957-1959),
se
representa
sencillamente como una oxidación directa catalítica y exotérmica.
Página 4
El acetaldehído tiene propiedades tales como ser un líquido incoloro con un olor sofocante y en dilución huele agradablemente a frutas. La mezcla de su vapor es muy explosiva.
APLICACIONES DEL ACETALDEHIDO. Tiene aplicaciones de partida en la síntesis de plásticos, pinturas, lacas, en la industria del caucho, del papel y la curtición del cuero. Actúa como conservantes de carnes u otros productos alimenticios.
[1] Scheele. http://www.chem.yale.edu/~chem125/125/history99/2Pre1800/Scheele/Scheele.html [2] Fourcroy y Vauquelin. http://www.uv.es/bertomeu/revquim/persona/9.HTM . http://www.uc.cl/sw_educ/educacion/grecia/plano/html/pdfs/cra/quimica/NM2/RQ2O102.pdf [3] Liebig www.scribd.com/doc/.../etanal-o-acetaldehido . [4] Phillips. organica1.org/qo1/a7.htm [5] Wacker y Hoechst. organica1.org/qo1/a7.htm
CAPITULO 1.
1.1 Rutas de obtención propuestas para la producción de acetaldehído. A nivel industrial tenemos diversas reacciones químicamente factibles para la producción de acetaldehído, a continuación se citan dos rutas diferentes que serán nuestras propuestas en este pri mer avance.
RUTA 1: Oxidación del etileno (proceso Wacker). Para llevar a cabo este proceso se hace burbujear el etileno y oxígeno en una solución acidificada de PdCl2-CuCl2 a condiciones de operación específicas, tales como: 3 bares de presión, temperatura de 130 ° C y selectividad de 0.94. Introduciendo 2.5-3 moles de H2O por cada tonelada de acetaldehído, para así poder obtener una conversión del 35-45% de etileno. [Observar Tabla 1.3 y Tabla 4]
RUTA 2: Deshidrogenación catalítica del etanol. En este proceso se utilizan catalizadores de Cu que están activados con Zn, Co o Cr. Donde los vapores de etanol mezclados con aire se dirigen sobre el catalizador a 3 bares de presión, temperatura de 450-550°C y selectividad de 0.9,
Página 5
obteniendo una conversión de etanol de 30-50%. [Observar
tabla 1.3 y
Tabla 5]
Tabla 1.1 Comparación de rutas. 1.2 Cálculo de los potenciales económicos para las rutas RUTA 1 RUTA 2 Materias primas menos costosas
Materias primas más costosas
Menor grado de conversión
Mayor grado de conversión
Menor costo de operación
Costo de operación elevado
Menor número de equipos
Mayor cantidad de equipos
Condiciones de operación más fáciles de obtener
Condiciones de operación difíciles de obtener
Menor liberación de calor
Mayor liberación de calor
Rombo de seguridad
Rombo de seguridad
propuestas.
•
Potencial económico para la ruta 1 (Ver tabla 2):
•
Potencial económico para la ruta 2 (Ver tabla 2):
Página 6
Tabla 1.2 Costos de reactivos y productos para ambas rutas.
Ruta 1 Compuesto
Peso Molecular (Kg/Kmol)
Costo por unidad ($/Kg)
Etileno
28
11.8211
Acetaldehído
44
12.9715
Ruta 2 Compuesto
Peso Molecular (Kg/Kmol)
Costo por unidad ($/Kg)
Etanol
46
12.6872
Acetaldehído
44
12.9715
1.3 Condiciones en las que se llevan a cabo las reacciones. Tabla 1.3 Condiciones para ambas rutas. No. PRESI TEMPERAT SELECTIVI CONVERS REACTIVO PESO COSTO REACCI ON URA (°C) DAD ION S Y MOLECU POR ON (Bar) PRODUCTO LAR UNIDA S D (Kg/Kmol) REACCI ON 1
3
130
0.94
REACCI ON 2
3
450-550
0.9
De etileno ETILENO 35-45% ACETALDEHI DO De etanol ETANOL 30-50% ACETALDEHI DO
1.4 Balance de materia.
Página 7
28 44
($ / Kg) 11.8211 12.9715
46 44
12.6872 12.9715
C2H4
+
CH3CHO
C2H4
+
3O2
2CO2 + 2H2O
2C2H4
+
O2
CH3-CH=CH-CHO + H2O
O2
FCH3CHO=100000
FSER=8000
XC2H4=0.45
OXIGENO EN UN 25% DE EXCESO
∆nCH3CHO= 100000
= 284
∆nC2H4= γ1ξ1+ γ2ξ2= 1(284) + 3(18.13) = 338.39
∆nO2= γ1ξ1+ γ2ξ2= 0.5(284) + 4(18.13) = 214.52
∆nCO2= γCO2*ξ2= 2(18.13) = 36.26
∆nH2O= γH2O*ξ2= 3(18.13) = 54.39
∆nCH3CH=CHCHO = 18.13
n⁰C2H4=
n⁰O2= 214.52*1.25
nC2H4= 359.99-338.39 =21.6
Página 8
ξ1= 284 kmol/h; S1= 0.94
ξ2= 18.1kmol/h
S2= 0.06
n⁰O2= 268.15-214.52 = 53.63
ENTRA= (359.99
SALE= (284 (18.13
*70
*28
*44
) + (268.15
) + (36.26
) + (21.6
*44
*28
*32
) = 18660.52
) + (54.39
) + (53.63
*18
)+
) = 18660.52
*32
1.7 Conclusiones.
CAPITULO 2.
2.1 Evaluación de rutas mediante el método Electre.
Para la elección de la mejor opción se evaluaron cuatro alternativas:
Oxidación directa del Etileno. C2H4 + 1/2O2
CH3CHO
Oxidación del Etanol. CH3CH2OH + 1/2O2
CH3CHO
Reducción del Acetileno. C2H2 + H2O
CH3CHO
Carbonilación Reductiva del Metanol. CH3OH
+
CO + H2
Página 9
CH3CHO + H2O
Para la selección de la ruta de reacción con menos peligros se tiene una serie de variables que se emplearan para la evaluación de las reacciones (Tabla 4).
Tabla 2.1 Variables y Criterios para el método Electre. Opció n
Reacción
T (°C)
P(psi)
Conversión (%)
OCI
A1
Oxidación del Etileno
120-130
45-150
35-45
9
A2
Oxidación del Etanol
450-550
50-150
30-50
3
A3
Reducción del Acetileno
70-90
150
40-50
7
A4
Carb. Reduct. del Metanol
140-200
4000-6000
88
13
Para la conversión de las variables a los índices se hace con unas heurísticas en forma de tabla [Tabla 2.2, Tabla 2.3 y Tabla2.4] para generar una tabla de calificaciones y desarrollar el método. Temp. (°C) T<-25 -25
Índice 0 7 9 10 9 8 7 6 5 4 3
Conversió n 100 90-99 80-89 70-79 60-69 50-59 40-49 30-39 20-29 10-19 0-9 Tabla 2.2
Presión (psi)
Índice
0-90
9
9
91-140
8
8
141-250
7
7
251-420
6
6
421-700
5
5
701-1400
4
4
1401-3400
3
3
3401-4800
2
4801-6000
1
6001-8000
0
Índice 10
2 1 0
Tabla 2.3 Tabla 2.4
2 1 0
Página 10
OCI 0-3 3-6 6-9 9-12
Índice
12-15
2
10 8 6 4
Tabla 2.5
Reaccione s A1
T(°C) C1
P (psi) C2
X (%) C3
OCI C4
8
8
4
6
A2
4
8
4
8
A3
9
7
4
6
A4
8
1
8
2
W
3
5
2
4
Tabla 2.6 Tabla de Calificaciones.
Calculando la matriz de concordancia tenemos:
A1 A2 A3 A4
A1
A2
A3
A4
X 11 9 5
10 X 5 5
11 11 X 2
12 9 12 X
Pprom=
=8.5
P=9
Tabla 2.7 Matríz de concordancia.
A1 A2 A3 A4
A1
A2
A3
A4
X 4 1 7
2 X 2 7
1 5 X 4
4 4 4 X
qprom= =2.5 q=2
Tabla 2.8 Matríz de Discordancia.
Página 11
Alternativas
Por hilera (F)
Por columna (C)
Diferencia(F-C)
Jerarquía
A1 A2 A3 A4
A2, A3 0 A1 0
A3 A1 A1 0
1 -1 0 0
1 RO 4TO 2 DO 3RO
Tabla 2.9 Matriz de jerarquización.
2.2 Aplicación del método de Nadgir y Liu para tren de separadores.
Tabla 2.10 Resultados del método de Nadgir y Liu. Reacciones Acetaldehíd o Agua Crotonaldehí do
NBP(°F)
ΔT(°F)
F1
284.059
69.53
-
-
271.4074
212
142.47
0.9616
23.9993
216
4
0.04321
Flujo
CFS1 136.99 9 0.1728
1er. CORTE
2.3 Aplicación de Heurísticas para tren de separadores.
Tabla 2.11 Comparación de las Heurísticas en el corte de los componentes.
HEURISTICAS H3. Separar por volatilidad. H4. El corte más difícil al final. H5. Favorecer cortes equimolares. H6. Extraer el más abundante primero. H7.Favorecer cortes con flujos menores de productos claves.
Página 12
A/B
B/C X X X X X
Página 13
2.4 Diagrama de Proceso. AGUA
GASES DOMO1 WATER
1 ACETALD 2
E3
3
4
5 ETILENO MIX
6
S3
7
AIRE
8
E1
LIQUIDO
CROTONALD
9
R1
FONDO1 SCD1
PRODUCTOS 10
E2
SCD2 FONDO2 E4
T1
2.5 Descripción del Proceso. Se alimentan el etileno y el aire al reactor q trabaja a una temperatura de 266 °F y una presión de 150 psia, del cual sale y pasa por un intercambiador de calor para su enfriamiento hasta 105°F, posteriormente entra a una columna de absorción donde se alimenta la mezcla gaseosa por la base con la intención de absorber la mayor cantidad de Acetaldehído y Crotonaldehído, usando agua como medio de arrastre a 50°F. En la corriente pobre de Acetaldehído que sale por el domo de la columna (corriente llamada GASES) se van la mayor cantidad de gases no deseados (O 2, N2, CO2 y H2O) en esta corriente se presenta una pequeña parte de etileno que no reacciono, sin embargo como la cantidad es demasiado pequeña se desprecia con los gases no deseados.
Página 14
Aplicando el método de N y L se realiza la separación en otras dos columnas, en la primera columna obtenemos el Acetaldehído con una pureza del99.6%, en la segunda columna se separan, por el domo, el agua en fase vapor y el Crotonaldehído.
Página 15
ANEXOS. Tabla 4. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS PROCESO POR OXIDACIÓN DE ETILENO COMPUEST O C2H4
PdCl2
CuCl2
HCl
H2O
CH3CHO
PROPIEDADES FISICAS ESTADO : gas COLOR : incoloro OLOR : dulce SOLUBILIDAD: agua VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ): 1.8 ESTADO : solido COLOR : café rojizo OLOR : --SOLUBILIDAD: poco en agua VOLATILIDAD : nula DENSIDAD(g/cm3 ): 5.85 ESTADO : solido COLOR : verde OLOR : ---SOLUBILIDAD: agua VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ):1.06 ESTADO :liquido COLOR : verde OLOR :sofocante SOLUBILIDAD: agua , acetona ,HBr VOLATILIDAD : muy volátil DENSIDAD (g/cm3 ):1.06 ESTADO : liquido COLOR :incoloro OLOR :inoloro SOLUBILIDAD : en casi cualquier disolvente VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ): 1 ESTADO : liquido COLOR :incoloro OLOR :inoloro SOLUBILIDAD: agua, disolventes org. VOLATILIDAD :nula DENSIDAD (g/cm3 ): 0.78
PROPIEDADES QUIMICAS
ROMBO DE SEGURIDAD
P EBULICION (°c ) : 103 P FUSION (°c ):-169 PH : ---
4 2 2
P EBULICION (°c ) : 950 P FUSION (°c ): 501 PH : ---
0 2 0
P EBULICION (°c ) : 1367 P FUSION (°c ):422 PH : 5
0 2 0
P EBULICION (°c ) : 110 P FUSION (°c ):--PH : 3 P EBULICION (°c ) : 100 P FUSION (°c ): 0 PH : 7
0 0 0
P EBULICION (°c ) :21 P FUSION (°c ): -123 PH : ---
4 2 2
Página 16
Tabla 5. PROPIEDADES FISICOQUIMICAS PROCESO POR DESHIDROGENACIÓN DEL ETANOL COMPUESTO H2
CH3(CH2)3OH
CH3COOC2H5
CH3CH2OH
H2O
CH3CHO
PROPIEDADES FISICAS ESTADO : gas COLOR : incoloro OLOR : inoloro SOLUBILIDAD: agua VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ):1.18 ESTADO : liquido COLOR : incoloro OLOR : inoloro SOLUBILIDAD: agua VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ):0.81 ESTADO : liquido COLOR : incoloro OLOR : inoloro SOLUBILIDAD: agua VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ): 1.06 ESTADO : solido COLOR : incoloro OLOR : inoloro SOLUBILIDAD: agua, éter, acetona VOLATILIDAD : ligeramente volátil DENSIDAD (g/cm3 ): 0.79 ESTADO : liquido COLOR :incoloro OLOR :inoloro SOLUBILIDAD : en casi cualquier disolvente VOLATILIDAD : nula DENSIDAD (g/cm3 ): 1 ESTADO : liquido COLOR :incoloro OLOR :inoloro SOLUBILIDAD: agua, disolventes org. VOLATILIDAD :nula DENSIDAD (g/cm3 ): 0.78
PROPIEDADES QUIMICAS
ROMBO DE SEGURIDAD
P EBULICION (°c ) :117 P FUSION (°c ):--PH : ---
4 0 0 0
P EBULICION (°c ) : 118 P FUSION (°c ):-90 PH :---
2 1 1 0
P EBULICION (°c ) 78.5: P FUSION (°c ):-84 PH :--
3 1 0 0
P EBULICION (°c ) :79 P FUSION (°c ):-114.7 PH :---
2 10 0
P EBULICION (°c ) : 100 P FUSION (°c ): 0 PH : 7
0 0 0
P EBULICION (°c ) :21 P FUSION (°c ): -123 PH : ---
4 2 2 0
Página 17
Bibliografía. 1. ELIASSON JOHANA. Design of an Plant for Manufacturing of Acetaldehyde. Department of Chemical Engineering, Lund University. 2010. 2. http://www.chem.yale.edu/~chem125/125/history99/2Pre1800/Scheele/ Scheele.html
3. http://www.uv.es/bertomeu/revquim/persona/9.HTM . 4. http://www.uc.cl/sw_educ/educacion/grecia/plano/html/pdfs/cra/quimica/ NM2/RQ2O102.pdfwww.scribd.com/doc/.../etanal-o-acetaldehido. 5. organica1.org/qo1/a7.htm
Página 18
