EJERCICIO 2

Se va a fabricar un detergente biodegradable, ABS. La planta debe producir quince millones de libras de detergente ABS, al año.

La planta operará 300 dias al año, 65 dias se destinarán al mantenimiento de los equipos.

El 85 % del detergente ABS, constituye el elemento activo que es el sulfonato sódico de dodecilbenceno. El 15 % restantes son materiales inertes llamados “constructores” como el sulfato de sodio, o, carbonato de sodio, o, carboximetil celulosa.

El proceso es el siguiente:

El dodeceno (C12H24) es cargado en un reactor que contiene benceno (C6h6) y tricloruro de aluminio (este último actúa como catalizador de la reacción), la mezcla es agitada y enfriada para mantener la temperatura de reacción en alrededor de 115 grados Farenheit como máximo.Se pone un exceso de benceno para evitar la producción de subproductos (ò productos secundarios). El requerimiento del tricloruro de aluminio es el 5 % en peso de la suma de los materiales dodeceno y benceno.

Después de retirar el lodo del Tricloruro de aluminio, la mezcla de la reacción es enviado a un sistema de tres columnas seguidas de destilación fraccionadas, para recuperar el exceso de benceno y de dodeceno (que son re-enviados al reactor), un hidrocarburo alquilarado liviano llamado dodecilbenceno (C6H5.C12H25), y un hidrocarburo alkilarado pesado.

El dodecilbenceno es enviado a un reactor para su sulfonación en este reactor de sulfonación se utiliza ácido sulfúrico al 100 %, llamado óleum. La temperatura óptima de sulfonaciónestà usualmente en 140 grado farenheit. La remoción del ácido sulfúrico (en exceso) del ácido sulfónico (C12H25.C6H4.SO3H) es facilitado por la adición de agua para reducir la fuerza del ácido sulfúrico a un 78 %.

El ácido sulfónico (C12H25.C6H4.SO3H) es neutralizado con solución de sosa càustica al 20 % con un pH de 8 y a una temperatura de 125 grados farenheit. Al ser neutralizado se obtiene el elemento activo del detergente ABS el sulfonato sódico de dodecilbenceno(C12H25.C6H4.SO3Na).

Luego se añaden los “constructores” químicos, como el silicato de sodio, el cloruro de sodio, el sulfato de sodio, la carboximetil celulosa, etc, pero en su

mayor parte està constituido por el sulfato de sodio) para mejorar las propiedades detersivas, humidificantes u otras deseadas en el producto final. Estos constructores constituyen el 15 % del producto final.

Finalmente el producto es enviado a un secador tipo atomizador, del cual sale el producto granulado.

El rendimiento de la etapa de alquilación es del 90 %. El rendimiento en la etapa de sulfonación es del 100 %. Y, finalmente el rendimiento en la etapa de neutralización es del 95 %.

La sulfonación es esencialmente completa si la relación del óleum a dodecilbenceno es mantenida en 1,25.

La remoción del ácido sulfúrico en exceso es optimizado mediante la adición de 0,244 libras de agua por cada 1,25 libras de óleum adicionado en la etapa de sulfonación.

En la etapa de neutralización se añade un 25 % de exceso de hidróxido de solido al 20 % (sosa cáustica).

Determinar:

1. Las cantidades de benceno, dodeceno y tricloruro de aluminio, que se necesitan.

2. El balance de masa del proceso3. Determinar el volumen del primer reactor (donde se realiza la alquilación)4. Calcular la cantidad el flujo de agua, que debe pasar por la camisa de

enfriamiento del reactor de alquilación)

La densidad del tricloruro de aluminio es de 2,44 Kg/l La densidad del benceno es: 0,88 Kg/l La densidad del dodeceno es : 0,7632 Kg/l

DatosDodeceno C12H24Benceno C6H615000000 lb/año Detergente 85% sulfanato de dodecilbenceno 15% aditivos, otros (inertes contructores)Tiempo q dura la reacción = 3horas4 horas por cicloTemperatura del agua de enfriamiento = 80 y 90ºF At = 10ºF

1. AlquilaciónC12H24 + C6H6 C12H25.C6H5 + lo que no reaccionó

Cl3Al

Rendimiento 90%

Ahf= -51239cal/gmol + Ahf= 11717cal/gmol Ahf= -54348cal/gmol

2. Sulfonación

C12H25C6H5 + H2SO4 C12H25C6H4.SO3H + H2O

Rendimiento 100%

3. Nutralización

C12H25C6H4 + SO3H + NaOH C12H25C6H4.SO3Na + H2O

Rendimiento 95%

Pregunta

Cuánto se necesita

C6H6 TM/Día C12H24 TM/Día Cl3Al Tm/Día

Cálculos

15000000 lb x 1tm = 6818.18 tm

2200lb

6818.18 tm x 1año =18.68 tm

Año 300días día

Sulfonato

0.85 x 18.68 tm /día = 15.87 tm/día sulfonato

15.87 tm sulfonato x 1tm sulfonato = 0.046 tm mol

Día 348 tm sulfonato día

0.046 tm mol sulfonato x 1000kgmol = 45.63 Kgmol sulfonato

Día 1 tom mol sulfonato día

45.63 kgmol sulfonato x 1 kgmol acd sulfónico = 48.03 Kgmol Acd. Sulfónico

Día 0.95 Kmol sulfunato día

48.03 Kgmol Acd sulfonico x 1 kgmol dedecilbenceno = 48.03 Kgmol dodecilbenceno

Día 1 Kgmol Acd. Sulfonico día

48.03 Kgmol dodecilbenceno x 1Kg mol benceno = 53.37 Kgmol benceno

Día 0.9 Kgmol dodecilbenceno día

1. Las cantidades de benceno, dodeceno y tricloruro de aluminio, que se necesitan.

Benceno

53.37 Kgmol benceno x 78Kg = 4163 Kg C6H6

Día Kgmol B día

Dodecilbenceno

53.37 Kg C12H24 x 168 Kg = 8966 Kg dodecilbenceno

Día 1 Kgmol C12H24 día

Treacloruro de aluminio

0.10 x 8966 Kg Dodecilbenceno = 897 Kg Cl3Al

Día día

Oleum

8966 Kg Dodecilbenceno x 1.25 = 11208 Kg Oleum

Día día

Agua

11208 Kg Oleum x 0.244 = 2188Kg Agua

Día 1.25 día

Benceno q no reaccionó

53.37 Kgmol benceno - 48.03 Kgmol dodecilC6H6 = 5.34 Kg mol

Día día día

5.34 Kg mol x 78Kg C6H6 = 416.4 Kg C6H6

Día kgmol día

DodecilC6H6 que se regresa que no reacciona

5.34 Kg mol x 168Kg DodecilC6H6 = 897.12Kg DodecilC6H6

Día kgmol día

2. El balance de masa del proceso

Alquilación

Fraccionamiento

Sulfonación

Benceno

Dodecen

Triclorur

Oleum

Todo de Cl3Al

Pesados

SeparadorAcd 78%Agua

Sulfonato

NeutralizaciónNaOH 20%

Sulfonato de sodio, dodecilbenceno

SecadoAgua

Detergente

4. Calcular la cantidad el flujo de agua, que debe pasar por la camisa de enfriamiento del reactor de alquilación)

Balance Energético

Q = -AHr (reacción exotérmica)

Q = f x d x Cp x At

f = flujo de agua

At=10F

Cp= calor especifico

Cp = 1 Kcal x 1ºC = 1Kcal

KgºC 1.8ºF Kgx1.8ºF

C12H24 + C6H6 C12H25.C6H5

AHfC12H24 + AHfC6H6 AHfC12H25.C6H5

AHr = AHfC12H25.C6H5 - AHfC12H24 - AHfC6H6

AHr= -54348 cal – 11717 cal – (- 51239 cal) = -14826 Kcal

gmol gmol gmol Kgmol

-14826 Kcal x 48.03 Kgmol DodecilC6H6 x día x ciclo = -39561Kcal = -AHr = Q

Kgmol Día 6 ciclo 3horas horas

Q = f x d x Cp x At

-(-39561Kcal ) = f x 1Kg x 1Kcal x 10ºF

Horas lt Kgx1.8ºF

39561Kcal

f= h = 7121 litros

1Kg x 1Kcal x 10ºF horas

Lt Kgx1.8ºF

3.Determinar el volumen del primer reactor (donde se realiza la alquilación)

Base= 1día

1 ciclo x 24horas = 6 ciclos

4 horas 1día día

Benceno

4163 Kg C6H6 reacciona + 416.4 Kg C6H6 retorna = 4579.4 Kg C6H6

Día día día

4579.4 Kg C6H6 x días = 763.23 Kg C6H6

Día 6ciclos ciclo

Volumen del Benceno

763.23 Kg C6H6 x 1lt C6H6 = 867.31 lt C6H6

Ciclo 0.88Kg C6H6 ciclo

DodecilC6H6

8966 Kg DodecilC6H6 reacciona + 897.12 Kg DodecilC6H6 retorna = 9863.12Kg DodecilC6H6

Día día día

9863.12Kg DodecilC6H6 x días = 1644 Kg DodecilC6H6

Día 6ciclos ciclo

Volumen del DodecilC6H6

1644 Kg DodecilC6H6x 1lt DodecilC6H6 = 2154.08 lt DodecilC6H6

Ciclo 0.7632Kg DodecilC6H6 ciclo

Cl3Al

897Kg Cl3Al x días = 149.5 Kg Cl3Al

Día 6ciclos ciclo

Volumen del Cl3Al

149.5 Kg Cl3Al x 1lt Cl3Al = 61.27 lt Cl3Al

Ciclo 2.44Kg Cl3Al ciclo

Volumen del reactor

867.31 lt C6H6 + 2154.08 lt DodecilC6H6 + 61.27 lt Cl3Al = 3082.66 lt

ciclo ciclo ciclo ciclo