Entrega 1 Diseño de Procesos

Diseo de una planta productora de Anhdrido Maleico

Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado

Enzo Fernando Zukowski Padrn 86325

30/05/2013

Diseo de procesos Trabajo prctico N1: Bsqueda de un esquema preliminar de la planta y cierre de un balance aproximado

1

Contenido

Anlisis preliminar de factibilidad econmica y eleccin de la materia prima .......................... 2

Estructura Entrada-Salida, decisiones adoptadas y su justificacin ............................................... 3

Decisiones sobre la estructura de reciclo ................................................................................................... 5

Decisiones adoptadas acerca del sistema de separacin ..................................................................... 7

Estructura bsica del sistema de separacin........................................................................................ 7

Nociones de la qumica del anhdrido maleico en soluciones acuosas ...................................... 7

Separacin de fases a la salida del reactor ............................................................................................ 8

Sistema de recuperacin gaseoso ............................................................................................................. 9

Sistema de recuperacin de lquido ....................................................................................................... 10

Cierre aproximado de los balances de masa y energa ....................................................................... 16

Balance de masa global ................................................................................................................................ 16

Balances de energa en el sistema de reaccin y flash .................................................................... 17

Anlisis preliminar de costos ......................................................................................................................... 18


2

Anlisis preliminar de factibilidad econmica y eleccin de la

materia prima

En la preentrega se consider por separado la posibilidad de producir anhdrido maleico a

partir de n-butano y de benceno.

En la siguiente tabla se comparan ambas posibilidades de manera muy simplista, considerando

los costos de las materias primas y el precio de mercado del anhdrido maleico.

Posibilidad 1, a partir de n-butano

Sustancia Caudal Precio Total, base anual

n-butano 229,9 gal/h 1,75 U$S/gal 3219424 U$S/ao

anhdrido maleico 1002,3 lb/h 0,882 U$S/lb 7777778 U$S/ao

beneficio total, base anual 4558354 U$S/ao

Posibilidad 2, a partir de benceno

Sustancia Caudal Precio Total, base anual

benceno 228,5 gal/h 5 U$S/gal 9140466 U$S/ao

anhdrido maleico 1002,3 lb/h 0,882 U$S/lb 7777778 U$S/ao

beneficio total, base anual -1362689 U$S/ao

An sin considerar los costos de los equipos, de operacin, de los servicios, etc., la produccin

de anhdrido maleico en estas condiciones es inviable. Se decide basar el diseo con el n-

butano como materia prima.


3

Estructura Entrada-Salida, decisiones adoptadas y su

justificacin

Seguimos la propuesta de anlisis de Douglas:

Debemos purificar las alimentaciones antes de entrar al proceso?

Se dispone de n-butano puro, por lo que no es necesario procesar dicha corriente.

La corriente de aire tampoco se purifica, tanto el nitrgeno como los xidos de carbono que

componen el aire son inertes en este sistema de reaccin, sin embargo no se puede utilizar el

aire atmosfrico directamente como alimentacin al reactor, debido a que contiene partculas

en suspensin que podran perjudicar enormemente al catalizador. En la unidad de

compresin se filtra tanto el aire que ingresa al compresor como el que sale del mismo (debido

a que existe la posibilidad de que el gas se contamine con lubricantes propios del equipo), y se

elimina todo vestigio de humedad que pueda condensar y daar al compresor.

Recuperar o Reciclar Subproductos Reversibles?

No hay reacciones reversibles.

Debemos Emplear Reciclo Gaseoso + Purga?

La recomendacin de Douglas es emplear un reciclo gaseoso y purga para los reactivos

livianos, aquellos cuyos puntos de ebullicin sean menores al del propileno, -48 C (esos

compuestos no podrn ser condensados con agua de enfriamiento an a presiones elevadas).

En nuestro caso tenemos reactivos livianos, por lo que, en principio, habr que considerar la

posibilidad de emplear un reciclo gaseoso y purga.

Debemos Recuperar y Reciclar Todos los Reactivos?

Nuestro reactivo liviano es aire en exceso, demasiado econmico como para que se justifique

la implementacin de un reciclo.

Por otra parte, el reactivo valioso, el n-butano, se alimenta muy diluido; la concentracin de n-

butano a la salida del reactor es an ms baja. La decisin de instalar un reciclo lquido -

siguiendo el criterio de Douglas- no es tan inmediata, por lo que, a priori, decidimos destinar el

excedente de n-butano a un sistema incinerador (antorcha o aprovechamiento como

combustible). Reconocemos que la decisin no es definitiva, puesto que, como cualquier otra,

debe estar sustentada por un anlisis econmico del proceso global, anlisis que todava no

puede hacerse.


4

Cuntas Corrientes de Producto Habr?

En esta etapa no consideramos otros suproductos ms que aquellos involucrados en el sistema

de reaccin propuesto. Sin embargo, en el proceso de separacin pueden formarse sustancias

indeseadas, como cido maleico, cido fumrico, cido actico, aldehdos varios, butadienos,

butenos, etc

Compuesto Pto. de Eb (C) Destino

Nitrgeno -195 venteo/fuel gas

Monxido de Carbono -192 venteo/fuel gas

Oxgeno -183 venteo/fuel gas

Dixido de Carbono -57 venteo/fuel gas

n-butano -0.5 venteo/fuel gas

Agua 100 residuo

Anhdrido maleico 202 producto principal

Representacin de la estructura de Entrada Salida

aire

n-butano

venteo/fuel gas

Residuos

anhdrido maleico


5

Decisiones sobre la estructura de reciclo

Nuevamente seguimos el anlisis de Douglas:

Cuntos reactores se requieren? Existen separaciones entre los diferentes sistemas de

reactores?

De acuerdo al anlisis realizado en la preentrega, se requieren 4 reactores en serie, sin

separacin de corrientes entre ellos. Las condiciones seleccionadas en ese momento para el

sistema fueron:

Operacin adiabtica

Cuntas corrientes de reciclo se requieren?

Como mencionamos anteriormente, no consideramos en esta etapa la posibilidad de

implementar un reciclo.


6

Es conveniente emplear exceso de algn reactivo en la alimentacin del reactor?

El oxgeno se alimenta en exceso, fundamentalmente para evitar operar en zonas de

explosividad. El n-butano se alimenta a su vez en exceso respecto de la cantidad

estequiomtrica requerida, porque existen otras reacciones que ocurren simultneamente

adems de la inters, y la selectividad no es del 100%.

Cmo debe ser operado trmicamente el reactor?

Cada reactor ser operado adiabticamente con enfriamientos intermedios para evitar que la

temperatura se dispare fuera de los lmites establecidos en la preentrega.

Reconocemos que utilizar un reactor multitubular en una operacin adiabtica es muy

complicado, pero en dicha etapa del trabajo se busc evaluar la sensibilidad del tamao del

reactor respecto de las principales variables operativas, no dimensionar en detalle un reactor.

Tampoco es el objeto de este trabajo, por lo que por el momento se mantendrn como base

del diseo las condiciones de operacin seleccionadas con anterioridad.

Se desea cambiar la conversin de equilibrio? Cmo?

No existen reacciones reversibles, no hay equilibrios involucrados.


7

Decisiones adoptadas acerca del sistema de separacin

Estructura bsica del sistema de separacin

Nociones de la qumica del anhdrido maleico en soluciones acuosas

En fase lquida, el anhdrido maleico puede ser hidrolizado para dar dos ismeros geomtricos,

el cido maleico (cis) y el cido fumrico (trans).

En agua a altas temperaturas predomina la formacin del ismero trans, que es ms estable

(menos soluble en agua). A temperaturas ms bajas, la hidrlisis ocurre en favor del ismero

cis principalmente.

A continuacin se detallan las propiedades ms relevantes:

cido maleico cido fumrico

Condiciones de formacin cis, agua fra trans, agua caliente

Estructura

Punto de ebullicin 144 C 282 C

Solubilidad en agua a 25 C 44.1 g/100 ml 0.7 g/100 ml

aire

n-butano

venteo/antorcha

residuos

anhdrido maleico

Sistema de

recuperacin de vapor

Separador de

fases

Sistema de

reactores

Sistema de

recuperacin de lquido


8

La formacin de cido fumrico es particularmente indeseable debido a su insolubilidad, por lo

que puede bloquear caeras o equipos. Por su parte, el cido maleico puede ser deshidratado

para regenerar el anhdrido.

Separacin de fases a la salida del reactor

Como primera medida, es necesario generar dos fases a partir del efluente del reactor. Para

ello se utiliza un condensador parcial, consistente en uno o varios intercambiadores de calor

que enfran el efluente, y un tanque flash para posibilitar la separacin de fases.

Esta seccin se simul en HYSYS. Como datos de entrada se utilizaron los flujos molares

correspondientes al efluente del sistema de reaccin seleccionado en la preentrega.

Consideramos prioritario recuperar la mayor cantidad de anhdrido maleico en la corriente

lquida minimizando la cantidad de agua en el condensado.

Modelo utilizado

Debido a la polaridad del MAN, principal componente que se desea condensar, se selecciona

un modelo basado en datos de coeficientes de actividad UNIQUAC para la fase lquida.

La fase vapor se modeliza segn la ecuacin de estado de Redlich-Kwong.

Esquema del flash (HYSYS)


9

Resultados

El modelo predice la condensacin de pequeas fracciones de agua; en la prctica se puede

considerar que el vapor de agua no condensa en las cantidades a las cuales est presente en la

corriente efluente del reactor. Aun as, debera minimizarse el tiempo de residencia del

condensado en el tanque, para evitar la absorcin de humedad por parte del ahdrido maleico

crudo.

La cantidad de anhdrido maleico condensado se muestra en la siguiente figura. Para

temperaturas mayores a 100 C, la corriente de condensado es mnima. No se ensayaron

temperaturas menores a 60 C, para evitar una excesiva proximidad al punto de fusin del

anhdrido.

Se observa que la cantidad de anhdrido maleico condensado aumenta conforme disminuye la

temperatura. En una primera aproximacin, se elige operar con la menor temperatura

considerada, 60 C.

Por otra parte, la recuperacin del anhdrido aumenta cada vez menos conforme aumenta la

presin. Como compromiso, se decide operar a 250 kPa. Esto tambin da un margen para las

cadas de presin asociadas a todos los equipos desde el ingreso al reactor hasta el tanque

flash.

Sistema de recuperacin gaseoso

El anhdrido maleico que remanente en la corriente de gas puede recuperarse mediante

absorcin con agua fra como solvente. Debido a que es extremadamente soluble en agua, no

se comete mayor error en suponer en esta instancia que este compuesto no se pierde en el

efluente gaseoso.

0

1

2

3

4

5

6

60 65 70 75 80 85 90

Kmol/h

T C

Anhdrido maleico condensado

350 kPa

300 kPa

250 kPa

200 kPa

150 kPa


10

El efluente gaseoso contendr principalmente todo el nitrgeno alimentado al reactor, el

exceso de oxgeno, dixido de carbono, monxido de carbono, y el n-butano que no ha

reaccionado.

Esta corriente debe ser tratada antes de ser venteada a la atmsfera para cumplir con la

legislacin medioambiental local. El n-butano eventualmente puede ser utilizado como

combustible en otro proceso, o ser quemado directamente en antorcha.

Por otra parte, como los dems componentes de la corriente gaseosa son muy voltiles

podemos suponer que no estarn presentes en el efluente lquido del absorbedor.

En definitiva, en condiciones ideales, el anhdrido maleico se absorber en agua para dar una

solucin relativamente diluida de cido maleico, cuyo destino ser el sistema de recuperacin

de lquido.

Sistema de recuperacin de lquido

En este sistema tenemos 2 corrientes lquidas a tratar:

El efluente del absorbedor, solucin acuosa de cido maleico

El efluente del flash, anhdrido maleico crudo

absorbedor

venteo/fuel gas

agua

(solvente)

fase

vapor

solucin acuosa de cido

maleico, al sistema de

recuperacin lquida

tratamiento

del gas


11

Efluente del absorbedor

Esta solucin puede concentrarse para luego deshidratar el cido y regenerar el anhdrido.

Como primera medida antes de analizar la separacin se estudia el comportamiento de la

mezcla binaria con HYSYS.

Nuevamente se utiliz el modelo UNIQUAC debido a la polaridad de ambos compuestos. Los

datos se exportaron a Excel para confeccionar grficos con mayor claridad.

130

135

140

145

150

155

160

165

170

175

180

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T C

Fraccin molar cido maleico

Sistema cido maleico - agua 400 kPa

143,3

143,35

143,4

143,45

143,5

143,55

143,6

143,65

143,7

143,75

143,8

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04

T C




12

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T C



120

120,2

120,4

120,6

120,8

121

121,2

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04

T C




13

Se observa la presencia de un azetropo de mnima en el rango de presiones considerado

hasta este momento. El azetropo se hace ms visible a presiones elevadas; conforme la

presin disminuye, las fracciones molares de cido maleico a las que se produce son menores.

Sin embargo las curvas tienen pendientes muy similares en esa regin, por lo que no se tiene la

certeza de que el azetropo desaparezca a presiones reducidas, y, de ser necesario romper el

azetropo, no se considera viable hacerlo cambiando la presin. Alternativas para lograr la

separacin son la destilacin extractiva o la destilacin azeotrpica.

De todas maneras y en la medida de lo posible, no debe perderse el punto de vista global del

proceso, con lo cual cabe preguntarse si realmente es necesario implementar un sistema de

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

130

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

T C



81

81,5

82

82,5

83

83,5

84

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04

T C




14

recuperacin orientado a evitar las dificultades asociadas a la presencia del azetropo, siendo

que ste ocurre en un intervalo de concentraciones muy bajas de cido maleico.

Es decir, el rango de concentraciones de la solucin de cido maleico que permite obtener

cido maleico lo ms puro posible por un lado, y una solucin acuosa diluida en el cido con

concentracin del azetropo es aparentemente lo suficientemente amplio en varias

condiciones de presin y temperaturas como para que una separacin convencional sea

factible. Esquemticamente:

Como se dijo anteriormente, el cido maleico puede deshidratarse para regenerar el anhdrido

en una columna de destilacin convencional:

cido maleico

solucin

acuosa diluida

cido maleico,

composicin

azeotrpica

solucin

acuosa de

cido maleico,

efluente del

absorbedor

anhdrido

maleico crudo

vapor de agua

cido maleico


15

En resumen, la secuencia de separacin propuesta es:

Efluente del flash

El anhdrido maleico que proviene del flash debe ser refinado para alcanzar la especificacin

requerida (no puede utilizarse el flash como equipo de separacin definitivo, hay pocos

parmetros para controlar frente a cambios de cualquier tipo, adems que puede

contaminarse con impurezas de muchos tipos).

Este proceso se puede realizar en una columna de destilacin, en condiciones apropiadas para

minimizar la prdida del producto.

anhdrido

maleico en

especificacin

impurezas

anhdrido

maleico crudo

cido maleico

solucin acuosa

diluida cido

maleico,

composicin

azeotrpica

solucin acuosa

de cido

maleico, efluente

del absorbedor

anhdrido

maleico crudo

vapor de agua impurezas

anhdrido

maleico en

especificacin


16

Cierre aproximado de los balances de masa y energa

En la preentrega de calcularon los balances para el sistema de reaccin en las condiciones

seleccionadas. Se reproducen aqu dichos resultados, que sirven de base a los dems.

Las consideraciones ms importantes que se realizan son:

Los balances se realizan considerando todas las separaciones ideales, incluyendo la

separacin en el tanque flash. Esto quiere decir que se considera que en cada etapa, la

eficiencia de separacin es del 100 %.

No se consideran las prdidas de carga dentro de los equipos

Balance de masa global

Entrada al reactor 1

Salida del reactor 4

Venteo/Fuel Gas

Residuo Producto

Caudal molar total kmol/h 951,85 979,49 944,63 29,77 5,101

Presin, kPa 400 400 250 250 250

Temperatura, K 613 693

Cp mezcla, kJ/mol K 7,572 8,191

Caudal molar de n-butano, kmol/h

9 2,03 2,03 0 0

Caudal molar de oxgeno, kmol/h

198 169,84 169,84 0 0

Caudal molar de nitrgeno, kmol/h

744,86 744,86 744,86 0 0

Caudal molar de CO, kmol/h 0 13,95 13,95 0 0

Caudal molar de CO2, kmol/h 0 13,95 13,95 0 0

Caudal molar de agua, kmol/h

0 29,77 0 29,77 0

Caudal molar de anhdrido maleico, kmol/h

0 5,102 0 0 5,101


17

Balances de energa en el sistema de reaccin y flash

Salida

Reactor 1

Entrada Reactor

2

Salida Reactor

2

Entrada Reactor

3

Salida Reactor

3

Entrada Reactor

4

Salida Reactor

4

Salida Condensador

Caudal molar total, kmol/h

958,79 958,79 965,79 965,79 972,77 972,77 979,49 979,49

Presin, kPa 400 400 400 400 400 400 400 250

Temperatura, K

693 613 693 613 693 613 693 333

Cp mezcla, kJ/mol K

7,680 7,680 7,789 7,789 7,894 7,894 8,191 8,191

Calor a remover, kJ/h

y kW 589081/0,164 601803/0,167 614323/0,171 2888281/0,802


18

Anlisis preliminar de costos

Se puede hacer una nueva estimacin del potencial econmico considerando el costo de

los reactores y compresores. Estos equipos son los que hasta el momento podemos

dimensionar aunque sea de manera aproximada, y tienen peso a la hora de considerar el

costo total de la planta.

Anualizando los costos,

( )

En donde, segn Duthrie,

y

( ) ( )

El ndice de actualizacin de Marshall&Swift para el ao 2010 es 1457,4.

Reactor

No se considera el costo del catalizador, puesto que todava no se dispone de informacin

acerca del catalizador utilizado en la determinacin de las cinticas de reaccin.

De todos modos, utilizando la correlacin de Duthrie, con un volumen aproximado de cada

reactor de


19

Compresor

El compresor de aire es el de mayor peso en los costos (procesa caudales mucho mayores

que el de n-butano). Una simulacin de un compresor centrfugo en HYSYS proporciona:

Introduciendo el Bhp obtenido en la correlacin de Duthrie (Fc = 1 porque P


20

Cabe destacar que los clculos anteriores sirven a los efectos de dar una nocin de los rdenes

de magnitud de los costos. Del reactor se tiene poca informacin, y tampoco se han tenido en

cuenta los equipos asociados al sistema de separacin, los costos de los servicios, operacin,

mano de obra, etc.

Entrega 1 Diseño de Procesos

Documents

Transcript of Entrega 1 Diseño de Procesos