INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA

E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DISEÑO BASICO DE PROCESOS

PROFESOR: BURGOS VAZQUEZ ESTEBAN

PROCESO DE OBTENCION DEL FENOL

ALUMNOS:

BECERRIL OBREGON IVAN

CARREON BONILLA LUIS MANUEL

ELIZARRARAS PEÑOLOZA ALEJANDRO

GARCIA GUILLEN EDGAR OMAR

MONROY ZAMORA ALAN JAVIER

GRUPO: 7IV3

SEMESTRE: AGOSTO-DICIEMBRE 2012

INTRODUCCIÓN

El presente documento se elaboro con el fin de definir y ejemplificar los procedimientos industriales para la obtención del fenol; partiendo de dos procesos diferentes se va a elegir el mejor aplicando los criterios de decisión mediante el método electre

En esta primera etapa de proyecto se aplicaran los criterios de diseño de procesos que incluyen: la estructura de entrada y salida, el sistema de reactores y reciclo. Que nos ayudaran a ejemplificar de una manera sencilla cada uno de los procedimientos elegidos, en los cuales se describe su sistema de reacción, su diagrama de flujo, su balance de materia.

En cada uno de los procedimientos presentados se incluyen las materias primas, el sistema reaccionante, un diagrama de proceso más elaborado, las eficiencias reportadas experimentalmente así como las condiciones de operación requeridas (Presión y Temperatura). Además se describirán brevemente el desarrollo de cada proceso.

Para ambos procesos se calculo el potencial económico, mediante el cual con lo obtenido en cada uno de los balances de masa y con el costo tanto de las materias primas así como el del producto obtenido se obtuvo cual de los dos es más conveniente al dejar mayores ganancias de acuerdo a lo producido , en este caso fenol.

Propiedades y Usos del Fenol

El fenol en forma pura es un sólido cristalino de color blanco-incoloro a temperatura ambiente. Su fórmula química es C6H5OH, y tiene un punto de fusión de 43 °C y un punto de ebullición de 182°C. El fenol es un alcohol, debido a que el grupo funcional de los alcoholes es R-OH, y en el caso del fenol es Ar-OH. El fenol es conocido también como ácido fénico o ácido carbólico. Puede sintetizarse mediante la oxidación parcial del benceno.

Industrialmente se obtiene mediante oxidación de cumeno (isopropil benceno) a hidroperóxido de cumeno, que posteriormente, en presencia de un ácido, se escinde en fenol y acetona, que se separan por destilación.

El fenol es una sustancia manufacturada. El producto comercial es un líquido. Tiene un olor repugnantemente dulce y alquitranado.

Se puede detectar el sabor y el olor del fenol a niveles más bajos que los asociados con efectos nocivos. El fenol se evapora más lentamente que el agua y una pequeña cantidad puede formar una solución con agua. El fenol se inflama fácilmente, es corrosivo y sus gases son explosivos en contacto con la llama.

De ser ingerido en altas concentraciones, puede causar envenenamiento, vómitos, decoloración de la piel e irritación respiratoria. Era la sustancia utilizada en los campos de concentración nazis desde agosto de 1941 para disponer de las llamadas "inyecciones letales" (inyección de fenol de 10 cm3). Desafortunadamente es uno de los principales desechos de industrias carboníferas y petroquímicas; como consecuencia el fenol entra en contacto con cloro en fuentes de agua tratadas para consumo humano, y forma compuestos fenilclorados, muy solubles y citotóxicos por su facilidad para atravesar membranas celulares.

Propiedades de los Fenoles

Los fenoles: son compuestos que presentan uno o más grupos hidroxi (OH) unidos directamente a un anillo aromático. El fenol es el miembro más sencillo de esta serie homóloga y es denominado también hidroxi-benceno.

Propiedades Físicas:

Los fenoles presentan algunas propiedades semejantes a los alcoholes, debido a la presencia del grupo –OH. Sin embargo conforman otra familia química y la mayoría de sus propiedades y los métodos para su obtención son diferentes.

Los fenoles más sencillos son líquidos o sólidos blandos e incoloros y se oxidan con facilidad por lo que se encuentran coloreados. En presencia de impurezas o bajo influencia de la luz, el aire y ciertos compuestos como el cobre y el hierro, el fenol puede teñirse de amarillo, marrón o rojo.

Solubilidad: El fenol es poco soluble en agua ya que aunque presentan el puente de hidrógeno, la proporción de carbonos con respecto a la cantidad de –OH es muy baja.

Para que los compuestos que contienen grupos –OH sean solubles en agua la razón entre carbonos y grupos –OH no debe ser mayor de 3:1. El fenol es el miembro más pequeño de este grupo y contiene 6 átomos de carbono y sólo uno de -OH.

Los demás monofenoles poseen mayor número de carbonos y sólo un grupo OH, por ello son insolubles en agua. Los difenoles y polifenoles con más de un grupo –OH presentan mayor solubilidad en el agua.

Punto de Ebullición: En general presentan altos puntos de ebullición debido a la presencia del puente de hidrógeno.

Punto de Fusión: son altos comparados con los de los alcoholes, esto se debe a que están unidos por fuerzas intermoleculares más fáciles de vencer.

Propiedades Químicas:

El fenol presenta cinco estructuras contribuyentes, es decir que pueden ceder protones. Dos de estas estructuras corresponden a la resonancia del anillo bencénico. La resonancia viene dada por la ubicación de los dobles enlaces dentro de la molécula.

Las otras tres estructuras son posibles debido al carácter básico del oxígeno que le permiten compartir más de un par de electrones con el anillo.

Usos del Fenol:

El fenol se utiliza para la preparación de resinas sintéticas, medicamentos, plaguicidas, colorantes sintéticos, sustancias aromáticas, aceites lubricantes, solventes entre muchos otros.

A partir del fenol es posible producir otros compuestos químicos, su carácter ácido le permite ceder un protón para formar así sales y éteres.

El fenol se usa principalmente en la producción de resinas fenólicas. También se usa en la manufactura de nylon y otras fibras sintéticas. El fenol es muy utilizado en la industria química, farmacéutica y clínica como un potente fungicida, bactericida, sanitizante, antiséptico y desinfectante, también para producir agroquímicos, bisfenol A (materia prima para producir resinas epoxi y policarbonatos), en el proceso de fabricación de ácido acetilsalicílico (aspirina) y en preparaciones médicas como enjuagues bucales y pastillas para el dolor de garganta.

PATRON DE USO DEL FENOL 1

Usos PorcentajeResinas Fenólica 46

Caprolactama 16Bisfenol A 14

Acido Adipico 3Exportaciones 3.5

Diversos 17.5Total 100

1 Industrial Chemicals Faith, Keyes, Clark 4ta Ed. Wiley Interscience. Página: 619

PROCESO DE OXIDACIÓN DEL TOLUENO2

C6 H 5 CH 3+112

O2→C6 H 5 COOH+H 2O

90% CONVERSIÓN

C6 H 5 COOH+12

O2→C6 H 5OH +CO2

90% CONVERSIÓNCONVERSIÓN TOTAL DE TOLUENO A FENOL ES EL 80 %

REACTIVOSTOLUENO

AIRE CATALIZADOR

PROCESOEl Tolueno es convertido a Fenol en dos oxidaciones sucesivas. En el primer paso, el tolueno es oxidado a Acido Benzoico; en el segundo paso, el Acido Benzoico es oxidado a Fenol. Para producir el Fenol, el Acido Benzoico producido en el primer paso es vertido en Difenilo, y mezclado con una pequeña cantidad de Benzoato Cúprico promovido con Manganeso, y alimentado al reactor. Una mezcla de aire y vapor es rociada en el reactor, donde el Acido Benzoico es oxidado para producir Fenol. El reactor se mantiene a una temperatura de 230°C y a una presión de 20 a 25 PSI. El Fenol y el Acido Benzoico son vaporizados continuamente y enviados a una columna de destilación. La conversión del Acido Benzoico en el reactor va de 80 a 90% .En la columna de destilación el Fenol y el vapor de Agua salen como destilado, y el Acido Benzoico sale por el fondo de la columna y regresa al reactor. Los fondos del reactor deben ser extraídos con agua caliente, Metanol, o Éter para recuperar los productos orgánicos para su recirculación.La mezcla de Agua-Fenol condensada que sale de la columna se separa en dos corrientes. La corriente rica en Fenol es mandada a una columna de Fenol, donde el agua es removida azeotropicamente y el Fenol limpio sale por el fondo de la columna.El fenol debe ser purificado posteriormente.Los gases no condensables que salen del reactor son enfriados para recuperar los productos orgánicos y después son venteados a la atmosferaLa conversión total del proceso de Tolueno a Fenol es del 80 %

2 Industrial Chemicals Faith, Keyes, Clark 4ta Ed. Wiley Interscience. Páginas 618,619

Balance de materia

B .Calculo=1000kgde fenol

1000kgdefenol∗1molde fenol

94kg

kmol

=10.638kmol

h

REACTOR 1 REACTOR 2SEPARADOR 1 SEPARADOR 2

Tolueno

Aire

Tolueno S/R

H₂O N₂

Ac. Benzoico

Aire CO₂ N₂

Ac. Benzoico S/R

Fenol

De laestequiometría

nC6 H 5COOH=10.638kmol defenol∗1kmolC6 H 5 COOH

1kmolde fenol=10.638kmolC6 H 5 COOH

nO 2=10.638kmolde

fenol∗1kmolO₂1kmol de fenol

=5.319kmol

De la conversión

ᵡ A=moles transf

moles alimentados∴moles alimentados Ac .Benzoico=moles transf

ᵡ A

=10.635kmoles0.9

=11.82kmol

Alimentado−moles transf=moles S /R

11.82kmol−10.635kmol=1.182kmol

Corrientes de alimentación 2do reactor

nAIRE=5.319kmol O₂

0.21=25.328kmol

nN ₂=25.328 kmol∗0.79=20.009kmol

nC6 H 5 COOH=10.638kmol

Corrientes a la salida

nCO2=10.638kmol de

fenol∗1kmolCO ₂1kmol de fenol

=10.638kmol

nN ₂=25.328 kmol∗0.79=20.009kmol

Esto Quiere decir que del Reactor 1 salen 10.638 kmol de C6 H 5 COOH

De la reacción estequiometrica

nTolueno=10.638 kmoldeC6 H 5COOH∗1kmol tolueno1kmolde Ac .Benzoico

=10.638 kmol

nO ₂=10.638kmoldeC6 H 5COOH∗1.5 kmolO₂

1kmolde Ac . Benzoico=15.957kmol

De la conversión

moles alimentados tolueno=moles transfᵡ A

=10.635 kmoles0.9

=11.82 kmol

nH ₂O=10.638kmol de C6 H 5COOH∗1kmol H ₂O

1kmolde Ac . Benzoico=10.638kmol

Corrientes de alimentación 1er reactor

nTolueno s / r=1.182kmol

nTolueno=10.638 kmol

nAire=15.957kmolO ₂

0.2175.985kmol

nN ₂=75.985kmol Aire∗0.79=60.028kmol

Corrientes a la salida del reactor 1

nAc Benzoico=10.638kmol

nH ₂O=10.638kmol

Balance Másico

Para el primer reactor

Balance Másico

Para el segundo reactor

Tolueno=978.696 kgOxigeno=510.624kgNitrógeno=1608.784 kgTotal=3098.104 kg

Ac.Benzoico=1297.836 kgDiox. Carb=191.484kgNitrógeno=1608.784 kgTotal=3098.104 kg

Ac.Benzoico=1297.836 kgOxigeno=170.208kgNitrógeno=560.252 kgTotal=2028.320 kg

Fenol=1000 kgAgua=468.072kgNitrógeno=560.282 kgTotal=2028.354kg

Potencial Económico

PE=1 ton∗1900

$ton

−0.97869 ton∗1100$

ton1ton

=823.441$

ton

Tabla de balance

componentes N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12 N13

tolueno10.6

38 11.82

1.182

1.182

oxigeno 15.9

57 5.13

9

nitrogeno 60.0

28 60.0

28 60.0

28 20.0

0920.0

09 20.0

09

agua 10.6

38 10.6

38 ac.benzoico

10.638

10.638

11.82

1.182

1.182

diox.carbono

10.638

10.638

fenol 10.6

38 10.6

38

PROCESO DE PEROXIDACIÓN DEL CUMENO 3

Reacciones

C6 H 5 CH (CH 3 )2+O2→C6 H 5 C (CH 3 )2 OOH

C6 H 5 C (CH 3 )2 OOH→C6 H 5 OH+(CH 3 )2 CO

90 – 92% de conversión

Materias primas requeridas:

Cumeno Aire Ácido sulfúrico (cantidad pequeña) Hidróxido de Sodio (cantidad pequeña)

Descripción del Proceso

La peroxidación del cumeno para producir fenol, envuelve la oxidación con aire del cumeno en fase líquida, y la posterior descomposición del hidroperóxido de cumeno a fenol y acetona por la acción del ácido.

El cumeno puro es mezclado con el cumeno recirculado y purificado y alimentado al reactor de oxidación junto con una solución diluida de sosa para mantener el pH entre 6 y 8. Esta mezcla se pone en contacto con aire y es mantenida a una temperatura entre 110 y 115° C.

La mezcla proveniente de del reactor de oxidación que contiene hidroperóxido de cumeno y cumeno sin reaccionar, es alimentada al reactor donde es descompuesto en fenol y acetona, esta reacción se lleva a cabo bajo condiciones de media temperatura y presión (70-80 °C, 200 – 300 psig), y en presencia de una pequeña cantidad de ácido sulfúrico. La mezcla resultante consiste en acetona, fenol, α-metil estireno y cumeno.

3 Industrial Chemicals Faith, Keyes, Clark 4ta Ed. Wiley Interscience. Páginas 612,613

Los productos son separados por destilación. En el proceso mostrado en el diagrama, la acetona es removida por el domo en la primera columna y posteriormente purificada por destilación. Los fondos de esta columna son llevados a destilación al vacío para enviar al cumeno sin reaccionar y al α-metil estireno al domo de la columna. Si esta mezcla se llevara directamente al reactor el α-metil estireno bajaría el grado de conversión del cumeno, así que esta corriente debe ser purificada. Esto se puede realizar por hidrogenación catalítica del α-metil estireno que da como resultado cumeno, o se podría fraccionar esta corriente cuidadosamente y el α-metil estireno podría ser retirado de la reacción como un subproducto. Los fondos de esta última columna son posteriormente destilados para separar al fenol de otros productos que se recuperan después, el fenol sale por el domo de la columna.

Balance de Materia para el proceso de Peroxidación del cumeno

B .Calculo=1000kgde fenol

REACTOR 1 SEPARADORREACTOR 2

Cumeno

Aire

Cumeno S/R

XA = 100%XA= 92%Acetona

N₂

Fenol

1000kgdefenol∗1molde fenol

94kg

kmol

=10.638kmol

h

De laestequiometría

nC6 H 5 COOH=10.638kmol de fenol∗1kmolC6 H5C ¿¿

nO 2=10.638kmolde

fenol∗1kmol Acetona1kmolde fenol

=10.638kmol

Para la primera reacción:

nC6 H 5CH ¿¿

De la conversión

ᵡ A=moles transf

moles alimentados∴

moles alimentadosCumeno=moles transfᵡ A

=10.638kmoles0.92

=11.55kmol

Alimentado−moles transf=moles S /R

11.82kmol−10.635kmol=1.182kmol

nO ₂=10.638kmoldeC6 H 5CH ¿

nN ₂=10.63kmol∗0.79

0.21=39.98 kmol

Por lo tanto

nC6 H 5CH ¿¿

Balance Másico

Cumeno=1275.6 kgOxigeno=340.16kgNitrógeno= 1119.44kgTotal=2735.2 kg

Fenol=1000 kgAcetona=616.54kgNitrógeno=1119.44 kgTotal=2735.98kg

Potencial Económico

PE=1 ton∗1900

$ton

+0.616 ton∗2900−1.275 ton∗1400$

ton1 ton

=1901$

ton

Hoja de balance proceso de peroxidación del cumeno

Componente/Corriente 1 2 3 4 5 6 7 8 9Cumeno 10.63 - 11.65 1.02 1.02 1.02 - - -Oxígeno - 10.63 - - - - - - -

Nitrógeno - 39.98 - 39.98 39.98 - - - 39.98Hidroperóxido de

cumeno- - - 10.63 - - - - -

Fenol - - - - 10.63 - 10.63 - -Acetona - - - - 10.63 - - 10.63 -

Kmol/h totales 10.63 50.61 11.65 51.63 62.26 1.02 10.63 10.63 39.98

MÉTODO ELECTRE

Los criterios a utilizar para la comparación entre los dos procesos industriales para la obtención de fenol son:

Presión (psig) Temperatura (ºC) Conversión (Xa) Cantidad de catalizador

P (psig) T (ºC) Xa (%) Cantidad de catalizador

A1 20-25 230 80 PequeñaA2 200-300 70-80 92 Pequeña

Arreglo de Calificaciones.

Las calificaciones de criterios están en una escala de 1-10, y los pesos para estas van de 1-3.

C1 C2 C3 C4

A1 9 7 8 10A2 6 10 9 10W 3 2 2 1

Calculando los valores de la tabla de concordancia de acuerdo con:

C ij= ∑k=1

¿Criterios

f kcon f k=wk siCalif ik≥Calif jk

f k=0 siCalif ik<Calif jk

Tabla de Concordancia:

A1 A2

A1 4

A2 5

p=∑i=1

n

∑j=1

n

C ij

n(n−1)=5

Calculando los valores de la tabla de discordancia de acuerdo con:

d ij=Max [Calif jk−Calif ik ] para k=1…¿Criterios si es negativoes=0

Tabla de Discordancia:

A1 A2

A1 3

A2 3

q=∑i=1

n

∑j=1

n

d ij

n(n−1)=3

Tabla de Dominancia:

ParaCij ≥5 y d ij≤3

Alternativa i Alternativa j a las que domina por filas

Alternativa j las que la dominan por columnas

A1 - A2

A2 A1 -

Jerarquía:

Primer lugar: A2 (Peroxidación del Cumeno)

Segundo lugar: A1 (Oxidación del Tolueno)

Conclusiones

Se efectuó el análisis de dos procesos para la síntesis de fenol, el proceso de oxidación del tolueno y el proceso de peroxidación del cumeno con el objetivo de decidir cuál de ellos representa la mejor alternativa. Para realizar dicho análisis se hizo una comparación de los siguientes parámetros entre cada proceso por medio del método Electre: presión, temperatura, conversión y cantidad de catalizador.

Se asignó un valor de peso para cada parámetro considerando la presión como el más importante debido a que los costos relacionados en equipos que trabajan alta presión son elevados. En segundo lugar se encuentra la temperatura ya que los costos asociados a ella tienen que ver con el consumo de energía y los requerimientos de los equipos para soportar altas temperaturas. El empleo de equipos que soporten altas presiones y temperaturas supone un elevado costo inicial en el proyecto, sin embargo, se otorga una mayor importancia a la presión porque el diseño requerido para dichos equipos hace que su costo sea muy alto.

Se asignó el mismo valor de peso a la conversión que a la temperatura ya que es un factor muy importante también ya que bajas conversiones suponen altas cantidades de materia prima sin reaccionar recirculada. Por último se asignó el menor valor de peso a la cantidad empleada de catalizador debido a que en ambos procesos ésta es baja.

Después de aplicar el método Electre se determinó que la mejor alternativa es la peroxidación del cumeno, ya que al comparar las condiciones de trabajo requeridas entre ambos procesos, éste supera a la oxidación del tolueno debido a que el rango de temperaturas es mucho menor que en la oxidación de tolueno, siendo 70-80ºC vs. 230ºC respectivamente, la conversión obtenida es alta y es mayor que en la oxidación de tolueno en 12% mientras que las cantidades de catalizadores utilizados en ambos procesos son bajas. Por otro lado, cabe destacar que pese a que la presión de trabajo en el proceso de peroxidación del cumeno es de entre 200 y 300 psig vs. 20-25 psig del proceso de oxidación del tolueno, la peroxidación de cumeno es una mejor alternativa.

De igual forma el potencial económico muestra que la utilidad obtenida es 2.3 veces mayor si se utiliza este proceso, lo cual supone una gran ventaja, aunque el cálculo del potencial económico

involucra solamente el costo de las materias primas y los productos, sin considerar otros gastos como consumo de energía eléctrica, número de reactores y separadores, etc.

Finalmente, se ha obtenido un resultado para la toma de decisión en la elección de un proceso a partir de dos alternativas, aplicando el método Electre que da un panorama general de las ventajas y desventajas involucradas en cada una de ellas.

Anexos:Hoja de seguridad del fenol

Hoja de seguridad del tolueno

Hoja de seguridad del cumeno

Hoja de seguridad de la acetona