“UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ.”

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA.

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA.

CÁTEDRA: ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

CATEDRÁTICO: ING. GUEVARA YANQUI, Pascual Víctor.

ALUMNOS: ARECHE SULLCA, FRANCOIS.

PAITAN DE LA CRUZ, Luís Angel

SEMESTRE: IX

SECCION: “A”

HUANCAYO – PERÚ

2013

OBTENCIÓN DE PROPILEN-GLICOL

ENESTADO ESTACIONARIO

I. INTRODUCCIÓN

Es un compuesto orgánico (un diol alcohol), usualmente insípido, inodoro, e incoloro

líquido aceitoso claro, higroscópico y miscible con agua, acetona, y cloroformo. Se

manufactura por hidratación del óxido de propileno.

Se usa como humectante en productos farmacéuticos, cosmética, alimentos y tabaco

también su uso es como solvente para coloración de alimentos y saborización, como

anticongelante de alimentos. En máquina de humo para hacer humo artificial para

entrenamiento de bomberos y producciones teatrales. En desinfectantes de manos, lociones

antibacterianas, y solución salina. Como ingrediente en muchos productos cosméticos,

como ingrediente primario de la pintura y de base en aeronaves fluidificante y en ciertos

anticongelantes de vehículo, y como fluido hidráulico para máquinas.

La Administración de Alimentos y Medicamentos estadounidense (FDA) ha determinado

que el propilenoglicol es "generalmente considerado como seguro" para uso en

alimentación, cosmética, y medicinas. Como el etilenglicol, el propilenoglicol afecta la

química de la sustancia a la que se agrega por el incremento de la acidez. El propilenoglicol

se metaboliza en ácido láctico, que ocurre naturalmente en los músculos ejercitados,

mientras que el etilenoglicol lo hace a ácido oxálico, que es tóxico.

II. RESUMEN

En el presente informe se planteó como objetivo general la Obtención de Propilen-Glicol

en estado estacionario para ello es necesario los valores de flujos de entrada y salida del

proceso. En el presente trabajo se desarrollan las relaciones termodinámicas fundamentales

para el establecimiento de la consistencia termodinámica conjuntamente con el balance de

materia y energía para la producción de propilenglicol. La producción de propilenglicol

(C3H8O2) se da por la hidratación del óxido de propileno, es decir en la primera fase

Propilen glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y agua

(H2O). Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente

resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura

constante y presión atmosférica. En una primera etapa se realizó el balance de materia al

mezclador despreciando el balance de energía por ser un proceso isotérmico, seguidamente

se planteó el balance de materia y energía al reactor de tanque agitado continuo (CSTR)

determinando así los valores de flujos molar de entrada y salida del sistema los resultados

obtenidos fueron: para una alimentación de 150 lbmol/h de Oxido de propileno y 610.595

lbmol/h de agua con una conversión en el reactor de X= 0.9614 se obtuvo 144.195 lbmol/h

de propilenglicol.

OBJETIVOS:

OBJETIVO GENERAL:

Obtención de Propilen-Glicol en estado estacionario

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Realizar el balance de materia en el mezclador y en el reactor tipo CSTR.

Realizar el balance de energía en el mezclador y en el reactor tipo CSTR.

Elaborar el diagrama de flujo del proceso de producción del Propilen-glicol.

III. MARCO TEORICO

2.1. PROPILENGLICOL

El propilenglicol, también denominado 1,2-propanodiol es un producto de amplia

aplicación. Como aditivo para alimentación animal pertenece a la categoría de los

“aditivos tecnológicos”, incluyéndose dentro del grupo funcional “aditivos espesantes”. [1]

El propilenglicol es un hidrato de carbono utilizado por vía oral en vacas lecheras de alta

producción como fuente rápida de glucosa y energía en casos de cetosis. También se

utiliza en piensos semihúmedos para pequeños animales para reducir las pérdidas de

humedad y mejorar la conservación y consistencia del alimento. [1]

El PGI es un líquido incoloro, soluble en agua, higroscópico, con un olor específico de

glicoles, de viscosidad media, de baja presión de vapor y de baja toxicidad. El

propilenglicol industrial tiene uso en numerosas industrias y tiene una amplia gama de

aplicaciones prácticas. [1]

Tabla 1

Características del propilenglicol

Aspecto Liquido incoloro

Peso especifico 1.0350 – 1.0389 g/cm3

Cenizas < 70.00 ppmFormula química CH3CHOH – CH2OHNº CAS 57 – 55 -6Agua < 0.20 %Cloruros < 0.007 %

Fuente: www.pintaluba.com – Andrés Pintaluba .S.A.

2.1.1. PROPIEDADES DEL PROPILENGLICOL

Figura 1: Propiedades del propilenglicol industrial.

2.1.2. APLICACIONES:

El propilenglicol industrial se utiliza en una amplia gama de productos, incluyendo

diversos productos básicos tales como resinas de poliéster, refrigerantes para motores,

pinturas de látex, fluidos de transferencia de calor y compuestos antihielo. Asimismo,

satisface los requisitos para la aplicación en limpiadores líquidos, lubricantes,

plastificantes y aditivos para el triturado de cemento. Se emplea como disolvente,

como medio para transferir calor o como producto químico intermedio, aprovechando

sus grupos reactivos de hidroxilo. [2]

El propilenglicol industrial de Dow es el glicol preferido para la fabricación de

resinas de poliéster no saturadas, a su vez usadas en una variedad de aplicaciones,

tales como laminados plásticos reforzados para la construcción naval, gel coats,

materiales para moldeo de láminas (SMC, por sus siglas en inglés) y mármol

sintético. [2]

Las soluciones acuosas de propilenglicol industrial cuentan con excelentes

propiedades anticongelantes y por lo tanto, son valiosas en la transferencia de calor a

bajas temperaturas y en los fluidos antihielo para aeronaves. [2]

El PGI es un codisolvente valioso para las pinturas con base de agua para

edificaciones y asimismo se utiliza como producto intermedio en la producción de

resinas alquídicas para pinturas y barnices. Por su capacidad de disolución es posible

utilizarlo en limpiadores líquidos, incluyendo la estabilización de detergentes líquidos

con enzimas para lavado de la ropa. [2]

2.2. OXIDO DE PROPILENO

El propileno o propeno (H2C=CH–CH3) es un hidrocarburo perteneciendo a los

alquenos, incoloro e inodoro. Es un homólogo del etileno. Como todos los alquenos

presenta el doble enlace como grupo funcional. Es el segundo compuesto más utilizado

en la industria química en todo el mundo. [3]

El líquido es muy inflamable y el vapor forma una mezcla explosiva con el aire, el óxido

de propileno puede polimerizarse violentamente. Es muy reactivo, en particular con el

cloro, el amoniaco, agentes oxidantes fuertes y los ácidos. En la tarjeta Internacional

sobre la Seguridad de las Sustancias Químicas se indican algunas de las propiedades

físicas y químicas del óxido de propileno. [3]

2.2.1. COMPOSICIÓN:

Las impurezas ordinarias que pueden presentarse en pequeñas cantidades incluyen

agua, ácido acético, cloruro y aldehídos, en el producto final se pueden encontrar

pequeñas cantidades de monocloroacetona, 1, 2-dicloro-33propanol y dicloruro de

propileno, cuando se produce el óxido de propileno por medio del proceso de la

clorhidrina. [3]

Figura 2: Identidad y usos del óxido de propileno.

2.2.2. PROPIEDADES QUIMICAS Y FISICAS:

Figura 3: Propiedades químicas y físicas del óxido de propileno

2.2.3. MÉTODOS DE SÍNTESIS:

El óxido de propileno es producido por dos procesos principalmente: clorohidrinación

del propileno seguida de la epoxidación y el segundo está dado por el proceso

Oxirano, el cual es la reacción del propileno con peróxidos. [4]

Clorohidrinación, epoxidación:

Figura 4: Reacciones de clorohidrinación y epoxidación

Proceso Oxirano:

Figura 5: Reacción del proceso de oxirano.

2.2.4.Aplicaciones y usos:

Se emplea como intermediario para una amplia gama de productos químicos

industriales y comerciales, entre los más importantes se encuentran, Polioles,

propilenglicol, éteres de glicoles. [5]

Se utiliza como herbicida. [5]

Se emplea como aditivo en la industria de algodón. [5]

2.2.5. RIESGOS PARA LA SALUD:

Contacto con los ojos: puede causar una irritación menor .Contacto con la piel: El contacto

frecuente o prolongado puede presentar síntomas de piel reseca y de irritación ya que es

una gente desengrasante suave.

2.2.6. Inhalación: No existen síntomas significativos de un daño a la salud a consecuencia

de la inhalación .Ingestión: Relativamente no es tóxico. La ingestión de pequeñas

cantidades (sobre 100 ml) puede causar un temporal malestar gastrointestinal y

depresión del sistema nervioso central. Estos efectos son más severos en personas

con problemas previos de salud Efectos Crónicos: No se conocen efectos adversos .

IV. LA PRODUCCION DE PROPILENGLICOL EN ESTADO

ESTACIONARIO PARA

3.1. APLICANDO AL CASO DE UNA PLANTA DE PROPILEN-GLICOL EN

ESTADO ESTACIONARIO

3.1.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Propilen glicol (C3H8O2) se obtiene por reacción del Oxido de Propileno (C3H6O) y

agua (H2O). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican

en la Tabla 3.

Tabla 2Condiciones de alimentación

Nombre Óxido de Propileno Agua

Temperatura (°F) 75 75

Presión 1,1 atm 16,16 psi

Flujo molar 150 lb mol/h

Óxido de propileno Fracción molar: 1,0 Flujo másico: 0,0 lb/h

Agua Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 11000,0 lb/h

Propilen glicol Fracción molar: 0,0 Flujo másico: 0,0 lb/h

Fuente: Separata del Ing. Pascual Guevara Yanqui.

Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente

resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura

constante y presión atmosférica. La reacción, que se describe en Tabla 4, ocurre en

fase líquida. El reactor tiene un volumen de 280 ft3, se supones caída de presión nula

y mantiene un nivel de líquido de 85 %.

Tabla 4Reacciones Químicas y datos cinéticos.

C3 H 6 O(l)+H 2 O(l)→ C3 H 8O2 (l) r=1,7 x1013 e(−32 000

RT )CC3 H 6O

Nota: Las velocidades de reacción están dados en lbmol/ft3.h.

Las energías de activación están dadas en Btu/lbmol.

Fuente: Separata del Ing. Pascual Guevara Yanqui.

3.2. BALANCE DE MATERIA ( ESTADO ESTACIONARIO)

3.2.1. BALANCES DE MATERIA EN EL MEZCLADOR

FH 2 O

FMezcla

FC3 H 6 O

Grafico N° 1: Mezclador.

E−S+G=A (1)

Consideraciones:

Estado estacionario (Acumulación = 0).

No existe reacción química (Generación =0)

Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.

La entrada de los flujos es a 75°F y a 1.1 atm

Teniendo en cuenta estas consideraciones la ecuación (1) será:

E=S (2 )

FC3 H 6 O+FH 2 O=FMezcla(3)

CÁLCULO DE LA CORRIENTE FC3 H 6 O

Mezclador

De la Tabla 3:

FC3 H 6 O = 150 lbmol /h

CÁLCULO DE LA CORRIENTE FH 2 O:

De la Tabla 3:

FH 2 O=11000lbh (1 lb mol

18.0 lb )=611.111lbmol /h

CÁLCULO DE LA CORRIENTE F:

Reemplazando los valores anteriores en (3):

FMezcla=150+611.111=761.111lbmol /h

Tabla 5

Tabla de resultados del balance de materia en el mezclador.

COMPONENTE

FC3 H 6 O,

lbmol/h

FH 2 O, lbmol/h FMezcla,

lbmol/h

xi, fracción

molar en

FMezcla

Oxido de Propileno 150 0 150 0,1971

Agua 0 611.111 611.111 0,8029

3.2.2.BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR CSTR

FV

FMezcla

F produco

Figura 2: Balance de materia en el reactor CSTR

Reactor CSTR

Dónde:

FV: Corriente de Venteo

F produco: Corriente Producto

E−S+G=A (4)

Consideraciones:

Estado estacionario (Acumulación = 0).

La reacción ocurre en la fase líquida, por lo tanto no existe aumento de volumen.

La composición de la salida del reactor es la misma que se origina dentro del

equipo por la agitación constante y completa.

La presión de operación es la atmosférica (14,7 psia) y a una temperatura

constante de 140 °F (isotérmico).

El reactivo limitante es el óxido de propileno por encontrarse en menor

proporción que la cantidad estequiometria.

Tomando estas consideraciones se tiene:

E−S+G=0 (5)

Como el R.L es el óxido de prolileno se tiene que:

FC3 H 6 O0−FC3 H 6 O, producto+rC3 H 6 OV =0

FC3 H 6 O0−FC3 H 6 O0

(1−XC3 H 6O)+rC3 H 6 OV =0XC3 H 6 O=

(−rC3 H 6 O )VFC3 H 6 O0

(6)

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN:

De la ley de velocidad:

−rC3 H 6 O=K CC3 H 6 O(7)

Dónde:

k=1,7 x1013 e(−32 000

RT )h−1

CC3 H 6 O=FC3 H 6 O0

(1−XC3 H 6 O)v0

v0:caudal de alimentacion f t3/h

CÁLCULO DEL VOLUMEN DE LA MEZCLA REACCIONANTE

Viene a ser el 85% del volumen del reactor:

V=0 ,85 V reactor=0 ,85 ( 280 ft 3)=238 ft3

Reemplazando estos valores en (6):

XC3 H 6 O=(K

FC3 H 6 O0(1−XC3 H 6 O)v0

)VFC3 H 6O 0

XC3 H 6 O=K (1−X C3 H 6 O )V

v0

Despejando la conversión:

XC3 H 6 O=KV

v0+KV(8)

CÁLCULO DEL CAUDAL VOLUMÉTRICO DE ALIMENTACIÓN

ν0=νagua+νóxido de propileno

De tablas:

Densidad del agua: = 62.30lb/pie3

Densidad del óxido de propileno: = 49.32lb /pie3

Caudal volumétrico inicial de agua:

νagua=611.111lbmol

h (18 lb1lbmol )( 1 ft3

62. 30 lb )=176 .565ft 3

h

Caudal volumétrico inicial del óxido de propileno:

νóxido de propileno=150lbmol

h (58 lb1 lbmol )( 1 ft 3

49 .32 lb )=176 .399ft 3

h

Finalmente:

ν0=176 . 565+176 . 399=352 .964ft 3

h

Reemplazando en (8) todos los valores calculados a una temperatura de 140°F (600

R):

Donde: R=1.9859Btu

lbmol° R

XC3 H 6 O=238[1.7 x 1013 e

( −320001.9859 x 600 )]

352.954+238 [1.7 x 1013e( −320001.9859 x 600 )]

XC3 H 6 O=0.9614

CÁLCULO DE LOS FLUJOS MOLARES DE LOS PRODUCTOS DE REACCIÓN

FC3 H 6 O=FC3 H 6 O0−FC3 H 6O 0

XC3 H 6 O=150−150 x0.9614=5.790lbmol

h

FH 2 O=F H2 O0−FC3 H 6 O0

XC3 H 6 O=611.111−150 x 0.9614=466.901lbmol

h

FC3 H 8 O2=FC3 H 8 O20

+FC3 H 6 O0XC3 H 6 O=0+150 (0.9614 )=144.210

lbmolh

P=5.790+466.901+144.210=616.901lbmol

h

Tabla 6

Tabla de resultados del balance de materia en el reactor

Especie i

FMezcla ,

lbmol/h

xi,

fracción molar

en FMezcla

F produco,

lbmol/h

xi,

fracción molar

en F produco

Oxido de Propileno 150 0,197 5.790 0,009

Agua 610.595 0,803 466.901 0,757

Propilen glicol 0 0 144.210 0,234

3.3. BALANCE DE ENERGIA (ESTADO ESTACIONARIO)

3.3.1. BALANCE DE ENERGÍA EN EL MEZCLADOR

Qo

−Wo

=ΔEcinética+ ΔEpotencial+ ΔU+ ΔPρ

+F (9)

Consideraciones

Estado estacionario (Acumulación = 0).

No existe considerable generación de energía y trabajo del eje (Wo

=0 ).

Mezcla de fluidos líquidos incompresibles.

Las pérdidas de energía por las tuberías y accesorios son despreciables

(F≈0 ).

Las variaciones de energía cinética y potencial, de trabajo de flujo son

despreciables (ΔEcinética≈0 , ΔE potencial≈0).

El calor de mezclado es despreciable por la rapidez que ocurre en el proceso (

Qo

=0 ).

Finalmente: ΔU=0

El proceso es isotérmico.

Tabla 7

Condiciones físicas de la mezcla a la salida del mezclador

Parámetros Corriente FC3 H 6 O Corriente FH 2 O CorrienteFMezc la

Temperatura, ºF 75 75 75

Presión, psia 16,16 16,16 16,16

Flujo molar, lbmol/h 150 611.111 761.111

Fracción molar de vapor 0 0 0

3.3.2. BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR

Qo

−Wo

=∑i=1

n

∫T i0

TFi 0Cpi dT + ΔH Rx (T ) F A0 X A

(10)

Consideraciones

Estado estacionario (Acumulación = 0).

No existe trabajo de eje (Wo

=0 ).

Los calores específicos son constantes en el intervalo de integración.

El calor de reacción debe evaluarse a la temperatura de operación del reactor, la

temperatura de referencia para las entalpías de formación es de 68 °F.

Qo

=∑i=1

n

F i 0Cpi (T−T i 0)+ ΔH Rx (T ) F A 0 X A

(11)

CÁLCULO DE LAS CAPACIDADES ESPECÍFICAS

Del texto: Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, H. Scout Fogler,

tercera edición – página 446:

C pagua=18BTU

lbmol. ° F

C poxidode propileno=35BTU

lbmol .° F

C ppropilenglicol=46BTU

lbmol .° F

CÁLCULO DEL CALOR DE REACCIÓN A LA TEMPERATURA DE

OPERACIÓN

ΔH Rx (140 ºF )=ΔH Rxo (68 ºF )+ΔCp (140−68 ) (12)

Cálculo del calor de reacción la temperatura de referencia (68°F): Las entalpías de

formación se obtuvieron del texto Elementos de Ingeniería de las reacciones

químicas, H. Scout Fogler, tercera edición – página 447:

∆ H agua, f° =−123000

BTUlbmol

∆ H oxidode propileno ,f° =−66600

BTUlbmol

∆ H propilenglicol ,f° =−226000

BTUlbmol

ΔH Rxo (68 ºF )=−226 000−(−123 000 )−(−66 600 )=−36 400

BTUlbmol

ΔCp=46−18−35=−7BTUlbmol

Reemplazando en (12):

ΔH Rx (140 ºF )=−36 400+ (−7 ) (140−68 )=−36 904BTUlbmol

CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA DEL REACTOR

Reemplazando todos los valores calculados en (9):

Qo

= [150 (35 )+611 ,1 (18 ) ] (140−75 )+ (−36 904 ) (150 ) (0 ,959 )

Q = -4.25x106 BTU/h

3.4. DIAGRAMA DE BLOQUES PARA PRODUCIR PROPILENGLICOL

Figura 8: Balance de materia general para la producción de propilenglicol

1: Alimentación del Óxido de Propileno.

2: Alimentación de Agua.

3: Mezcla de alimentación al reactor.

4: Venteo, corriente de prevención para los gases que se pudieran formar en la

reacción.

5: Productos finales a la salida del reactor.

5

4

3

2

1

Mezclador Reactor CSTR

3.4.1. COMPOSICIONES DE LAS CORRIENTES

Tabla 8

Tabla de resultados del balance de materia

Corrientes

Especie i

Corriente 1 ,

lbmol/h

Corriente 2 ,

lbmol/h

Corriente 3,

lbmol/h

Producto 5,

lbmol/h

Oxido de Propileno 150 0 150 5.790

Agua 0 610.595 610.595 466.901

Propilen glicol 0 0 0 144.210

Total 150 610.595 760.595 616.901

Fuente: Elaboración propia

V. RESULTADOS

BALANCE DE MATERIA DEL MEZCLADOR

Corrientes 1 ,

lbmol/h

2 ,

lbmol/h

3,

lbmol/h

xi, fracción

molar en 3

Oxido de Propileno 150 0 150 0,1971

Agua 0 611.111 611.111 0,8029

BALANCE DE MATERIA DEL REACTOR CSTR

Corrientes

Especie i

3 ,

lbmol/h

xi,

fracción

molar en F

5 ,

lbmol/h

xi,

fracción

molar en P

Oxido de Propileno 150 0,197 5.790 0,009

Agua 610.595 0,803 466.901 0,757

Propilen glicol 0 0 144.210 0,234

BALANCE DE ENERGÍA DEL MEZCLADOR

Parámetros Corriente 1 Corriente 2 Corriente 3

Temperatura, °F 75 75 75

Presión, psia 16,16 16,16 16,16

Flujo molar, lbmol/h 150 611.111 761.11

Fracción molar de vapor 0 0 0

BALANCE DE ENERGÍA DEL REACTOR CSTR

Especie i ∆H i,f,

BTU/lbmol

∆Hrx (68 °F),

BTU/lbmol

Cp, ∆ Cp ∆Hrx (140 oF),

BTU/lbmol

Oxido de Propileno -66 600 -36 400 35 -7 -36 904

Agua -123 000 18

Propilen glicol - 226 000 46

BALANCE GENERAL

Especie i Corriente A ,

lbmol/h

Corriente B ,

lbmol/h

Corriente F,

lbmol/h

Producto P,

lbmol/h

Oxido de Propileno 150 0 150 5.790

Agua 0 610.595 610.595 466.901

Propilen glicol 0 0 0 144.210

Total 150 610.595 760.595 616.901

Mezcla

M-100

R-100

ESCALA:

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS 093-B

Vo.Bo. V.G.Y.

13/11/2013POR: PAITAN DE LA CRUZ; Luis Ángel, ARECHE SULLCA; Francois

DIAGRAMA DE FLOWSHEET (Producción de Propilenglicol)

DPTO. ACADEMICO DE INGENIERIAFIQUNCP

2

5

43

1

Oxido de prolileno

Vapor

Producto

Agua

2

5

43

1

ESCALA:

ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS 093-B

Vo.Bo. V.G.Y.

13/11/2013POR: PAITAN DE LA CRUZ; Luis Ángel, ARECHE SULLCA; Francois

DIAGRAMA DE BLOQUES (Producción de Propilenglicol)

DPTO. ACADEMICO DE INGENIERIAFIQUNCP

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

H. Scout Fogler,“Elementos De Ingeniería De Las Reacciones Químicas”

tercera ed. página 447-448

Gael D. Ulrich, “Diseño y Economía De Los Procesos De Ingeniería

Química” Primera ed. Página 33-46

Perry, J.H., and C.H. Chilton, and S.D. kirpatrick, chemical Engineers

Handbook, 4th edition, p. 6-19, section 9, McGraw-Hill, New York (1963)

[1] www.pintaluba.com – Andres Pintaluba .S.A.

[2] www.dogpg.com - Hoja de datos técnicos.

[3] Guía para la salud y seguridad Nº 15 – PISSQ.Metepec. Mexico-2006

[5] http://www.corquiven.com

ARANGO LAZO, Cristhian, CONTRERAS SANABRIA, Katheryn Lizet “Simulación En Un Sistemas Estacionaria Y Dinámica Con Hysis, Chemcad Para La Produccion De Una Planta De Propilenglicol” UNCP 2012