PROBLEMAUna empresa petrolera conservadora ha sido recientemente reorganizada y la nueva administracin ha decidido que la empresa debe diversificar sus operaciones en el campo petroqumico si quiere seguir siendo competitivos. La divisin de investigacin de la compaa ha sugerido que un rea muy prometedora en el campo de la petroqumica sera en el desarrollo y fabricacin de detergentes sintticos biodegradables utilizando algunos de los intermedios de hidrocarburos actualmente disponibles en la refinera. Una encuesta realizada por la divisin de mercado ha indicado que la empresa podra esperar alcanzar el 2,5 por ciento del mercado de detergentes si una planta con una produccin anual de 15 millones de libras se fuera a construir. Para proporcionar una gestin con una comparacin de inversin, el grupo de diseo ha sido instruido para proceder primero con un diseo preliminar y una estimacin actualizada costo de una instalacin de produccin de detergente biodegradable similar a los suplantados por recientes instalaciones biodegradables.La literatura revela que la mayora de los detergentes no biodegradables son alquilbencenosulfonatos (ABS). En teora, hay ms de 80.000 alquilbencenos isomricas en el intervalo de C10 a C15 para la cadena lateral de alquilo. Los costos, sin embargo, generalmente favorecen el uso de dodeceno (tetrmero de propileno) como el material para ABS de partida.Hay muchos esquemas diferentes en la fabricacin de ABS. La mayora son variaciones de la que se muestra en el diagrama de flujo adjunto para la produccin de dodecilbencenosulfonato de sodio. Una breve descripcin del proceso: Este proceso implica la reaccin de dodeceno con benceno en presencia de catalizador de cloruro de aluminio Fraccionamiento de la mezcla bruta resultante de recuperar el intervalo de ebullicin deseada de dodecilbenceno Sulfonacin del dodecilbenceno Neutralizacin del cido sulfnico con sosa custica (mezclando la suspensin resultante con "constructores" qumicos) Secado. Dodeceno se carga en un recipiente de reaccin que contiene benceno y cloruro de aluminio. La mezcla de reaccin se agita y se enfra para mantener la temperatura de reaccin de aproximadamente 115 F mximo. Un exceso de benceno se utiliza para suprimir la formacin de subproductos. Requisito de cloruro de aluminio es de 5 a 10% en peso de dodeceno. Despus de la eliminacin de los lodos de cloruro de aluminio, la mezcla de reaccin se fracciona para recuperar el exceso de benceno (que se recicla al recipiente de reaccin), un hidrocarburo alquilarilo liviano, dodecilbenceno, y un hidrocarburo alquilarilo pesado. La sulfonacin de los dodecilbenceno puede llevarse a cabo de forma continua o discontinua bajo una variedad de condiciones de funcionamiento utilizando cido sulfrico (100 %), oleum (por lo general el 20 por ciento SO2) o trixido de azufre anhidro. La temperatura ptima sulfonacin es generalmente en el rango de 100 a 140 F dependiendo de la fuerza del cido empleado, diseo mecnico de los equipos, etc. La eliminacin del cido sulfrico gastado del cido sulfnico se facilita mediante la adicin de agua para reducir la concentracin de cido sulfrico a aproximadamente 78 por ciento. Esta dilucin antes de resultados de neutralizacin en una suspensin neutralizada final que tiene agente activo aproximadamente el 85 por ciento basado en los solidos. El material inerte en el producto final es esencialmente Na2SO4. El cido sulfnico se neutraliza con 20 a 50 por ciento solucin de sosa custica a un pH de 8 a una temperatura de aproximadamente 125 F. "Constructores" qumicos como: fosfato trisdico, pirofosfato tetrasdico, silicato de sodio, cloruro de sodio, sulfato de sodio, carboximetilcelulosa, etc., se aaden para mejorar la detersividad (limpiador), humectantes, u otras propiedades deseadas en el producto terminado. Un copos de producto seco se obtiene por secado en tambor o un producto de grano se obtiene por pulverizacin

Las reacciones bsicas que se producen en el proceso son las siguientes:

ALQUILACION

SULFONACION

NEUTRALIZACION

Una bsqueda en la literatura indica que los rendimientos de 85 a 95 por ciento han sido obtenidos en la etapa de alquilacin, mientras que los rendimientos para el proceso de sulfonacin son sustancialmente 100 por ciento, y los rendimientos para la etapa de neutralizacin son siempre 95 por ciento o mayor. Todos los tres pasos son exotrmicas y requieren alguna forma de con camisa de refrigeracin alrededor del reactor agitado para mantener la reaccin isotrmica temperaturas.Los datos de laboratorio para la sulfonacin de dodecilbenceno, descrito en el literatura, proporcionar informacin adicional til para un balance de materia rpida.Esto se resume de la siguiente manera:1. La sulfonacin es esencialmente completa si la proporcin de 20 por ciento a leum dodecilbenceno se mantiene en 1,25.2. eliminacin de cido sulfrico usado se optimiza con la adicin de 0.244 libras de agua para el sedimentador para cada 1.25 libras de 20 por ciento oleum aadido en el etapa de sulfonacin.3. Se sugiere un 25 por ciento en exceso de 20 por ciento de NaOH para la neutralizacin paso.Condiciones de funcionamiento de este proceso, como se informa en la literatura, varan algo dependiendo del procedimiento de tratamiento particular elegido.

BALANCE DE MATERIA Y ENERGIAEl proceso seleccionado para la fabricacin del detergente es no biodegradable esencialmente continua, a pesar de que la alquilacin, sulfonacin, y la neutralizacinSon pasos semicontinuos. Las provisiones para posibles cierres de reparaciones y mantenimiento se incorporan en el diseo del proceso especificando operacin de la planta durante 300 das naturales por ao. Suponiendo que es 90 por ciento rendimiento en el alquilador y un producto de dodecilbencenosulfonato de sodio ha de ser 85% activo con sulfato de sodio 15 % como inerte, el balance general de materia es la siguiente:

Componentes de entrada:Producto (85% activo) = 122 libras mol / daAlimentacin de C6H6 = = 142.71bmol / da = (142.7*78.1) = 11,145 libras / daAlimentacin de C12H24 = 142.7 libra mol / da = (142.7*168.3) = 24.016 libras / da20% en leum = (1,25)* (11.145 + 24.016) = 43.951 libras / dailucin en H2O = (0.244 / 1.25)*43,951 = 8579 libras / da20% de NaOH en = (1,25)* (43,951) = 55.085 libras / daAlCl, en catalizador = (0.05) *(11.145 + 24.016) = 1758 libras/ da

Proceso de alquilacin:Rendimiento de alquilato = (0.9*142.7*246.4) = 31.645 libras/ dasin reaccionarC6H6 = (0.l*11.145) = 1114 libras / daSin reaccionar C12H24 = (0.05*24,016) = 2402 libras / da

Balance de azufre:Azufre a la entrada= (43,951*l.O45*32.1 / 98,1) = 15,029 / daAzufre de salida = azufre en detergente + azufre en cido gastadoEl azufre en el detergente = = 3915 + 1695 = 5610 libras / daEl azufre en cido = 15,029 - 5,610 = 9419 libras / daPeso de 78% de H2 SO4 = = 36.861 libras/ daEl peso del hidrocarburo alquilarilo pesada se obtiene por diferencia como 3516 libras/da.

RESUMEN DEL BALANCE DE MASA:

CALCULO DEL CALOR DE REACCION

Los calores de formacin de dodecilbenceno y dodeceno se evalan utilizando tcnicas estndar descritas en la mayora de los textos de ingeniera qumica de termodinmica, La formacin de calor de benceno est disponible en la literatura.

Asi:

Supongamos calor de reaccin se libera en 3 h de 4-h del ciclo (i de un operativoDa):

Utilizar una diferencia de temperatura de 10 F para el agua de refrigeracin para encontrar la masa de agua requerida para eliminar el calor de reaccin de enfriamiento.

La tasa de flujo volumtrico es, por lo tanto, 42,3 gpm. Seleccionar una bomba centrifuga de 45gpm, construccin de acero al carbono.