INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

IINDUSTRIASEXEXTRACTIVAS

Departamento de Ingeniería Química Petrolera

Optativa III:

Formulación de proyectos industriales

Integrantes:García Zapata Luz Andrea.Monroy Cruz Julio César.

GRUPO: 4PV92

Unidad Profesional “Adolfo López Mateos”. Zacatenco, MéxicoD.F.

“Estireno”

NOMBRE DEL PROFESOR:

Estelio R. Baltazar Cadena

ESTUDIO DE MERCADO.

Introducción¿Qué es el estireno?

El estireno es un líquido transparente e incoloro, que puede obtenerse como derivado del petróleo y del gas natural, pero que también se encuentra en la naturaleza como tal. El estireno ayuda a producir materiales plásticos utilizados en miles de productos que se caracterizan por su bajo peso, su flexibilidad y su extraordinaria resistencia, y que son vitales para nuestra salud y bienestar. El estireno se utiliza para casi todo: desde envases alimentarios hasta componentes de automóviles, barcos y ordenadores.

El estireno empleado en esos productos es sintético y se fabrica en plantas petroquímicas. Sin embargo, el estireno también aparece en la naturaleza como componente natural de numerosos alimentos comunes, como son el café, las fresas o la canela. 

Algunas personas confunden el estireno, que es un líquido, con el poliestireno, que es un plástico sólido fabricado con estireno polimerizado. El estireno y el poliestireno son muy diferentes. El poliestireno es inerte y no tiene el olor del estireno; por eso se utiliza con frecuencia en aplicaciones en las que la higiene es importante, por ejemplo, en productos sanitarios y de manipulación alimentaria.

La mayoría de las personas se exponen a cantidades ínfimas de estireno, que pueden existir en el aire o en los alimentos (el estireno es un componente natural de alimentos como la canela, la carne de vacuno, el café en grano, los cacahuetes, el trigo, la avena, las fresas y los melocotones). Generalmente, estas cantidades no pasan de ser trazas, y antes de los últimos avances tecnológicos era difícil detectarlas. También es posible reconocer el estireno por su olor característico, cuando se utilizan ciertos productos que lo contienen, como pueden ser las disoluciones de resinas de poliéster.

Como ya se ha dicho, el poliestireno se utiliza a menudo en aplicaciones en las que la higiene es importante, por ejemplo, en productos sanitarios y de manipulación alimentaria. Otras secciones del Foro del estireno explican estas distinciones. 

Tamaño del proyecto.Esta planta será instalada para producir una capacidad de 274 ton/día de estireno, es decir 100,000 ton/año

La demanda de estireno en los primeros años mostrada en el estudio de mercado, tiene un crecimiento importante desde el año 1991 hasta el año 1997, por lo cual la oferta de estireno en Colombia se incrementa durante estos años. En el año 1998 hasta el 2000 la demanda y la oferta sufre algunas fluctuaciones, desde el 2001 hasta el 2003 existe una disminución importante tanto en la demanda como en la oferta. Al cabo del año 2004 se observan variaciones en el mercado muy importante con picos elevados.

También se puede observar que la proyección de la demanda desde el año 2014 hasta el 2025 se mantiene aproximadamente constante y la oferta decrece a partir del año 2014, por lo tanto, se concluye que se podrá aumentar la capacidad de la planta para satisfacer el mercado de estireno a nivel nacional en un futuro próximo.

Ubicación.Se pretende instalar esta planta en la ciudad de Monterrey, estado de Nuevo León México, por estrategia ya que la mayoría de nuestros posibles clientes se encuentran en este lugar.

Usos del producto.Los materiales a base de estireno ofrecen características únicas de durabilidad y de alto rendimiento, versatilidad de diseño, la simplicidad de la producción y la economía. Ellos pueden proporcionar excelentes beneficios de higiene, salubridad y seguridad. Y muchos de estos productos ofrecen muy buenas cualidades de aislamiento y la capacidad de ser reciclados donde los sistemas de recogida se realizan Modelos disponibles, haciendo un uso racional de los recursos naturales. En muchos casos, estireno ayuda a crear productos que son muy único, y para los cuales hay pocos sustitutos eficaces. La siguiente es sólo una muestra para mostrar el tremendo impacto de estireno tiene sobre las cosas que dan forma y mejoran nuestras vidas diarias.

Hay varias técnicas para proceso y dependiendo de ellas es la aplicación que se le da al estireno.

Envasado y embalado 

El estireno es un material que se utiliza ampliamente en el campo del envasado y embalado de una gran variedad de productos, esto es debido a sus propiedades entre las que destacan su alta capacidad de protección y de aislamiento térmico, así como su ligereza y facilidad de conformado.ALIMENTACIÓN: Garantiza las máximas garantías de higiene y el mantenimiento de los niveles óptimos de protección térmica.

Electrodomésticos, componentes electrónicos, herramientas y muebles: 

Excelente comportamiento de amortiguación de impactos, además de una buena adaptabilidad de los envases y embalajes.

Productos Ventajas PropiedadesCajas apilables de alimentos. Embalaje de mercadería pesada

Embalajes resistentes a la presión con buena rigidez al doblado y estabilidad de apilado

Resistencia a la presión

Embalajes de mercadería frágil

Acción de amortiguación calculable y por lo tanto, segura

Alta capacidad de amortiguación de golpes

Envases y embalajes para transporte aéreo

Tara baja, invariable y en muchos casos no es necesario tomarla en cuenta

Bajo peso: densidad aparente entre 20 y 30 Kg/m3

Cajas para productos congelados

Alta capacidad de aislamiento térmico. No se vuelve frágil a bajas temperaturas

Reducida conductividad térmica e inalterabilidad al frío

Envases de contacto directo con productos alimenticios

No posee ningún elemento contaminante que afecte el contenido

No permite la proliferación de hongos y bacterias

Embalajes para objetos complicados de superficies no planas

Material versátil, altamente adaptable a las formas más complejas

Libertad de diseño en piezas moldeables

Vasos térmicos Mantiene la temperatura y la efervescencia de los líquidos que contiene

Elevado poder aislante y de conservación del gas en las bebidas

carbonatadas

El estireno en el sector de la construcciónTanto en la edificación como en las obras de ingeniería civil, nos encontramos con numerosas aplicaciones del estireno debido a su elevada capacidad de aislamiento térmico, su ligereza, sus propiedades de resistencia mecánica, su adecuado comportamiento frente al agua y resistencia a la difusión del vapor de agua. La utilización del estireno en la construcción aporta además, beneficios medioambientales principalmente derivados de su función de aislante térmico, ya que ahorra energía.

Competencia.

Posibles Clientes.

Proveedores de materia prima.Ampex Chemicals:

Ofrecemos Etilbenceno, 99% PS en Santa Ana 577 Col. California 2do Sector, Gral Escobedo, Nuevo León C.P. 66055. México.

ESTUDIO TÉCNICO.PROPIEDADES DEL ESTIRENO

El estireno, también conocido como el benceno de vinilo y eteno fenilo, es un compuesto orgánico con la fórmula química C6H5CH = CH2. Este derivado del benceno es un líquido aceitoso incoloro que se evapora fácilmente y tiene un olor dulce, a pesar de las altas concentraciones confieren un olor menos agradable,  su densidad de 0,909 g / cm³, Punto de fusión -30 ° C, 243 K, -22 ° C, punto de ebullición 145 ° C, 418 K, 293 ° F, la apariencia es incoloro a amarillo líquido aceitoso, olor penetrante y tiene una solubilidad insignificante (<0,1%). 

Generalmente el proceso tienes las siguientes especificaciones.

CONDICIONES DE OPERACIÓN

La reacción se lleva a cabo en presencia de vapor de agua en relación EB/agua = 1:15 en moles. Aproximadamente un 10% del vapor total se añade al EB antes de su vaporización y recalentamiento en el cambiador previo al primer reactor. El resto del vapor necesario se añade inmediatamente antes de la entrada a este primer reactor, alcanzándose una temperatura de unos 640 ºC. La reacción, endotérmica, hace que baje la temperatura a la salida del mismo hasta unos 570ºC, recalentándose de nuevo hasta los 640 ºC, con vapor recalentado a 815ºC, en el cambiador previo al segundo reactor. La salida de éste intercambia calor con la entrada y posteriormente se condensa con agua de refrigeración. En el separador posterior se eliminan los incondensables quedando una corriente líquida compuesta fundamentalmente de EB no reaccionado, Estireno producido y el Tolueno subproducto de la reacción. Estos tres componentes se separan en tres columnas de destilación sucesivas según muestra el esquema. La columna de Tolueno trabaja a presión atmosférica mientras que las otras dos lo hacen a una presión ligeramente superior a la atmosférica

CATALIZADOR

Los óxidos inorgánicos son los catalizadores más empleados en la industria para la producción de estireno, particularmente los óxidos de hierro en forma de hematita (Fe2O3) promovidos por los óxidos de potasio, cerio y cromo. Si bien estos catalizadores presentan alta actividad, selectividad y bajo costo por ser abundantes, su desactivación rápida, su área superficial específica baja, su alta toxicidad y su mayor polución ambiental debido a la presencia de cromo constituyen notorias desventajas.

La composición más común de este catalizador es 90% Fe2O3, 4% Cr2O3 y 6% K2CO3. A la temperatura de reacción el carbonato potásico es considerablemente

volátil y esto hace que sea lentamente perdido. Por esto es que el carbonato debe ser repuesto por adición a la alimentación. Comercialmente se suelen utilizar partículas de catalizador extraídas de 4-6 mm de diámetro. Para mejorar la selectividad del catalizador se utilizan tamaños más pequeños, trayendo como consecuencia un aumento en la presión. El tiempo de vida del catalizador es de 1 a 2 años.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO:

El proceso de producción del estireno, es un proceso en continuo. Inicialmente se adecúa la alimentación de etilbenceno que es nuestra materia prima la cual está disponible a 30°C (estado líquido) hasta tenerla como vapor saturado con ayuda de un precalentamiento usando un intercambiador de calor E-401 y mezclándola con vapor sobrecalentado. El vapor de agua es inerte en la reacción y está presente como diluyente, lo cual permite desplazar el equilibrio a favor de la producción de estireno, el vapor además proporciona energía para conducir la reacción. Este vapor originalmente está disponible como vapor de baja presión, el cual se sobre calienta en el horno H-401, la dosificación de vapor es de 15 partes de vapor por cada parte de etilbenceno, en base molar.

Esta corriente será la alimentación para dos lechos adiabáticos R401 y R-402 donde se efectuará las reacciones, el diseño en serie con calentamiento intermedio permite aumentar la conversión para la obtención de los productos. El flujo de vapor para el calentamiento en E-402 está en una relación 0.6:1 respecto a la suministrada en E-401, en base molar.

La temperatura de la corriente de productos se reduce por medio de tres enfriadores de productos E-403, E-404 y E-405 hasta una temperatura de 65°C; la cual se envía a un separador de tres fases V-401, donde se obtiene los gases ligeros (hidrogeno, metano, etileno), líquido orgánico y efluente de agua en corrientes separadas.

La corriente orgánica que contiene el producto deseado se destila en dos torres de destilación, en la primera T-401 se elimina el benceno y tolueno, en la segunda T-402 se separa el etilbenceno que no reacciona el cual es recirculado para la producción del estireno.

LISTA DE EQUIPOS:Clave Nombre del EquipoR-401 Reactor de EstirenoR-402 Reactor de EstirenoE-401 Calentador de alimentaciónE-402 Calentador IntermedioE-403 EnfriadorE-404 EnfriadorE-405 EnfriadorE-406 RehervidorE-407 CondensadorE-408 RehervidorE-409 CondensadorH-401 Calentador de VaporV-401 Separador de Tres FasesV-402 Tambor de ReflujoC-401 CompresorT-401 Columna de Benceno-ToluenoT-402 Columna de EstirenoP-401 A/B

Bomba de Aguas Residuales

P-402 A/B

Bomba de Reflujo

P-403 A/B

Bomba de Reflujo

P-404 A/B

Bomba de Estireno

P-405 A/B

Bomba de Reflujo

P-406 A/B

Bomba de Benceno-Tolueno

El diagrama es presentado a continuación…

Diagrama de Flujo del Proceso de Estireno

MECANISMO DE REACCIÓN PARA BALANCE DE MATERIA

Es comercialmente producido por deshidrogenación del etilbenceno (reacción 2) en el cual es hecho desde el benceno y etileno (reacción 1).

C6H6 + C2H4 C6H5-C2H5………………… (1)C6H5-C2H5 C6H5 –C2H5 + H2………… (2)

C6H5 – C2H3 C6H6 + C2H4 ∆H = 101.8 KJ/molC6H5 – C2H3 8C + 5H2 ∆H = 1.72 KJ/mol

La formación del etilbenceno es una reacción exotérmica. La alquilación con etilbenceno en fase liquida es la más común. La producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica en fase gas, y el H2 formado se puede quemar para aportar calor al reactor. El catalizador más usado está constituido por una mezcla de Fe2O3 más Cr2O3.

La producción de estireno esta favorecida por temperaturas altas y bajas presiones de H2. La deshidrogenación es liberada a calor en presencia de H2O (vapor de agua) el cual es una fuente de calor.

VELOCIDAD DE PRODUCCIÓN

Base de cálculo 100,000 Tn / añoPM estireno = 104 Kg/Kg mol

lbmolhr

=100000 Tnaño

( 1000 kg1Tn

)( 1Kgmol104 Kg

)( 2.205lb mol1 kgmol

)( 1día24 hr

)

¿ lbmolhr

=248.85 lbmolhr

PROPIEDADES FISICAS DE LOS PRODUCTOS Y MATERIAS PRIMAS.

Constante Etilbenceno

Hidrogeno

Tolueno

Estireno

Formula Empírica

C8H10 H2 C7H8 C8H8

Peso Molecular 106.168 2.016 92.141 104.152

Punto de Fusión (ºC)

178.2 -259.19 178 242.5

Punto de Ebullición(ºC)

136 -252.72 383.8 418.3

Densidad(g/cm3)ºC

0.9 0.071 0.867 0.9

Entalpia (Cal/g. mol)

8500 216 7930 8800

VELOCIDAD DE REACCIÓNEcuación cinética.

(−r A )=k ( pa− pB . pCkP )mol ( kgcat )−1 ( s)−1

Donde:

k=3.46 x10−2exp(−10980T )mol (kgcat )−1 (s )−1 (Pa )−1

k p=8.2 x1011exp(−15200T ) pa

Para saber cuál será la velocidad de producción se debe hacer un análisis de mercado.

Análisis de la demanda Análisis de la oferta

Análisis de la demanda insatisfecha.

Además, nuestro producto no es estacionario esto quiere decir que se requiere todo el año en el mercado.La velocidad de reacción es rápida e influenciada por la temperatura:

k=383 .exp{−20440RT ( ºR) }hr−1

Existen varios operaciones y procesos químicos Suponiendo que el 10% de la demanda insatisfecha es 100,000 Tn/año, esta es la cantidad que pensamos producir.

SELECTIVIDAD Y CONVERSIONWenner and Dybdal presentan algunos datos de distribución para la producción de estireno.Las reacciones que ellos consideran son:

Tabla 1:

Moles de estireno por mol de benceno vs conversión.

molBencenomol Estireno

0.0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.14

Conversion X 0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

BE

= 0 .333 X − 0.215 X2 +2 .547 X3

Tabla 2:

Moles de Tolueno por mol de estireno vs conversión.

mol ToluenomolEstireno

0 0.006 0.015 0.030 0.045 0.070 0.11 0.16

Conversion X 0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

TE

= 0 .084 X − 0 .264 X2 +2 .638 X3

CINETICA DE REACCION

La expresión de velocidad de reacción, para la reacción principal es:

EB k⃗2 E + H 2

r = k1{CEB−1K E.C

E

12

.CH 2

12} K E =

k1k2

Donde:

k1 = 383exp {−20440 [RT (ºR ) ]} hr−1

k E = 7 .734 x106 exp{−27170 [T (ºR ) ]} hr−1

T= 1115 + 460 = 1575ºRR = 10 .73159 ft 3 . psi . R−1 .lb mol−1

CONVERSION DE EQUILIBRIOCuando la velocidad de reacción alcanza el equilibrio r = 0:

Entonces:

K E =C E . CH 2

CEBε = 2−1

1= 1

CEB =EB0 (1−X )1+εX

=EB0 (1−X )1+X

CE =

EB0 ( X )1+εX

=EB0 (X )1+X

CH 2=

EB0 (X )1+εX

=EB0 (X )1+X

K eq=0.249

LuegoEB0 (X )1+X

.EB0 (X )1+X

EB0 (1−X )1+X

= 0.249

Simplificando:

EB0 (X )2

1−X2= 0.249

Para una concentración del etil benceno de E0= 1 molar

VARIABLE DE DISEÑO, BALANCE DE MATERIA Y COSTOS DE FLUJOS DE ENTRADA Y SALIDA

VARIABLES DE DISEÑO

X = 0.70 y S = 0.353

Donde:

X: Conversión

S: Selectividad

BALANCE TOTAL DE MATERIA

Procedimiento de balance de materia

a) Velocidad de producción deseada

PE = 248.85 lb mol E/h

b) Calculo de la selectividad S= 1

1+0 .417 X− 0 .479 X2+5 .185 X3= 0 .353

b.1 Deducción para calcular la selectividad

Dado el mecanismo de reacción

Etilbenceno Estireno + H2X Etilbenceno Benceno + Etileno Etilbenceno + H2 Tolueno + Metano

f1(x)=B=(0.333X-0.215X2+2.547X3)E

f2(x)=T=(0.084X-0.264X2+2.638X3)E

Si la conversión (x=a+b+c)

S= moles de estireno producidomoles de etilbenceno convertido

= 0 .353

S= aa+b+c

= 248 .85248 .85+248 .85∗f 1( x )+248 .85∗f 2 (x )

S=( 1

1+f 1 ( x )+f 2( x ))S=( 1

1+0 .417 X− 0 .479 X2+5 .185 X3 )C) Calculo De flujos de los reactantes, productos y subproductos

c.1) ETILBENCENO ALIMENTADO (FFEB)

S=PE

FFEB

FFEB=PE

S=248.850 .353

=704 .958 Lbmol EB /h

c.1.1 ETILBENCENO ALIMENTADO TOTAL

FTEB=FFEB

X=704 .90.70

=1007 .1 Lbmol EB /h

C.2) TOLUENO PRODUCIDO

T= (0.084X-0.264X2+2.638X3)PE

T= (0.084(0.7)-0.264(0.7)2+2.638(0.7)3)*(248.85)

T= 225.97 Lb molT/h

c.3) BENCENO PRODUCIDO

B= (0.333X-0.215X2+2.547X3)PE

B= (0.333(0.7)-0.215(0.7)2+2.547(0.7)3)*(248.85)

B= 771.254 Lb molB/h

C.3.1) BALANCE PARA EL HIDROGENO

248.85- Lb mol H2 producidos en la primera reacción

225.97 Lb mol H2 que reacciona en la tercera reacción

40.45 Lb mol H2 que no reacciona.

C.3.2) BALANCE DEL ETILENO (C2H4)

C2H4= (0.333X-0.215X2+2.547X3) PE

C2H4= 248.1 Lb mol E/h

C.2.3) BALANCE PARA EL METANO (CH4)

CH4= (0.084X - 0.264X2 + 2.638X3) PE

CH4=207.5 Lb mol M/h

Tabla 3:

Compuesto EB Tolueno Benceno H2 Etileno CH4 EstineroEntrada lbmol/hr

1007.1 0 771.254 512.27 0 0 0

Salida lbmol/hr

0 225,97 0 0 248.1 207.5 248.85

EFICIENCIA Y RENDIMIENTO

La eficiencia del proceso es del 90% y el rendimiento del etilbenceno es de 25% tomando en cuenta la recirculación.

UBICACIÓN DE PLANTA

Es un terreno de 4 hectáreas Carr. Monclova Km 30.9, Monterrey, 65100, Nuevo León.

ESTUDIO ECONOMICO.

BIBLIOGRAFÍA: file:///C:/Users/hp%20pavilion/Desktop/300175021-Estudio-de-Mercado-Planta-de-

estireno.pdf

file:///C:/Users/hp%20pavilion/Desktop/139113550-DISENO-DE-UNA-PLANTA-PARA-LA-PRODUCCION-DE-ISOPROPILBENCENO1-trabajo-completo-1.pdf

https://www.clubensayos.com/Temas-Variados/Bases-De-Dise%C3%B1o-Planta-De-Estireno/318488.html

http://es.slideshare.net/JoseLuisCuyosRosales/infor-estireno