7/31/2019 TPanhdrido ftlico

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Universidad de Buenos Aires

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Qumica

Diseo de Procesos

Diseo de una Planta Productora de Anhdrido ftlico

Introduccin

El anhdrido ftlico se utiliza en la fabricacin de plastificantes (aditivos para polmeros para darlesms flexibilidad) y los polisteres, entre otras aplicaciones.

Objetivo

Usted ha ingresado recientemente a la Corporacin Qumica STW. STW es una de las principalesempresa productoras de anhdrido ftlico a partir naftaleno. La produccin de anhdrido ftlico seintegra como parte de una planta qumica, en la que se produce naftaleno y en la que el anhdridoftlico se utiliza inmediatamente para hacer resinas de polister. En los ltimos aos, ha habidoalgunos problemas. Algunos de los usuarios finales se han quejado de la calidad de las resinasproducidas llegando a dejar de consumir nuestro producto el que fue remplazado por resinasproducidas con anhdrido ftlico a partir de o-xileno.

Por lo tanto, nuestra planta, que haba sido diseada para producir 100.000 toneladas mtricas /ao de anhdrido ftlico a partir de naftaleno est produciendo el 50%. A largo plazo, todavaestamos pensando en cambiar a o-xileno como materia prima. El grupo de ingeniera de la catlisisy reaccin ha terminado la investigacin preliminar y es muy optimista acerca de su nuevocatalizador. Prometen que ser superior a otras versiones de catalizadores que utilizan o-xileno paraproducir anhdrido ftlico, en la reduccin al mnimo de la mayor produccin de productossecundarios. En este momento no estamos seguros de si la unidad 700 de produccin de anhdridoftlico, se adaptar para acomodar el nuevo catalizador o si vamos a construir una nueva instalacincon base en otro sitio, ms cerca de un productor o-xileno.

Para que podamos tener informacin suficiente para tomar una decisin, es necesario un procesode diseo preliminar de una instalacin para producir anhdrido ftlico a partir de o-xileno que puede

considerarse puro. Su trabajo consiste en preparar un diseo preliminar para una nueva planta deproduccin de 100.000 toneladas mtricas / ao de anhdrido ftlico a partir de o-xileno.

El grupo de ingeniera de catlisis y reaccin ha obtenido la siguiente informacin con respecto a lacintica o-xileno que produce anhdrido ftlico. Las reacciones son:

6 4 3 2 2 6 4 2 2( ) 3 ( ) 3

o-xylene phthalic anhydride

C H CH O C H CO O H O (1)

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2

6 4 2 2 2 2

15( ) 8 2

2

phthalic anhydride

C H CO O O CO H O (2)

6 4 3 2 2 2 2

21( ) 8 5

2o-xylene

C H CH O CO H O (3)

6 4 3 2 2 2 2 2 2 2

15( ) ( ) 4 4

2

o-xylene maleic anhydride

C H CH O C H CO O CO H O (4)

2 2 2 2 2 2( ) 3 4

maleic anhydride

C H CO O O CO H O (5)

6 4 3 2 2 6 5 2 2( ) 3 ( ) 2

o-xylene benzoic acid

C H CH O C H COOH CO H O (6)

6 5 2 2 2

15( ) 7 3

2

benzoic acid

C H COOH O CO H O (7)

Las expresiones cinticas para todas las reacciones tienen la forma:

1 2

aE

RTA o

r k e p p

(8)

Donde ko tiene unidades de kmol/m3-reactor/h, Ea tiene unidades de kcal/kmol, y pi es la presin

parcial de i en atm. Las constantes para estas reacciones se incluyen en la Tabla 1:

nmero dereaccin

ko Ea 1 2

1 4.121011 27000 o-xileno oxgeno

2 1.151012

31000 Anhdrido ftlico oxgeno

3 1.731011 28600 o-xileno oxgeno

4 2.251011 27900 o-xileno oxgeno

5 7.761011 30400 Anhdrido maleico oxgeno

6 5.001009 27000 o-xileno oxgeno

7 5.001011 29500 cido benzoico oxgeno

Tabla 1: Constantes cinticas de la reacciones (ecuacin 1 a 7)

Tambin es necesario que nunca el contenido de o-xileno del reactor supere al 10% en moles,porque, si se excede el lmite, el catalizador ya no funciona en la selectividad deseada, la reaccin

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podra llegar a estar hambrienta de oxgeno, formando grandes cantidades de CO y otrossubproductos no deseados.

Especificaciones del producto

100000 Tn/ao de anhdrido ftlico

Requerimientos de pureza 99.9% en peso

Anhdrido malico 95 % en peso

Caractersticas de la alimentacin

Alimentacin de o-xileno 1.1 Bar 100C (se almacena lquido)

Alimentacin de aire disponible 1 atm 25C

Alimentacin de Oxgeno 3.5 atm 25C95 % o 99.5 % wt

Se plantean 2 soluciones como las ms econmicas para abastecer un perfil de consumo plano deoxgeno gaseoso a 3,5 barg de presin (informacin suministrada por el Ing. Luis Bada deAirliquide):

1) VSA. El costo por todo concepto debera estar en el orden de 100 U$D / ton de oxgeno,(considerando un precio de energa aproximado de 45 U$D/MW y un retorno (TIR) al capital del

orden al 10%). Esta solucin da una pureza del orden 95%.

2) Vaporizacin deOxigeno Lquido. El costo de este producto puede variar en funcin de: si elconsumo esta en el circuito de otros clientes, distancia de la planta ms prxima, horarios de

permiso para descargar el producto, oportunidad de precio marginal en funcin de la carga de laplanta productora, etc.A los fines prcticos, si hoy consideramos ENSENADA pienso que el precio por todo conceptopodra estar entre 120 y 170 U$D / ton (considere un valor de 150 U$D /ton).Esta solucin da una pureza de 99,5 %.

Costo y precios de venta

O-xyleno 0.80 $/kgAnhdrido ftlico 1.25 $/kgAnhdrido maleico (99.5 wt%)

Fuel gas 11.00 $/GJ

Informacin del ReactorLas opciones de reactor posible tienen en cuenta un reactor de lecho fijo (tipo de carcasa y tubos -modelado como reactor de flujo tipo pistn o un reactor de lecho fluidizado, modelado como unreactor de flujo pistn isotrmico.

Para un lecho fluidizado, se pueden suponer los siguientes datos:partcula de catalizador esfrico, dimetro dp = 400 mdensidad de las partculas del catalizador cat = 2400 kg/m

3

densidad del catalizador = 1350 kg/m3

fraccin de huecos para mnima fluidizacin mf = 0,55coeficiente de transferencia de calor de lecho fluidizado de la pared del tubo h = 300 W/m2C

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Para un lecho de carcasa y tubos, pueden suponerse los siguientes datos:catalizador de partculas de dimetro dp = 3 mmdensidad de las partculas del catalizador cat = 1600 kg/m3fraccin de huecos = 0,50coeficiente de transferencia de calor de la cama llena de tubos de pared h = 60 W/m2 C

A temperatura superior a 400C ocurre el sinterizado del catalizados

Se prev que un fluido de transferencia trmica se utilizar en un circuito cerrado para eliminar elcalor de la reaccin fuertemente exotrmica de cualquier tipo de reactor. Nosotros anticipamos quetodo el vapor de alta presin excedente se puede vender en otras partes de la planta. Puesto quehemos tenido muchos aos de operacin exitosa con el HiTec sales fundidas, por lo que seraposible su utilizacin en el nuevo proceso. Sin embargo, usted puede sentirse libre pararecomendar una alternativa si se puede justificar un rendimiento superior o el mismo rendimiento aun costo menor (Las propiedades de esta sales fundidas puede encontrarlas en Perrys handbook,6

thedicin, page 9-77).

Aclaraciones y Revisiones

Dado que el trabajo prctico es un problema de solucin abierta (no tiene una nica solucincorrecta), existe la posibilidad de que a medida que se vaya avanzando en el trabajo vayansurgiendo preguntas que necesiten aclaraciones o revisiones del enunciado. Las mismas se darn aconocer en las clases prcticas.

Informes y Criterios de Evaluacin

En el curso se realizan tres trabajos prcticos (Tp i), en forma individual o conjunta. La tablasiguiente resume el contenido de cada uno y la correspondiente fecha de entrega.

TP Contenido Fecha deentrega

Calificacinmxima

1 Diseo preliminar del diagrama de proceso, con especial nfasisen:

Pre entrega: Diseo del sistema de reaccin Estructura entrada - Salida Decisiones acerca de la estructura de reciclo y purga Generacin de 2 fases a la salida del reactor Diseo preliminar del sistema de separacin

Cierre aproximado de los balances de materia

xx/09/11

xx/10/11xx/10/11Xx/10/11

1098

2 Diseo final del diagrama de proceso que incluye: Revisin crtica del diseo preliminar Diseo final del sistema de separacin Cierre riguroso de los balances de materia y energa

xx/11/11xx/11/11xx/11/11

1098

3 Integracin energtica de la planta* 15 das antes de rendir la evaluacin integradora y dentro del perodo de validez de la cursada

Para cada trabajo prctico se debe presentar un informe claro y conciso en el que se detallen lasdecisiones adoptadas en cada etapa del proceso de diseo. Aquellos clculos repetitivos para losque se empleen hojas de clculo, debern adjuntarse en un apndice del informe; las planillasdeben ser lo suficientemente claras y organizadas como para permitir su seguimiento. La evaluacin

del informe presentado se basar tanto en su contenido como en su estilo y presentacin. Quienesno contribuyan a la realizacin del trabajo prctico no deben ser incluidos como autores del informe.