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UNIVERSIDAD AUTONOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA
CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA
I .
P .
H
L A B O R A T O R I O D E P R O C E S O S Y D I S E O D E P R O C E S O S
R E P O R T E T E R M I N A L
J
S I N T E S I S D E L C A T A L I Z A D O R F O S F A T O D E V A N A D I L O
PROFES0R:ING. URIiEL ARECHIGA VIRAMONTES
A S E S 0 R : D R . T O M A S V I V E R O S G A R C I A
ELABORARON:
SALMERON CARDENAS, LAURA OLIVIA
ZAMORA HERNANDEZ ARACELI
-
-
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L
INDICE
.
7
TEMA
PARTE I ......................................... 1-7
1. i.Usos Princ ipal es
1.2.Consumidor principal
1.3.Volumen ac tu a l y potloncial
1.4.Materias primas. ........................... . 3
1.5.Reaccionec importantes..
...................
4
1.6.Capacidad a instalar .
...................... .6
1.7.A. Inversin f i j a
1.7.
B. Capital de trabajo
1.7.C.Monto de
la
inversitjn
1.8.Personal
1.9.Costo de produccin..
......................
.7
1.lO.Ganancia anual
PARTE I 1........................................ 8-13
2.1.Propiedades f isicas
y
quimicas..
...........
8
2.2.Proceco de obtencin.. ..................... .9-12
2.3.Diagrama de flujo del
proceso seleccionado..
...................
13
PARTE
111..
................................... .14-17
3.1.Antecedentes y proyecciones ..............14-15
3.2.1.Ucos..
..................................
.16
3.2.2.Usuarios
3.3.Sustitutos y cucedaneos
3.4.Capacidad de la planta
3.5.Ubicacin de la planta. . .................. 16-17
PARTE I V . .
.....................................
.18-23
4.1.Objetivo
4.2.Resultados..
.............................. .18-20
4.3.Rendimiento.. ............................. .21
4.4. Baseses de diseo..
.......................
.21-23
PAGINA
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.
b
PARTE V
........................................
24-38
5.1.Diagrama de flujo
5.2.Diseo
de
equipo ......................... .2
5-26
5.3.Lista de equipo auxi1ia.r
..................
2
-29
5.4.1. Bombas
.................................. .3
0-31
5.4.2.Vlvulas................................. .32-34
5.4.3. Instrumentos de control
Controlador de temperatura ............... 5
Controlador de flujo
.....................
36
Tuberia .......................................
37
5.5.Espacio necesario..........................
38
PARTE V I
.......................................
39-40
Personal necesario
PARTE VI1.....................................
. 4
1-43
7.1.Versin fija
7 .2 .Capita l de t raba jo
........................
42
7.3.Tasa
de re torno
7.4.Ganancia anual
APENDICE A .................................... .4
6-57
Resultados experimentales
APENDICE B ....................................
.5
-63
Bibliografia
...................................
64
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I
INTRODUCCION
El
anhdrido malico es un compuesto qumico que se
usa
e n
la produccin industrial de sustancias como son resinas de
polist vr, resinas para revestimientos alquidicos, produccin
de cido fumrico, pesticidas, conservadores para aceites
y
grasas,
papel, resinas de prensado permanente,farmaceticos,
fer til iza nte s; en sn tesi s Diels-Alders, reacciones de
copoiimerizacin, etc. Por 101 tanto, la obtencin de anhdrido
malico es de inters
a
nivel industrial,
y a
que como se mencion
es un producto que interviene en la sntesis de importantes
produ ctos quimicos.
Los mtodos de obtencin de anhdrido malico son reacciones
de oxidacin cataltica clue involucra la presencia de
catalizadores complejos como fosfato de vanadio, combinado en
algunos casos con hierro,titania u otros componentes.Encontrar
u n
catalizador que proporcione actividad
y
selectividad
a
anhdrido
malico satisfactorias es un trabajo que debe tener una especial
atencin en el campo de
la
ingeneria.
El
anhdrido malico fii obtenido por primera vez por
Vauquelin en 1817, cuando someti el cido malico,
HOOCCHOHCHzCOOH, a la destilacin seca
y
result un sublimado
crista lino. Adems del anhd rido malico se obtuvo cido malico
y "paramalico" (fumrico).
Weiss
y
Downs en 1920 descubriern
la
oxidacin cataltica en
fa se vapor del benceno para producir industrialmente el anhdrido
malico.El catalizador representativo comprende VzO5 y Moo3 en
razones molares cercanas
a 2 y
una pequea cantidad de
Na20,soportado en almina.La reaccin se llev a cabo en un
reactor multi tubular de cama f i ja . La reaccin
es
altamente
exotrmica.Normalmente se ha logrado de un 97-98% de conversin
.y
una selectividad del 74%.
El
procedimiento tradicional para la obtencin de anhdrido
malico
es
mediante
la
oxidacin cataltica de benceno.
> C4HZ03
+4
HzO
+
4 COZ
CbH5 + 9 0 2 -------_--__-
v205
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Todas las plantas para oxidacin de benceno
a
anhdrido
malico usan lechos fijos multitubulares, la reaccin se lleva a
cabo en u n rango no explosivo.
1Jn nuevo proceso para manufactura de anhdrido malico
se h a
desarrollado con base en la oxidacin catalltica en fase vapor de
n-butano, I-buteno o 2-buteino.Los cat ali zad ore c empleados son
normalmente fosfato de vanadio, en algunos casos contiene hierro,
t i tan ia u otros elementos.
Recientemente los factores econmicos
y
ambientales hacen
m s atractivo el proceso medliante la oxidacin de n-butano con
respecto a la oxidacin del benceno.Estos factores son:
1.-El rpido incremento en los: precios del benceno comparado con
los
precios del n-butano.
2.-La can tid ad de benceno emitida al medio a disminuido,mientras
que la demanda de anhdrido malico ha incrementado.
3 . - E I desarrollo de mejores catalizadores para
la
obtencin de
anhdrido malico a partir de ri-butano.
Se ha puesto en marcha,por Amoco,una planta comercial para
obtener anhdrido malico por oxidacin cataltica de
n-butano.Este mtodo ha sido desarrollado por varias compaias,
incluyendo Mitsubishi en Japn , Bayer y BASF en Alemania.
Mitsubishi pus en operacin una planta comercial en 1971.El
catalizador preferido
es
el pentxido de vanadio u ox idos de
vanadio-fosforo.La ventaja es que la cama f luidizada opera
generalmente,
a
temperaturas fciles de controlar y reactores
baratos de construir y de fcil mantenimiento.Una desventaja es
que el
proceso opera dentro de rangos explosovos.
v-P-o
> O H 2 0 3 + 8
H20
C4Hio
+
7 0 2-----_-------
LOS OXIDOS
DE
V A N A D I O
FOSFORO
0 -P-O) tienen
u n a
aplicacin
especial como catalizadores para
la
oxidacin selectiva del
hidrocarburo de 4 carbonos a anhdrido malico. Se presentan
diferentes fases dependiendo de
la
calcinacin, de
la
naturaleza
de
los
precursores, de la atmosfera gaseosa durante
la
calcinacin y del contenido de fosforo.Algunas de
las
fases
-
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I
ex ist en te s SOn:a-VOP04, P-VOPO4, (VO)ZP207, P - ( V O ) ~ P ~ O ~ , V O ( P O ~ ) Z ,
6-VOPO~,a-VOPO4,a-(VO)zPz07,etc.Mediantel uso de tcnicas
como
son
espectroscopia de laser raman in
s i t u se
ha encontrado que la
fa se p-Vop04
y
(vo)ZPzO7 presentan estabilidad bajo condiciones
de oxidacin de n-butano
a
anhcirido malico.
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e
P A R T E I
R E S U M E N Y C O N C L U S I O N E S
EL PRODUCTO
1.1.USOS PRINCIPALES
El p-VOPO4
es
un catalizador usado en
la
produccin de
anhdrido malico
a
partir de la oxidacin parcial de n-butano.Se
requiere esta fase en especial dada
su
actividad
y
selectividad a
anhdri do malico.
El catalizador puede ser utilizado para producir acroleina a
par t i r de
la
oxidacin parcial de propileno,asi como para
producir cido acrlico.Confor-me el contenido de fosforo se
incrementa en el
V 2 0 5
la actividad a acroleina decrece, mientras
que la selectividad a cido acrl.ico se incrementa.
D e las razones de P/V (fosforo/vanadio) depende la
selectividad del n-butano a anhdrido ma1ico;de propano a cido
acr1ico;de cido metacrlico a metacroleina; de propileno
a
acroleina. cido acrlico,cido actico y oxidos de carbono.
1.2.CONSUMIDOR PR INCIPAL
El principal consumidor del catalizador podra ser
DERIVADOS
MALE1COS.Dado que
esta
compaia produce el anhdrido malico
empleando el mtodo tradicional.
1.3.VOLUMEN ACTUAL Y POTENCIAL
El volumen actual del catalizador
esta
dado por la
produccin de anhdrido malkico en Mxico sumado con
las
importaciones del mismo.De acuerdo con
la
informacin obtenido
del Anuario Estadictico de la Indu str ia Qumica Mexicana.ed. 1990.
N0TA:Dado q ue el catali zador
no
se produce en
el
pals
no
fue
poslble determinar la cantidad
en
pesos.
Volumen actual (ToneladadAnuales)
Anhdrido malico Cata1 zador
8,500
49.506
1
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El
volumen potencial
esta
dado por ia produccin actual de
anhdrido malico en el pas.
Volumen potencial (Toneladas/Anualec)
Anhdrido malico Catal izado r
5,000 29.121
2
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EL PROCESO
1.4.MATERIAS PRIMAS
Pk'NTOXIDO DE VANADIO.
t'205.
Peso molecular 181.884gr/grmol.
Polvo cristalino, amarillo rojo; punto de fusin 69OoC;
descompone
a
175OOC; soluble en cidos
y
lcalis; poco soluble en
agua.Concentracin mxima permiscible: polvo 0.5mg/mt3 y
vapbi es O.lmg/mtJ en air e.E s muy t xi co por inhalacin
e ingestin.
PATOL0GIA.Irritante;puede inferir en el metabolismo de
cidos aminosulf urados.
Sintomas generales. Produce malest ar y prdida de peso.
Sintoma s 1ocales.Conjunt ivitis; irri taci n de la piel;
renitis con estornudo y epistaxis.
Respiratorios:Dolor en el pecho; tos; aliento asmtico;
bronquitis crnica.
Gastrointestinales.Aumento de salivacin; coloracin verde
de la lengua; nuseas y vmitos;, contra ccione s abdominales.
Sistema Nervioso Central.Dolor de cabeza.
Tratamiento.Lavado de ojos con agua; lavado gstrico si
se
ha ingerido,seguido por un purgante salino.
Medidas Preventivas. Ventilacin adecuada; ga fa s prot ect oras ;
reforzar la limpieza personal.
ACID0 O-FOSFORICO. H3P04. Peso molecu lar 98g r/grmol. Liquido
brillante, incoloro, inodoro
slido cristalino transparente,
depende de la concentracin y temperatura.A temperatura de 2OoC
los cidos de concentracin 50 y 75% son l iquidos mvibles, el
85 es de consistencia sirposa
:y
el del
100%
se presenta en forma
de cr is ta le s; peso e speci fico 1.834 (18OC); punto d e fusin
42.35OC; pierde 112
H 2 0 a
213OC(para formar cido pirofosfrico);
soluble en agua y
en
alcoho1;corrosivo
para
los
m e ta l e s f e r r i c o s
y aea ciones .Dens idad d 1.874 (soln.100%) 1.685 (soln. 85 );
1.333 (soln.
50 ).
25
3
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Moderadamente txico por ingestin e inhalacin. Irri tante
3
pa ra
los
ojos
y
la piel.Tolerancia lmg/mt
en aire.
P r ,duce conjuntivitis, quernaduras de
la
piel, irritacin del
tract0 rtyspiratorio,nuseas y vmito, dolor abdominal y diarrea.
Tratamiento.Lavado de ojos con agua; lavado con agua y jabn
de
las
partes contaminadas; tratamiento ordinario de las
quemaduras de la piel; lavado gstrico si se ha ingerido.
Procure ventilacin adecuada.
ALCOHOL BENCILICO.C6H5CHzOH. Peso molecul ar 108.13gr/grmol.
Liquido transparente con ddil olor; punto de ebullicin 206OC;
punto de inflamacin 96OC; dgo 1.0453; d4' 1.0415; indi ce de
refraccin de 1.538-1.540.Algo soluble en agua; miscible en
alcohol, t er , cloroform o.Temperai tura de autoignicin 436OC.
Combustible, poco txico.
ALCOHOL ISOBUTILICO. (CH312CHCH20H. Peso molecular 74.12
gr/grmol.Liquido incoloro.Soluble en agua, alcohol y ter; punto
de ebullicin 107OC; punto de inflamacin 38OC (vaso abierto);
punto de fusin -108OC;
indice de refraccin 1.397 (15OC); punto
de autoignicin 428OC; d15.
0.806.
Inflamable ; riesg o de incendio peligroso. Moderadamente
txico; fuer te i r r i tante para la p ie l
y
membranas mucosas; y
en al ta s concentracio nes, nar cotico.Toler ancia IOOppm en el aire.
SUBPRODUCTOS
ALCOHOL ISOBUTILICO
1.5.REACCIONES IMPORTANTES
1.Reduccin del vanadio
11.Adicin de
f
osforo
111. Calcinacin
1.Reduccin del vanadio.
La fuerza del agente reductor determin el estado de
oxidacin promedio de el pre cur sor , (v2051,
y
juega un papel
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importante en
la
determinacin de la temperatura a la cual el
catalizador debe de ser activado.
El uso de solventes orgn.icos puede llevar al incremento del
rea
superficial seguido del mejoramiento cataltico.
1I:Adicin de fosforo.
Al agregar fosforo al catalizador de xido de vanadio
disminuye
por
lo general la actividad, pero se incrementa
la
selectividad para la formacin de anhdrido malico desde
n-butano.Cuando el fosforo
se
presenta en razones
P/V
prximas
mayores que la unidad el estado de oxidacin +4 del vanadio se
estab i l iza temperaturas a l tas
tie
calcinacin en aire.El exceso de
fosforo exhibe
este
efecto
d.e
estabilizacin independientemente
s i
es
coprecipitado con e l' componente de vanadio
I
mezclado
mecnica mente con un precu rsor el cual tiene una raz n P/V menor
que la unidad.
111.
Calcinacin.
Durante la calcinacin
se
presentan transformaciones
quimicas,f isi cas y f isicoquimicas,, ale s como:
-Creacin de textura, generalmente macroporosa, por destruccin
eliminacin de las sustancias viatiles adicionadas.
-Modificacin de textura por sinterizacin, es decir,
transformacin de particulac o cristales pequeos aglomeradas de
mayor dimensin.
-Modificacin de
la
estructura por sinterizacin, como resultado
de un transporte de materia por fusin.
-Reacciones quimicas de descomposicin trmica, tanto de los
agente s activos como de los precursores.
Cuando la calcinacin
es
menor de 380
C
el exceso de fosforo
permanece
e n
la superficie como
Poi3;
ar r iba de
esta
temperatura
el fosforo en tra
al
slido para estabilizar
el
estado
+4
por
reaccin en estado slido.
O
5
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1.6.CAPACIDAD A INSTALAR
Tomando en cuenta el proyecto de ampliacin de DER IVADOS
MALEICOS, se
determin la capacidad
a
instalar para
la
produccin
del cata1 zador, que cubrir dich.a demanda.
Capacidad (toneladac/anualesl
Anhdrido maleic0 Catal izador
30,000 134
1.7.A.INVERSION FIJA
Esta dada por la suma total del costo del equipo de
proceso.
CFC= $ 6,740,526,000.00
1.7.B.CAPITAL
DE
TRABAJO
Se considera un 20% del
l a
inversin f ija para casos en
los
que
la
materia prima y el equipo son costosos.En este caso
se
utili za equipo de ace ro inoxidable de alt o costo.a
Cwc= $ 1,349,600,000.00
1.7.C.MONTO
DE
LA INVERSION
Es
la suma de capitales f ijo
y
de trabajo .
C T C =
$
8,090,126,000.00
1.8.PERSONAL
Personal
Gerente Gral.
Gerente de vtas.
Contador
1ng.Quimico
Tcnico
Secretar ia
Obreros
Nmero
1
1
1
2
1
1
6
aDISEfiO Y ECONOMIA DE L OS PROCES OS
UIMICOS DE LA ING QUIMICA
GAEL D.
U L R ~
6
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1.9.COSTO
DE PRODUCCION
Capacidad
(toneladas/anuaies)
Mxima
Media
Minima
1.lO.ClANANCIA ANUAL
Capacidad
(toneladas/anuales)
Mxima
Media
Minima
Costo de produccin
(pesos/anuales
1
3,313,728,088.00
2,333,998,088.00
1,392,278,088.00
Ganancia
(pesos/anuales)
1,988,220,000.00
1,400,340,000.00
835,362,000.00
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F'ARTE I1
EL P R OD U C T O Y SUS CARACTERISTICAS
2.1.PROPIEDADES FISICAS
Y
QIJIMICAS DEL PRODUCTO
FOSFATO DE VANADiLO.p-I~OP04.Pecomolecular 162gr/gr mol. Polvo
de color amarillo, inodoro; poco soluble en agua,soluble en
cidos fuertes ( HC1,
H z S 0 4 )
empleando calentamiento.
Punto de fusi n en el rango de 500-600C con posible
descomposicin.Area superficial 6.82 m
/gr;
contenido de vanadio
70.3 ppm, contenido de fosforo
1.55
ppm.
2
Estructura cris talina
Reacciona principalmente con el n-butano y 1-buteno para
producir anhdrido malico. Y con el propileno para producir
acroleina.
n-butano
a
nhidr
ido
m a eico
Es muy activo a bajas temperaturas (310C).Presenta una alta
selectividad (60 %) con una b aj a conversin.
8
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VOP0,rj
L
-.
F'1
G. 2.7.
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Muy irritante para las mucosas.Evitar aspirar
el
polvo.Se le
atribuyen propiedades corrosivas debido a la presencia del
vanadio y
el
fosforo.
2.2.PROCESO
DE
OBTENCION.
Existen varios mtodos generales, de preparacin del @-VOPO4.
I ) Fusin
11) Mdio Acuoso
i
Evaporacin
i i Filtracin
111) Mdio Orgnico
Ademas cada uno de lo:; anteriores puede emplearse con
diferentes precursores agentes reductores, asi cmo diferente
temperatura y atmosfera de c:alcinacin.Como
se
muestra en la
f igura 2 . P
9
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Los mtodos empleados en el laboratorio fuern los
siguientes:
FUSION.La fase fi-VOP04 se prepar por reaccin estado slido,
empleando como precursores al fosfato de arnonio monobsico
(NH4HzP04) y pentxido de vanadio
(VzOs).
os slidos precursores
se
pulverizan, y mezclan en proporciones estequiornetricas
apropiadas (P/V=l).La mezcla
se
t ransf iere
a
un crisol y
se
calcina bajo un flujo de oxigerio
a
2OO0C por 4 hrs.El producto
se
retira del horno y se homogeiniza por molienda, se regresa a l
horno y la temperatura se aumenta a 4000C por 4 hrs.; despues
se aumenta a
6OO0C
por 12 hrs.La velocidad de enfriamiento fu de
40C/hr.
M E D I O ACUOSO.
a)Se adicion el VzO5 al cido lctico en agua y
la
suspensin se refluja con a.gitacin constante por 16 hrs.Se
adiciona cido fosforico al
8 X
y esta solucin se refluja por 4
hrs.El solvente se evapora agitando constantemente y el material
slido resultante se calcina a 773'K por 16 hrs en aire.La
cantidad de cido fosforico adicionada depender de la razn P/V
deseada.
b)Se disuelve el
VzO5
en una solucin de cido oxlico
caliente, posteriormente se adiciona el fosfato de amonio
monobsico en cantidad esteqiiiomtrica.Se enfria y se f iltra.El
producto se lava con agua
y SE: seca
con acetona.La calcinacin se
lleva a cabo bajo un flujo de oxigeno a 5 0 0 C por 5 hrs.
c)El procedimiento es igu.al que a b),solo que la filtracin
se
sustituyo por evaporacin.
M E D I O OR GA N I C O.
Se
disuelve
el
V205 e n alcohol isobutlico y alcohol benclico.La
suspensin
se
agita constantemente
y
se
refluja por dos horas
y
media.Se adiciona cido fosforico al
85%
emulsificado en alcohol
isobutlico en cantidad necesaria para obtener la razn P / V
requerida y s e agita constantemente.La pasta resultan te
se seca a
11
-
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20/86
6OoC por
5
hrs.El producto seco se calcina por aumento lento de
temperatura de 380 - 50O0C.La atmosfera de calcinacin es aire.
P a r a los mtodos anteriores
se
prepararn catalizadores con
razones P/V de 0.9, 1, 1.1.
D e
las
experiencias de laboratorio tenemos:
1.Cuando se utiliz el cido lctico como agente reductor
se
obtuv una pasta pegajcsa difcil de manejar, adems del
prDlongado tiempo de reaccin (20 hrs), por lo cul se decidio
descartar ese mtodo.
2.
Empleando el cido oxlico
como
agente reductor, se obtuviern
prdidas de producto al separar por fi l t racin y al calcinar.Por
lo que
se
decidio abandonar la fi l tracin y adoptar
la
evaporacin (le1 solvente.
D e la caracterizacin del catalizador, preparado por medio
acuoso evaporando,fusin y medio
orgnico
se eligi el ltimo y a
que este nos proporciona la mayor rea superficial.Mientras que
los difractogramas muestran :ms claramente la presencia de la
f a se /3 para una razn de P/V=l.
*
Respaldados en
la
literatura aseguramos que con este
catalizador obtendremos la actividad y selectividad deseada
*
VER APENDICE A
12
-
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21/86
2.3.DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO SELECCIONADO
ALCOHO BENCILIC O ALCOHOL ISO BUTI LICO
PENTOXICIO
DE
V A N A D I O
R E F L U J O C O N A G I T A C I O N
DURANTE 2 1 1 2 H R S .
E M U L S I O N
AL C ISOBUTILIC O ADICION DE LA EMULSION
ACIDO ;OSFORICO
SECADO DEL. PRODUCTO
-----
ELIMINACION DEL
SO L V E N T E
CALCINACION DEL PRODUCTO
A 5 0 0 C E N A T MO S FE R A D E
AIRE DURANTE
5
HRS.
p - - v o p o
4
FOSFATO DE VANADILO
1 3
-
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22/86
P A R T E
111
E S T U D I O D E M E R C A D O
3.1.ANTECEDENTES
Y
PROYECCIONES
Los
antecedentes
y
proyecciones
se
realizarn con base en
la
produccin de anhdrido malico.
D e los datos obtenidos del Anuario Estadistico de
la
Ind us tri a Qumica Mexicana ed. 1990.Ver gr fi ca 3.1.
ARO
CONSUMO APARENTE CONSUMO DE CATALIZADOR
DE ANHIDRIDO M A - (Tn/anual)
LEICO (Tn/anual)
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
4873
6019
494:3
6146
5494
7583
6500
8500
. 7000
9500
28.460
35.056
28.789
35.797
31.998
44.175
37.857
49.506
40.769
55.330
Los costos del catalizador no se incluyen,ya que este no se
produce en Mxico.
Derivados Malicos tiene un proyecto de ampliacin
a 30,000
Ton/anuales con el proposito de cubrir la demanda interna y de
exportar.Con base en este proyecto
se
realiz el diseo de
la
planta para
la
produccin del catalizador,ya
que
con
esto
aseguramos cubrir gran parte de la demanda de este para la
produccin de anhdrido rnalico.
14
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23/86
Todo
lo
anter ior ,suponiendo que la tecnologia adoptada por
Derivados Malicos emplear el n-butano y el catalizador
sintetizado.
-
_
ILES DE
TOPIEiA[3bLS
8
?
6
6
0
84
85
1++1
PRODUCClON *
OPJSUMO APARENTE
GRAFTCA
3.1
-
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24/86
3 .2 .USOS Y
USUARIOS
3.2.1.usos
Las caracteristicas piropias del catalizador como
son:actividad y selectividad; lo hacen de uso especifico para
la
produccin de anhdrido malico
a
partir de n-butano, sin embargo
de los datos de
la
l i teratura se sabe que los
oxidos de vanadio
y
f o s f o r o ,
VPO,
pueden
ser
usados para la produccin de los
siguientes productos:
-Acroleins de la oxidacin parcial de propileno
-Acid0 acrlico de la oxidacin parcial del propileno
-Acid0 metacrlico de la o xi da ci h de metacroleina
-Acid0 acrlico de
la
oxidacin
cle
propano
-Acid0 actico
3.2.2.USUARIOS
Se considera que el corisumidor principal del catalizador
s e r DERIVADOS MALEICOS, ya que el catalizador est sistetizado
para
la
produccin de anhdrido malico.
3.3.
SUSTITUTOS
Y
SUCEDANEOS
Los
posibles sustitutos del catalizador pueden
ser:
-El pentxido de vanadio.
-Los xidos de vanadio y fosforo con algn promotor,como son
titania,zirconia
y
molibdeno.
3.4.CAPACIDAD DE LA PLANTA
Tomando en cuenta el proyecto de ampliacin de
DERIVADOS
MALEICOS, se
determin,
la
capacidad de la planta para
la
produccin del catalizador.
Capacidad (Tn/anuales)
134.00
3.5.UBICACION DE LA PLANTA
La localizacin de
la
planta tiene fuerte influencia en el
xito de una industria.Se debe
ser
cuidadoso en la eleccin del
sit io, est a debe localizarse donde ei costo de produccin
y
16
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25/86
distribucin sean minimos ademhs de
otros
factores como son:
-Materia prima.El abastecimiento de la materia prima debe ser
relativamente cercano
a
la planta y de fcil acceso.
El
abastecimiento de los alcoholes sera por parte de PEMEX;
el pentxido de vanadio y el cido o-fosforico
se
importarn de
E.
U.
-Mercado.La cercania y el acceso al mercado es otro de los
factores que
se
debe considerar para
la
ubicacin del proceso.El
mercado
se
localiza en los estados de Veracruz
y
Puebla.
-Disponibilidad de ener gia.
-Clima.El exce so de humedad c) extremos calientes
o
fros pueden
tener serios efectos en la operacin de la planta.
Se requiere de un clima no muy clido debido al manejo de
los
alcoholes ya que el alco'hol isobutlico tiene un punto de
inflamacin de 38'C.Adems se requ iere que
el
producto permanesca
seco,por lo que se propone un sitio con humedad minima.El clima
ms adecuado es uno templado, donde el mes ms fr o presenta una
temperatura mayor a -3 C y menor a 18'C.
Los climas templados en Mxico y aquellos con un volumen
anual de lluvias entre 500-1000mc,son los siguientes:
- Pueb
-Tiaxcaa
-Parte de Michoacan
-Ja sco
-Guana ju at o
-Hida
g o
Por lo tanto estos son los posibles lugares de ubicacin de
la
planta.
17
-
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26/86
P A R T E I V
TRABAJO
DE:
INVESTIGACION
4.1.0BJETIVO
El proposito del proyecto fu e sin teti zar el cataliz ador
f sf to de vanadilo$-VOP04,ya que %;te presenta caracter is t icas
propias de selectividad
y
a.ctividad, que lo hacen de uso
especifico para la produccin de anhdrido malico,
a
par t i r de
n-butano.
4.2.RESULTADOS
Los
resultados prtsentados
a
continuacin comprenden el
mtodo seleccionado,es decir,rnedio
orgnico y
razon P/V=l.El
resto de los resultados de
los
dems mtodos y razones realizados
se muestran en el apndice A .
Area
superficial
6.82
( m
/gr de catalizador)
Contenido de vanaclio
( P P m )
Contenido de fosforo
(PPm)
70.3
1.55
18
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DIFRACCION DE
RAYOS X
20
11.9
17.1
18.6
19.2
20.3
22.4
22.8
24.1
25.6
26.3
28.1
28.8
29.1
30.0
31.6
34.0
34.5
39.6
40.9
41.5
45.5
46.3
d(%
7.437
5.185
4.770
4.623
4.375
4.152
3.900
3.693
3.480
3.315
3.176
3.100
3.069
2.979
2.831
2.637
2.600
2.276
2.206
2.176
1.994
1.961
Intensidad(%)
49.00
25.49
9.80
27.45
2.90
5.80
6.86
7.84
19.60
100.00
17.65
31.21
70.58
19.60
14.70
5.88
2.94
4.90
7.84
6.86
6.86
12.74
19
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28/86
PRUEBA DE ACTIVIDAD
La prueba de actividad
se
re.aliz para la oxidacin parcial de
propileno a acroleina. Se emplearon diferentes temperaturas y
razones de propileno/oxigeno c3/02); obteniendo los siguientes
resultados:
c3/02 =
0.6
Temperatura
OC)
340
370
400
430
c3/02
=
1.14
340
370
400
430
c3 02
=
3.43
340
370
400
430
c3/02
= 5.70
340
370
400
430
N0TA:La prueba de
%
D e conversin
-----
3.9
7.0
20.o
-----
1.55
3.13
9.41
3.7
4.99
5.77
10.95
0.95
6.30
11.02
12.23
% D e rendimiento
de acroleina
----
-----
14.24
9.72
-----
1.29
6.87
6.70
----
O. 60
2.29
4.65
act iv idad no se real izo con el n-Butano, ya que
no se cuenta con el equipo necesar io .
-
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29/86
4.3.RENDIMIENTO
El rendimento
se
basa en
el
catalizador sintetizado
por el
mtodo de medio orgnico
y
razn P/V.
= 1.
v2oS + CbHSCHZOH
+
(CH3)2CH2OH + 2H3P04
-------
2p-VOP04 +.
.
1
1
REFLUJO
2)CALCINACION
P a r a
la
razn P/V=1
v205 C7H80 C3H90 H3P04
mgrl 5.000 16.922 6.903 5.386
PM
(gr /gr mo l) 181.884 74.12 108.130
98.000
n
grmol) O. 027 O. 228 O. 064 O. 055
Por
lo tan to
el
reactivo limitante es
el
VzOs
-
4
&VOPO
v o
2 5
n
=2nv
o
=O.
055
p - V O PO
4 2 5
m
=O.
055grmol * 162gr/grrnol=8.9gr
p - V O P O 4
Entonces
la
m a s a teorica del S-VOP04
es
8.9gr, mientras que
la
masa
real es de 7.72gr.por lo que el rendimiento es el siguiente:
RENDIMIENTO = (6.72 / 8.9)
* 100 %
=
75.5 %
4.4.BASES DE
DISEO
Para el diseno del reactor calculamos un factor de
escalamiento con base en el volumen ocupado por los reactantes
p
la cantidad de producto obtenido.
Los
requerimiento de anhdrido malico a futuro sern de
30,000
Tnlanuales, lo que implica un consumo anual de 134
Tnlanuales de catalizador.Entonces se requiere una produccin de
367.12kg de catalizador al da.
A nivel laboratorio:
21
-
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30/86
Volumen ocupado por los
reactantes
=
4 0
m l
Masa del producto sin calcinar
:=
8.4
gr
Masa
dcl catalizador = 6.72 gr
R e q u e r
imi
entos del catallzdor a nivel
industr a 1
-
ACTOR DE ESCALAMIENTO
=
Masa del catalizador a nivel laboratorio
FACTOR DE ESCALAMIENTO
=
43,704.762
Entonces
el
volumen del reactor para dicho requerimiento es el
siguiente:
Volumen = F.E * volumen de reaccin
Volumen =
2,000 li tros
Con base en la cantidad de producto seco (458.7 k g diarios)
se determin el tamao del secador,del horno
y
de la
tableteadora.
SECADOR.Este consta de charolas de 61 c m
*
71 cm
*
4 cm con
una capacidad de 137.5 gr/ hr de producto,
las
cuales
se
colocan
en parrillas de 2.7 m
* 5.7
m con una capacidad de 24 charolas
cada una.Por lo que se requiere de
28
parril las y 528 charolas;
de aqui el tamao del secador es de aproximadamente 3 m * 6 m de
longitud.
TABLETEADORA.La masa de
producto que necesitamos tabletear
es
relativamente grande, por
lo
que la tableteadora tiene una
velocidad que permita realizar el tableteado en un tiempo y costo
considerables.la velocidad apropiada
es
de O. 1
kg/seg
concluyendo el trabajo en
1.5
hr:;.
HORNO.La dimensin del horno se determina con base en el
3
volumen ocupado por el producto seco que
es
de 1.2 m .
TANQUESD E ALMACENAMIENTO.EI dimension amiento de los tanq ues
de almacenamiento
se
realiz suponiendo un abastecimiento mensual
de materia prima.
Volumen para alcohol isobutlico
:37.5
m
Volumen para alcohol benclico:
10
m
Volumen para el cido o-fosforico:5.24 m
Los tanques sern de techo en forma de cono debido al manejo de
los alcoholes.
3
3
3
22
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31/86
E L M A T E R I A L D E CONSTRIJCCION.EI
material que se considera
apropiado para la construccin del equipo es de acero
inoxidable,esto es debido a que el acero al carbn tiene ciertas
limitacimes para los alcoholes, y puede ser atacado por el cido
fosforico.Ademas el pentxido de vanadio puede
ser
danio
al
acero al carbn.
-
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PARTE
V
R E S U L T A D O S D E L D I S E f i O
5.1.DIAGRAMA DE
FLUJO
1
LCOHOL
I SO B U T I LICO
l o
EMULSION
A L C .I SO B U T I L I C O
11 .1 mi
H PO 85 %
3 4
3.2 mi
.1
ALCOHOL
B E N C IL I C 0
6.66 mi
l->PENTOXIDO DE VA NA DI O