Clorobencenos a Partir de Benceno y Cloro

Paula Ramírez Vásquez Antonio Tabares Torres INGENIERIA DE PROCESOS EDUARDO SANCHEZ TUIRAN, PhD UNIVERSIDAD DE CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA DE INDIAS, D.T y C.

09 septiembre 2017

CLOROBENCENO

I ntroducción Los Bencenos Clorados son compuestos cíclicos aromáticos en los cuales los átomos de Hidrógeno del anillo bencénico son reemplazados por átomos de cloro. Esta sustitución genera 12 compuestos que incluyen el Monoclorobenceno, 3 formas isoméricas de Diclorobenceno, 3 formas isoméricas de Triclorobenceno, 3 formas isoméricas de Tetraclorobenceno, Pentaclorobenceno y Hexaclorobenceno. El Clorobenceno es un líquido incoloro e inflamable, con un olor aromático, similar al de las almendras. Es muy poco soluble en agua y se evapora rápidamente al ambiente. Es miscible en los solventes orgánicos más comunes y forma azeótropos. No se produce de forma natural en el ambiente Fue primero descripto en 1851.  Se lo manufactura por  clorado de benceno en presencia de monto catalítico de ácido de Lewis tal como cloruro de hierro (III) y cloruro de aluminio anhidro. La mayoría de Clorobenceno es producido actualmente en plantas de Benceno y cloro en operación continua. Dependiendo de la relación de Benceno a cloro escogida, se puede graduar una conversión de Benceno baja con una pequeña formación de diclorobenceno, o, una conversión casi completa de Benceno y alta producción de diclorobenceno. La composición de Clorobenceno más alta fue obtenida con un 4 –  5% de Benceno sin reaccionar, logrando un 73% de Clorobenceno con un 22 –  23% de Diclorobenceno.

Objetivo el proyecto Diseñar una planta para producir 20.000 toneladas métricas / año de monoclorobenceno junto con no menos de 2.000 toneladas métricas / año de diclorobenceno, mediante la cloración directa de benceno.

Descripción del proceso Benceno líquido (que contiene menos de 30 ppm en peso de agua), se introduce en un sistema de reactor que consta de dos tanques de agitación continuos que funcionan en serie a 2,4 bar. El cloro gaseoso es alimentado en paralelo a ambos tanques. El cloruro férrico actúa como un catalizador, y se produce in situ  por la acción del cloruro de hidrógeno sobre el acero dulce. Se requiere enfriamiento para mantener la temperatura de funcionamiento a 328 K. El gas de cloruro de hidrógeno que sale de los reactores es enfriado primero para condensar la mayor parte de las impurezas orgánicas. seguidamente, pasa a un adsorbedor de carbón activado en el que los trazos finales de la impureza son eliminados antes de que salga de la planta para su uso en otra parte. La corriente de clorobencenos líquido en bruto que sale del segundo reactor se lava con agua y solución de sosa cáustica para eliminar todo el cloruro de hidrógeno disuelto. El sistema de recuperación del  producto consta de dos columnas de destilación en serie. En la primera columna (la '' columna de benceno '') el benceno sin reaccionar es recuperado como producto superior y se recicla. En la segunda columna (la "columna de clorobenceno") son separados los mono- y dicloro-bencenos. El benceno recuperado de la primera columna se mezcla con la alimentación de benceno en bruto, y esta corriente combinada es alimentada a una columna de destilación (la "columna de secado") donde el agua se retira como

CLOROBENCENO

sobrecarga. La corriente de benceno del fondo de la columna de secado es alimentada al sistema de reacción. Especificaciones de alimentación 

Cloro: 293K

 presión atmosférica 100% pureza. 

Benceno: 293K

 presión atmosférica 99,95% en peso de benceno - 0,05% en peso de agua. Especificaciones del producto   

Monoclorobenceno: 99,7 por ciento en peso. Diclorobenceno: 99,6% en peso. Gas Cloruro de Hidrógeno: menos de 250 ppm en peso de Benceno.

Utilidades    

1. Secado: seco saturado a 8 bar ya 28 bar. Agua de refrigeración: 293K. Agua de proceso: 293K. Solución de sosa cáustica: NaOH al 5% en peso, 293K. Tabla 3. Datos del proceso

Componente A B C I AC SC MCB DCB

Hermenéutica Agua Benceno Cloro Impurezas Ácido clorhídrico Soda Cáustica Mono Cloro Benceno Di cloro Benceno

(ton/m3) 0.98565 0,839115 --------------1,19 -------1,065 1,23

PM (kg/kmol) ---------78,11 ------------------------------------112,56 ----------

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO CLOROBENCENOS A PARTIR DE BENCENO Y CLORO:

CLOROBENCENO

CLOROBENCENO

DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO CLOBENCENOS A PARTIR DE CLORO Y BENCENO

CLOROBENCENO

BALANCE DE MATERIA: Datos: 

Volumen reactores:  =   =   = 500



Reacciones:

Para el primer reactor   +    →    + 

Para el segundo reactor    +   →    +  

Velocidades de reacción: cuando la concentración de cloro disuelto permanece esencialmente constante.

Para el primer reactor   =    =        =   

donde r es la velocidad de reacción,   es la constante de velocidad para la reacción (1) a 328 ° = 1.00 ∗ 10−  −   es la constante de velocidad para la reacción (2) a 328 ° = 0,15 ∗ 10−  −

y x indica la fracción molar. Los subíndices B, MCB y DCB representan Benceno, Monoclorobenceno y Diclorobenceno, respectivamente.

CLOROBENCENO



Flujos y composiciones: Flujo Composición 1   = 0,995 2 3 4 5

;

 = 0,0005

1000 ton C/ 5 Ton I 1000 ton C/ 5 Ton I 96,76% de AC en el primer reactor, va a F4 De la alimentación, el 0,0005% de B, va al tope de los dos reactores. 96,76% de AC en el primer reactor, va a F4 De la alimentación, el 0,0005% de B, va al tope de los dos reactores.

7

   = 0,00025

10

   = 0,040

12

  = 0,997;

   = 20000

   = 0,003 ;    = 60

13

 ñ

 ñ

    = 2000 ⁄ñ ;   = 10 /ñ    = 0,996

14

;

  = 0,004 15000 /ñ    = 0,02

17

   = 0,98   = 20000 ⁄ñ ;   = 0,95

18

   = 0,05    = 0,1    = 0,86

19

El adsorbedor elimina 55% de I

20

El adsorbedor elimina 55% de I

CLOROBENCENO

BALANCE DE MATERIA 

Balance total:   =  + 

Cálculo flujos másico (producto):   =   +    =   +  

Balance por componentes: Para el agua:

   =   +    ,  =

  +   

Para el Diclorobenceno:    =      =

  

Para el Monoclorobenceno:   =     =

  

CLOROBENCENO



Balance total:   =  + 

Balance por componentes: Para el agua:    =   +     =

  +   

Para el Benceno:    =      =

  

Para el Monoclorobenceno:   =      =

  

CLOROBENCENO



Balance total:  +  =  +    =  +   

Balance por componentes: Para el agua:   +   =   +    ,  =

  +      

Para el Benceno:    =  

CLOROBENCENO

 

   =



Para el Diclorobenceno:   =    ,  =

  

Para el Ácido clorhídrico:    =      =

  

Para el Monoclorobenceno:    =    ,  =

  

Para la soda Caustica:   =     = 

   

CLOROBENCENO

Reactor 1: rxn 1: ,  = ,  = ,  = ,  =  ,

rxn 2 ,  = ,  =   =   =  

Reactor 2: rxn 1 ,  =   =   =   =  

rxn 2   = ,  = ,  =   =  

Concentración de B y MCB en el Flujo 9   =

   

Balance de agua:  ,  =  ,   ,   =  ,

Balance en el primer reactor:          = 0    = (  +   )

Balance en el segundo reactor:       +    =  

  =   +     

Flujo de B en 5:   = 0,000005  

Balance de MCB en el primer reactos:

CLOROBENCENO

     =      +      =  

Flujo 8:   =   +   +   +    +  

Flujo 2, 3, 4 y 5:   =   +     =   +     =   +   +     =   +   +  



Global:  +   =  +    =  +   

Balance para el Agua:

CLOROBENCENO

   =   +     =

      ,

BALANCE

1 Flujo Másico Comp. %(p/p) (Ton) A 2870 0,001 B 5737130,200 0,9995 1 Total 5740000,200 0,9967925 P (atm) 328 T (°K)

Comp. C I Total

3 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 24380,759 0,952 1219,038 0,048 35599,797

5 Flujo Másico Comp. %(p/p) (Ton) B 28,686 0,001 H 24185,699 0,951 I 1219,038 0,048 25433,422 Total

Comp. C I Total

Comp. B H I Total

2 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 36080,117 0,952 1804,006 0,048 37884,123 1

4 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 0,00000039 0,028 68835,178 0,974 1804,006 0,026 70639,211

6 Flujo Másico Comp. %(p/p) (Ton) B 93020,876 0,0003032 H 24185,699 0,982 I 1662,674 0,018 Total 94712,264

CLOROBENCENO

Comp. B H Total

Comp. A B D H M

Total

Comp. A D M

Total

7 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 28,713 0,00025 91358,202 0,99975 91335,37

9 Flujo Másico (Ton) 2870 14700 2000 2500 20000

21932,225

H

2304,94

0,04

M

36080,117

0,587

Total

%(p/p)

61474,181

0,060

A B D

10 Flujo Másico (Ton) 370 14700 2000

0,477

M

20000

0,068 0,351 0,048

Comp.

Total

41932,225

11 Flujo Másico (Ton) 70000 2000 2000

8 Flujo Másico Comp. %(p/p) (Ton) A 2870 0,047 B 5559,124 0,090 D 17530 0,285

%(p/p) 0,003 0,091 0,912

Comp. A M Total

%(p/p) 0,010 0,398 0,054 0,542

36932,225

12 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 55 0,003 20000 0,997 19949,165

CLOROBENCENO

Comp. A D Total

Comp. A Total

Comp. A S Total

Comp. I Total

13 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 15 0,004 2000 0,9996 1992,165

15 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 5722430,200 1 5722430,200 1

Comp. A B Total

Comp. A Total

14 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 300 0,020 14700 0,980 15000

16 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 2570 1 2570 1

17 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 19000 0,950 1000 0,050 20000

18 Flujo Másico Comp. %(p/p) (Ton) A 21500 0,860 H 2500 0,1 S 1000 0,040 Total 25000

19 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 1360 1 1360,370 1

20 Flujo Másico %(p/p) (Ton) 1360 1 1662,674 1

Comp. I Total