Informe - Obtencion-De-Butadieno-Final

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUÍMICA AMBIENTAL

CÁTEDRA

: ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROCESOS

SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO DEL PROCESO DE OBTENCION DEL BUTADIENO POR OXIDESHIDROGENACION CATALITICA DE N- BUTANO EN EL PROGRAMA CHEMCAD

CATEDRÁTICO : Ing. GUEVARA YANQUI, Pascual Victor

INTEGRANTES : MEZA CAHUANA, Mary Cruz ROJAS ESTRADA,Juan Manuel

SEMESTRE

:IX

HUANCAYO-PERÚ

“SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO DEL PROCESO DE

OBTENCION DEL BUTADIENO POR OXIDESHIDROGENACION CATALITICA DE N- BUTANO EN EL PROGRAMA CHEMCAD”

RESUMEN

Para realizar el siguiente trabajo de simulación en estado estacionario del proceso de obtención del butadieno por oxideshidrogenación. catalítica del n-butano, utilizando el método tradicional. Estudiaremos la reacción de producción del butadieno a partir del n-butano y el oxígeno, se utiliza un reactor FBR (FIXED BED CATALYST), que funciona a una presión 2.9 PSI y temperatura de ingreso de 773°C y una temperatura de salida de 620°C. Previamente las corrientes de alimentación se mezclan en un mixer (Mezclador), de ahí esta mezcla ingresa al reactor luego pasa a un intercambiador de calor para bajar la temperatura después pasa a un compresor para bajar la presión y finalmente a un separador de butadieno con un solvente de acrilonitrilo.

INTRODUCCIÓN

El presente trabajo tiene como objetivo principal simular el proceso de obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano, utilizando el método tradicional. Estudiaremos la reacción de producción del butadieno a partir del n-butano y el oxígeno, se utiliza un reactor FBR (FIXED BED CATALYST), que funciona a una presión 2.9 PSI y temperatura de ingreso de 773°C y una temperatura de salida de 620°C. Previamente las corrientes de alimentación se mezclan en un mixer (Mezclador), de ahí esta mezcla ingresa al reactor luego pasa a un intercambiador de calor para bajar la temperatura después pasa a un compresor para bajar la presión y finalmente a un separador de butadieno con un solvente de acrilonitrilo.

TABLA DE CONTENIDO RESUMEN.......................................................................................................................3 I.

OBJETIVOS.............................................................................................................7 1.1.

OBJETIVOS GENERALES:...............................................................................7

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:.............................................................................7

II.

MARCO TEÓRICO...................................................................................................8 2.1.

BUTADIENO:.....................................................................................................8

2.1.1.

Características Del Butadieno.....................................................................8

2.1.2.

Propiedades Del Butadieno.........................................................................9

2.1.3.

Aplicaciones:.............................................................................................10

2.2.

N-BUTANO:......................................................................................................10

2.2.1. 2.3.

Propiedades Del n-Butano:......................................................................11/

Oxigeno:...........................................................................................................11

2.3.1.

Propiedades Del Oxigeno:........................................................................12

2.5.

Métodos De Des hidrogenación oxidativa de n-buteno...................................15

2.6.

Descripción del Problema:...............................................................................18

III.

DETERMINACION

DE

LA

SELECTIVIDAD

EN

FUNCION

DE

LA

CONVERSION………………………………………………………………………………..23 IV.

BALANCE DE MATERIA GENERAL DE LOS PROCESOS:.............................24

V.

BALANCE DE ENERGIA EN EL PROCESO (ESTADO ESTACIONARIO)..........42

VI.

SIMULACION DEL PROCESO...........................................................................59

VII RESULTADOS.........................................................................................................81 7.1. RESULTADO DEL METODO CONVENCIONAL:..............................................81 7.2. RESULTADO EN EL SOFTWARE CHEMCAD.................................................82 VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.............................................................................83 IX. CONCLUSIONES....................................................................................................85 IX. BIBLIOGRAFIA........................................................................................................86

X.

ANEXOS87

I. OBJETIVOS I.1. OBJETIVOS GENERALES:  Simular en estado estacionario el proceso de obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano utilizando el software CHEMCAD. I.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:  Calcular por el método convencional el balance de materia en cada componente en el proceso de oxideshidrogenación catalítica del nbutano.  Calcular por el método convencional el balance de energía en cada componente del proceso de obtención del oxideshidrogenación catalítica del n-butano.  Construir el diagrama de flujo del proceso para la obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano.  Realizar la simulación de la obtención de butadieno a partir del NButano en el software de CHEMCAD y comparar los resultados de balance de masa.

II. MARCO TEÓRICO

II.1.BUTADIENO: (Fajen, págs. 20,21) El 1,3-butadieno, gas incoloro que se obtiene como producto secundario de la fabricación del etileno, es muy utilizado como materia prima para la fabricación de caucho sintético (p. ej., caucho de estireno-butadieno (SBR) y caucho de polibutadieno) y de resinas termoplásticas. (Repsol, 2017) El butadieno es gas incoloro no corrosivo e inflamable con un ligero olor a gasolina, que se obtiene a partir de la fracción C4 procedente del proceso de craqueo del petróleo. Dicha fracción C4 pasa por una serie de destilaciones extractivas y de purificación hasta convertirse en butadieno de alta pureza. Caucho sintético (PB, polibutadieno; SBR, estireno/butadieno; cauchos termoplásticos, SBS; caucho nitrilo, neopreno, Resinas ABS (acrilonitrilo-butadieno-estireno) y adiponitrilo, producto intermedio para la obtención de poliamidas (nylon).

II.1.1.Características Del Butadieno. (Sociedad quimica, 2009), El Butadieno es un gas claro, incoloro de olor acre, a temperatura ambiente es escasamente miscible con agua (0.03%), Tiende a formar peróxidos a elevadas temperaturas, por lo que no se debe exponer al calor o a la llama. Reacciona con oxidantes y metales en forma de polvo, originando peligro de incendio y explosión. Recomendaciones: bajo ningún concepto se aconseja el uso de este producto ingerido, bebido o en contacto con las mucosas. La sustancia irrita gravemente a los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La exposición altas concentraciones puede producir edema pulmonar.

TABLA 1:CARACTERÍSTICAS DEL BUTADIENO CARACTERISTICAS DEL BUTADIENO Aspecto

Liquido incoloro de color acre

Gas

126-99-8

Formula química

C4H6

Peso molecular

54.10 g/mol

Hidrosolubilidad

0.735 g/L (20°C)

Punto de Fusión

1.0350 – 1.0389 g/cm3

Punto inicial de ebullición Presión de vapor

< 70.00 ppm 217 kPa / 255 kPa

Temperatura de autoinflamación Cloruros

420°C < 0.007 %

Fuente: Ficha de datos de seguridad Reglamento (CE) Nº 1907/2006 (REACH) y Reglamento CE N° 1272/2008-CLP

II.1.2.Propiedades Del Butadieno TABLA 2: PROPIEDADES GENERALES DEL BUTADIENO Nombre químico

1,3-butadieno

Formula

C4H6

Peso molecular (g/mol)

54.10

Numero en EINECS

204-618-0

Punto de ebullición, 101,3 kPa (1 atm)

59.4 ºC

Punto de Fusión, 101,3 k Pa (1 atm)

130°C

Presión de vapor,

23.2 kPa

20ºC (68 ºF)

Densidad relativa de vapor (aire=1)

3.1

Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C

1.5

(aire=1) Temperatura de Auto ignición

414°C

Gravedad Especifica

0.621-20/4 °C

Temperatura Critica

152°C

Fuente: (Pemex petroquimica, 2006)

II.1.3.Aplicaciones: (Yph, 2014), El butadieno es utilizado en la producción de butil mercaptán, óxido de butileno, intermedios de aldehídos, alcoholes y otros derivados de C4, y como monómero en la obtención de polietilenos de baja y alta densidad. Según (David juarez, 2013),Los cauchos sintéticos suelen contener un 25% de estireno y un 75% de butadieno y sus aplicaciones incluyen en orden de importancia:  Neumáticos.  Espumas.  Empaques.  Suelas para zapatos.  Aislamiento de alambres y cables eléctricos.  Mangueras. Los copolímeros de estireno -butadieno con mayor contenido de butadieno,

hasta

recubrimientos

el

60%,

acolchados.

se Para

usan

para

mejorar

hacer la

pinturas

adhesividad,

y en

ocasiones se incorpora el ácido acrílico o los ésteres acrílicos, que elevan la polaridad de los copolímeros. Otros usos que se le da son la fabricación de cinturones, mangueras para maquinarias y motores, juntas, y pedales de freno y embrague. En el hogar se encuentra en juguetes, masillas, esponjas, y baldosas. Entre los usos menos esperados se encuentra la producción de productos sanitarios, guantes

quirúrgicos

e

incluso

goma

de

mascar,

correas

transportadoras y de transmisión y artículos moldeados y perfiles

II.2.N-BUTANO: (Shell españa S.A., 1999), es una mezcla compleja de hidrocarburos que consiste fundamentalmente en butanos y butenos con algunas cantidades de C5 e hidrocarburos de mayor peso molecular.

Pueden estar presentes bajas concentraciones de azufre, sulfuro de hidrogeno y mercaptanos. Puede también contener uno o más de los siguientes aditivos: odorantes (normalmente etil-mercaptano), agentes antihielo. Puede estar presente en cantidades que exceden el 0.1% (m/m) el 1.3butadieno, clasificado como Carcinógeno.

II.2.1.Propiedades Del n-Butano: (New jersy departament of health, 2009), El butano es un gas incoloro con olor a gas natural. TABLA 3: PROPIEDADES FÍSICAS DEL N-BUTANO

NOMBRE QUIMICO

N-BUTANO

Punto de ebullición:

-0.5°C

Punto de fusión:

-138°C

Densidad relativa (agua = 1):

0.6

Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C:

0.0061

Presión de vapor, kPa a 20°C:

213.7

Densidad relativa de vapor (aire = 1):

2.1

Punto de inflamación:

-60°c

Temperatura de auto ignición:

365 °C

Límites de explosividad, % en volumen en el aire:

1.8-8.4

Coeficiente de reparto octanol/agua como log

2.89

Pow: FUENTE: (safety international programme on chemical, 2005)

II.3.Oxigeno: (Oasa, s.f.) El Oxigeno es el elemento más abundante en la tierra. En su forma combinada constituye una quinta parte del aire, mezclado con el Hidrogeno forma el agua. Debido a su propiedad de sustentar la vida y de su característica de ser fuertemente oxidante. Se

emplea

principalmente

en

soldadura

autógena

y

corte,

enriquecimiento de flamas, mezclas de soldadura, tratamiento de aguas.

Según (Torres, s.f.) el oxígeno es un gas incoloro, sinsabor e inoloro, es 1.1 veces más pesado que el aire. Este se extrae del aire, así como el Argón y Nitrógeno, por ello son conocidos como gases del aire.

II.3.1.Propiedades Del Oxigeno: TABLA 4: PROPIEDADES GENERALES DEL OXIGENO Nombre químico OXIGENO Peso molecular (g/mol)

31.9988

Numero-CAS

7782-44-7

Punto de ebullición, 101,3 kPa (1 atm)

-183°C

Punto de Fusión, 101,3 k Pa (1 atm)

-219°C

Temperatura Critica

.11806 °C

Presión de vapor,

NO ES APLICABLE

20ºC (68 ºF)

Presión critica

731.4 psia

Densidad relativa de vapor (aire=1)

0.827

Densidad relativa de la mezcla vapor/aire

1.1

a 20°C (aire=1) Densidad (21.1°C) Kg/m3

1.4289

Solubilidad (mg/l)

39

Gravedad Especifica

0.621-20/4 °C

Temperatura Critica

152°C

Fuente: (Praxair, 2015) II.4.

PROCESOS DE PRODUCCION DE BUTADIENO

A) Se

obtiene

principalmente

a

partir

de

los

gases

del petróleo según diferentes procesos. B) El más utilizado en la actualidad, se fundamenta en la deshidrogenación catalítica del butano o del butileno. En el caso de emplear butano se deshidrogena primero a butileno y después a butadieno. C 4 H 10 →C 4 H 8 + H 2

paso 1

C 4 H 8 → CH 2 ¿ CH −CH =CH 2+ H 2

C)

paso 2

es posible también, obtener butadieno a partir de alcohol etílico por medio de la conversión catalítica: C 2 H 5 OH catalizador C 2 H 5 =CH −CH 2 + H 2 O+ H 2 →

→

H 3 C−CH ( OH ) −C H 2−C H 2 OH −2 H 2 O H 2 C=CH −CH =C H 2

1,3-Butanodiol

Butadieno

D) el proceso europeo utiliza acetaldehído como materia prima, el cual forma aldol y por hidrogenación se obtiene el

1,3-butileno

glicol que por deshidratación da butadieno. E) El proceso americano fabrica butadieno partiendo de alcohol etílico. El alcohol se oxida catalíticamente a acetaldehído, y éste reacciona en caliente con más alcohol en presencia de un catalizador para formar el butadieno: C H 3 HO+C 2 H 5 OH catalizador CH 2=CH −CH =CH 2 + H 2 O →

C 2 H 5 OH + Aire catalizador C H 3 CHO+ H 2 O →

F) El butadieno generalmente, es obtenido d e los cortes de c4 mediante extracción por

solventes, una

operación

que

es, a

veces,

facilitada

por una preliminar hidrogenación

selectiva de los compuestos acetilénicos. En un número de aplicaciones, el refinado en sí debe someterse a un tratamiento similar para eliminarlo

de

las olefinas

residuales. El corte inicial, pasa mediante hidrogenación, puede también ser útil para el mismo propósito. (LUCIA, 2015) G) para nuestro proceso utilizaremos el n-butano porque según la tabla en nuestro país se produce en grandes cantidades lo que es la materia prima como el n-butano en diferentes plantas. 14.43 PRODUCCIÓN DE LÍQUIDOS DE GAS NAT URAL, SEGÚN PLANTA DE PROCESAMIENTO, 2007 - 2012 (Miles de Barriles)

P la n ta / P ro d u c to To ta l Ga s olina Na tura l Ga s Lic u a do de P e tróle o (GLP )

2007

2008

2009

2 0 10

#####

#####

#####

#####

2 0 11 #####

2 0 12 #####

6 264.1 6 864.9 10 829.6 12 061.0 12 055.1 12 540.2 526.1

486.1

450.0

664.7

678.7

695.6

P ropa no / Buta no

6 391.5

7 607.2 12 710.8 14 030.0 13 831.3 15 154.4

Dié s e l 2

1 009.7

1 606.9

3 429.7

-

-

-

-

-

-

3 996.9

3 694.6

3 345.9

De s tila do s Me dios S olve nte light

101.1

-

-

-

-

-

Otros

98.0

105.7

130.2

210.4

225.3

224.7

26 4.7

284.0

2 11. 9

4 28.7

4 4 4 .3

38 9.3

-

-

-

-

-

-

163.6

178.3

123.6

331.9

337.5

295.4 -

EEP S A/ G MP Ga s olina Na tura l Ga s Lic u a do de P e tróle o (GLP ) P ropa no / Buta no S olve nte light Otros Ag u a ytí a

-

-

-

-

-

101.1

-

-

-

-

-

-

105.7

88.3

96.8

106.8

93.9

#####

976.0

972.3

9 13 . 8

8 9 8 .4

97 8.1

Ga s olina Na tura l

731.7

668.2

645.9

581.0

557.2

577.9

Ga s Lic u a do de P e tróle o (GLP )

362.5

307.7

326.5

332.8

341.1

P lu s p e tro l P e rú Co rp o ra tio n

#####

#####

#####

#####

#####

400.2 #####

Ga s olina Na tura l

5 401.7

6 097.4 10 183.7 11 480.0 11 497.9 11 962.3

P ropa no / Buta no

5 984.4

7 305.8 12 406.6 13 701.0 13 515.0 14 820.0

Dié s e l 2

1 009.7

1 606.9

3 429.7

-

-

-

-

-

-

3 996.9

3 694.6

3 345.9

De s tila do s Me dios Otros P ro c e s a d o ra d e G a s P a riñ a s

98.0

-

-

-

-

-

53 7.8

400.7

346.2

4 42.6

4 3 4 .8

46 5.2

Ga s olina Na tura l

130.6

99.3

-

-

-

-

P ropa no / Buta no

407.1

301.4

304.2

329.0

316.3

334.4

-

-

41.9

113.7

118.5

130.8

Otros

EEP S A / G M P : Emp res a Eléctrica Piura S.A. / Graña y M o nt ero Pet ro lera.

(INEI, 2012).

II.5. Métodos De Des hidrogenación oxidativa de n-buteno. (Herrera, 2016) Es un sistema que ha reemplazado a muchos procesos antiguos de producción de butadieno debido al desarrollo de varios procesos y sistemas de catalizadores de oxideshidrogenación de cualquier n-butano o de n-buteno. El 1-buteno es mucho más reactivo y requiere condiciones de operación menos severas que la de n-butano siendo el empleo de n-butano menos eficiente. Como recomendaciones en la oxideshidrogenación, una mezcla de n-butenos, aire y vapor se hace pasar sobre un lecho de catalizador a baja presión y aproximadamente de 500- 600ºC. El calor de la reacción exotérmica puede ser eliminado indirectamente mediante la circulación de sal fundida o por un método alternativo que consiste en añadir vapor de agua a la alimentación (actuando como disipador de calor). En el proceso Oxo-D como se observa en la Figura, una mezcla de aire, vapor

y

1-buteno

se

hace

pasar

sobre

el

catalizador

de

deshidrogenación en un proceso continuo. Como parte final del proceso, el efluente del reactor se enfría y como en el sistema anterior, los componentes C4 se recuperan en un absorbedor/desgasificador/stripper. El aceite como disolvente fluye desde los fondos del stripper y regresa al absorbedor, aunque antes pasa través de una zona de purificación de disolvente. Para obtener la corriente de butadieno final es necesario eliminar la cantidad de disolvente (aceite) por medio de un stripper y un sistema de purificación para obtener la corriente final. El rango de rendimiento y selectividad puede variar entre 70-90%, lo que hace innecesario recuperar o reciclar material de alimentación (la formación de CO2 como reacción secundaria puede producir la pérdida de rendimiento del proceso.

Tabla1.2. Entallpias y energía de Gibbs en formación, constantes de equilibrio y grado de conversión a varias temperaturas para el ODH del n-butano.

 OXIDESHIDROGENACION CATALYTICA:

Figura 1: Proceso de obtención del butadieno por medio de la oxideshidrogenación catalítica del n- butano.

II.6.Descripción del Problema: El butadieno (C4H6) se obtiene por reacción de N-Butano(C2H4O) y el Oxigeno (O2). Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la tabla N°5: Tabla N°5: Condiciones de alimentación: Nombre

N-BUTANO

AIRE

Temperatura(°C)

25°C

25°C

Presión

0.2 bar

1bar

Flujo Molar

165.11kmol/h

110.07kmol/h

N-BUTANO

Fracción molar: 1,0

Fracción molar: 0,0

AIRE

Fracción molar: 0,0

Fracción molar: 1,0

BUTADIENO

Fracción molar: 0,0

Fracción molar: 0,0

Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer y la corriente resultante ingresa a un reactor tipo FBR que funciona a una temperatura constante y con presencia de catalizador V-Mg-O para tener una alta selectividad de modo que solo se considere en el estudio, la suma de las dos reacciones. Las dos reacciones se describen en la Tabla N°6, ocurren en fase gaseosa, en el reactor se supone la caída de presión nula y mantiene un nivel de liquido de 85%. TABLA N°6: Reacciones Quimicas y datos cinéticos. 1 C 4 H 10 + O2 →C 4 H 8 + H 2 O 2 1 C 4 H 8+ O2 →C 4 H 6 + H 2 O 2

Fuente: Tesis de Pregrado (Milne, 2008) ESTUDIO DE MERCADO: La materia prima básicamente para la producción del butadieno, es a partir del N-Butano. Actualmente, el país exporta cierta cantidad de butanos, en volumen suficiente para la producción del Butadieno. De acuerdo a estudios realizados en el año 2012, la producción de gas natural provenientes de los pozos de Camisea, están en incremento con un crecimiento anual del 62%, se prevé que durante los años seguirá este crecimiento debido a la creciente demanda por el gas natural, por ende, habrá mayor producción de líquidos del gas natural, lo que significa mayor cantidad de butano producidos. -

PROVEEDORES EXTERNOS:

La mayor parte de proveedores de butanos en el mundo se encuentran en los mercados de Europa, EEUU y Asia, de acuerdo a la Gas & Oil el costo de butanos en los mercados mencionados se registran en :

Fuente: Estadística de Proveedores de Butano, Revista Gas & Oil. -

COMPETENCIA: El sector de manufactura de Perú se encuentra la fabricación de productos de caucho y plásticos dentro de la cual comprende la 251 de fabricación de caucho específicamente y las subdivisiones: 2511 de fabricación de cubiertas y cámaras de caucho; recauchado y renovación de cubiertas de caucho y 259 de fabricación de otros productos de caucho.Los productos incluidos en la fabricación de cubiertas y cámaras de caucho; recauchado y renovación de cubiertas de caucho son: llantas y cámaras para vehículos comerciales y automóviles. Según datos del Instituto Nacional de Estadística e Informática de Perú (INEI) la producción de llantas para autos y camionetas es el producto que ha alcanzado mayores niveles de producción en periodos anteriores, un promedio de alrededor dos millones de unidades mientras que las llantas para camión y llantas para tractor y fuera de carrera no registran la producción para periodos anteriores. PERU: Producción de Llantas 2006-2009

Unidades de:

2006

2007

2008

2009

Llantas (autos, camionetas)

1616.162

1729.490

1775.412

1622.008

Llantas (camión)

125.536

140.143

--------------

------------

2.094

--------------

------------

Llantas (tractor y fuera de 8.365 carrera)

Fuente: Ministerio de la producción – Vice ministerio de industria Las empresas peruanas importan Caucho Butadieno (BR) en formas primas de los siguientes países. PAIS

TONELADAS

BRAZIL

374.228

GERMANY

161.924

ITALY

43.2

KOREA, REPUBLIC 151.2 RUSSIAN

401.76

FEDERATION UNITED STATES

1966.138372

VIETNAM

16.91

TOTAL,

3115.360372 Fuente: Aduanas

IMPORTACION DEL CAUCHO BUTADIENO (BR) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 A BR

L ZI

AN M R GE

Y

A IT

LY R A, E R KO

UB EP

R

LIC

S US

N IA

FE

DE

T RA

N IO E IT UN

D

A ST

S TE

NA ET I V

M

Fuente: Aduanas -

CONSUMO NACIONAL DE CAUCHO BUTADIENO: Principalmente es para la producción de llantas y productos afines, también es usado para la producción de suelas de zapatos, industrias afines a los vehículos, los principales importadores de Caucho butadieno son: EMPRESAS

TONELADAS

Laminados SAC.

723.31842

Indelet SAC.

96.89998

Comercial conte

305.535742

Innova andina SAC

168.81181

Lima Caucho S.A.

313.64233

Goodyear

1472.66475

KBR Ingenieros

17.57734

Segurindustria S.A. TOTAL,

16.91 3115.36037

Fuente: Aduanas

CONSUMO DE BUTADIENO 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

m La

A sS o ad in

C. l de In

e

. AC S t m Co

cia er

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na di an

SA

C

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a

ho uc a C

A. S.

r ea dy o Go

R KB

g In

s ro ie n e Se

a tri us d rin gu

A. S.

Fuente: Aduanas

III. DETERMINACION DE LA SELECTIVIDAD EN FUNCION DE LA CONVERSION.

Hallamos nuestra ecuación de selectividad basados en el paper de (Bhattacharyya, 1992), según el grafico .Para determinar la ecuación de la selectividad en función de la conversión se tuvo de referencia la tesis de (Pissani Solar Carmen, 2015) donde por medio del programa Excel se obtiene: TABLA N°7: Relación De Conversión Y Selectividad. Conversión (S)

Selectividad (x)

0.31

0.59

0.43

0.63

0.54

0.62

0.62

0.54

0.68

0.46

Selectividad (x) 0.7 0.6 0.5

f(x) = − 3.12810303711406 x² + 2.76048638819639 x + 0.0315949138666053 R² = 0.988773346968569

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

Figura N°4: Grafica de la relación de conversión y selectividad. Teniendo como resultado la siguiente ecuación:

Para nuestro proceso trabajaremos con una conversión de 0.64 y una selectividad de 0.49

IV.BALANCE DE MATERIA GENERAL DE LOS PROCESOS:

(Pissani Solar Carmen, 2015), Las corrientes de alimentación entran por corrientes diferentes a un reactor de tipo FBR ya que los reactores utilizan catalizadores solidos (V-Mg-O). La reacción química que tiene lugar es: 1 C 4 H 10+ O2 →C 4 H 8 + H 2 O 2 1 C 4 H 8+ O2 →C 4 H 6 + H 2 O 2

Se desea producir un total de 3115.36037 ton/año de Butadieno.

3115.36037∗ton ∗1 año año ∗1dia 355 dias ∗1000 kg 24 h 4.1. BALANCE DE MATERIA EN LOS INTERCAMBIADORES DE ∗1lb 1 ton 806.1125lb = =105 lbmol /h 0.4536 kg h CALOR (HORNOS):

IV.1.1. HORNO 1 (H-101):

HORNO 1 (H-101)

En este equipo no ocurre reacción alguna; por lo tanto, la entrada es igual a la salida: TABLA N°7: Cuadro del balance de materia del Horno 1 (H-101)

COMPUESTO N-BUTANO OXYGENO BUTADIENO AGUA

ESTRADA Lbmol/h 165.11 0.00 0.00 0.00

IV.1.2. HORNO 2 (H-102):

HORNO 2 (H-102)

SALIDA Lbmol/h 165.11 0.00 0.00 0.00

En este equipo no ocurre reacción alguna; por lo tanto, la entrada es igual a la salida:

TABLA N°8: Cuadro del balance de materia del Horno 1 (H-101) COMPUESTO

ESTRADA Lbmol/h 0.00 110.07 0.00 0.00

N-BUTANO OXYGENO BUTADIENO AGUA

IV.2.

SALIDA Lbmol/h 0.00 110.07 0.00 0.00

BALANCE DE MATERIA EN EL MEZCLADOR: Oxigeno MIX - 100

N-Butano

Mezcla

Balance de materia [1] Consideraciones:  Estado estacionario (Acumulación = 0).  No existe reacción química (Generación =0).  Mezcla de fluidos líquidos incompresibles. Entrada=salida Oxido de etileno+ Agua=Mezcla

F Ao + F Bo = Mezcla

Siendo: F Ao : N-Butano,165.11lbmol /h F Bo: Oxigeno, 110.07 lbmol /h

Cálculo de la corriente mezcla:

[2]

Reemplazando los valores anteriores en mezcla de componentes [2]: F Ao + F Bo = Mezcla

Mezcla=275.18 mol/h

IV.3.

BALANCE DE MATERIA EN EL REACTOR (R-101). C 4 H 10+O2 →C 4 H 6 +2 H 2 O(general)

VARIABLES. Conversión(N-butano): Selectividad:

X=0.64

S=0.4

Relación molar de alimentación: FC

4

H 10

FO

=1.5

2

Diagrama de flujo.

Purga

PRODUCTO

BALANCE EN FUNCION DE LA SELECTIVIDAD Y CANTIDAD DE PRODUCTO

 PRODUCCION DE BUTADIENO: PC

4

H6

(CALCULADO EN BALANCE ANTERIORES) PC

4

H6

=105. 42lbmol /h …………………(1)

 N-BUTANO CONSUMIDO: En función de la selectividad. S=

PC

4

H6

FC H +FO 4

10

2

Se sabe que por estequiometria que los moles de O2 son iguales a los a los moles de C 4 H 10 consumido entonces la ecuación (2). S=

Despejamos F C H 4

PC H 4

2 FC

4

6

H 10

10

FC H = 4

10

PC

4

H6

2(S )

… … … … ..(3)

TABLA N°7: Resumen de los cálculos en tablas Lbmol/h COMPONENTE

ALIMENTACION N-BUTANO OXIGENO 165.078 0 0 110.052 0 0 0 0

N-BUTANO OXIGENO BUTADIENO AGUA

PRODUCTO

PURGA

0 0 105.42 0

0 0 0 0

TABLA N°8: Resumen de los cálculos en tablas Lbmol/h COMPONENTE N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO

Lbmol/h Entrada Cons/prod 165.11 -105.65

ENTRADA 9574.524

Lb/h Cons/prod -6127.7

SALIDA 3446.824

0 0

+105.66 2(105.66)

105.66 211.32

0 0

5692.68 3795.12

5692.68 3795.12

110.07

0

4.4

3521.664

-3380.3

140.864

380.82

13096.188

273.13

IV.4.

SALIDA 59.44

Balance de Materia en la columna flash (T-101):

13085.483

V=?

TABLA N°9: Alimentación al COMPONENTE ENTRADA(lbmol/) BUTADIENO 95.79 N-BUTANO 55.36 AGUA 1.05 0.0906 OXIGENO 4.40 Separador Flash Lbmol/h

Zi

0.0525 0.0906 0.0009 0.0042

=0.8218

2.1.

Balance de materia en la columna de FLASH: Asumiendo la separación de butadieno y agua (99.5%): Componente ligero: H2O Componente pesado: butadieno

COMPOSICIÓN EN EL TOPE: y H 0 =0.995 2

x C H =0.005 4

6

COMPOSICIÓN EN EL FONDO: y H O =0.005 2

x C H =0.995( pureza 99.5 %) 4

6

2.1.1. Balance de materia total:

alimentacion=Destilado+ Fondo F=D+ B

F=380.876

kgmol h

380.846=D+B

[1]

2.1.2. Balance parcial respecto a C 4 H 6 x H O F=x H O D+ x H O B 2

2

2

0.05(380.876)=0.995 D+ 0.005 B

[2]

Operando [1] y [2]: D=17031

kgmol h

B=363.53

kgmol h

TABLA N° 10. Resumen de balance de materia en torre de FLASHEO. Especie i

mezcla (kgmol/h)

xi, fracción molar en mezcla

Agua BUTADIENO

50 950

0,05 0.95

producto (kgmol/h ) 17.31 363.53

xi fracción molar de productos 0.005 0.995

Determinación de las temperaturas de alimentación, tope y fondo en la columna de destilación: TR = 50.8°F P = 13 T EB , C H = 4

6

6022.18 −(−28.25) 20.2501−ln P sat C H 4

6

T EB , C H =544.25 K 4

6

T EB , H O= 2

3816.44 −(−46.13) 18.3036−ln Psat C H 4

6

T EB , H O=402.31 K 2

Cálculo de las temperaturas en la primera columna de destilación:  Cálculo de la temperatura de burbuja o temperatura de alimentación (tf)  Asumimos una temperatura inicial de T=470 K.  Elaboramos el siguiente cuadro Componente Agua (1) BUTADIENO(2 )  

xi 0.005

Ki=Pi/P 2.0556

yi=xi Ki 0.1028

0.995

0.1406

0.1336

 

 

0.2364

 Calculamos los valores corregidos (*), hasta que yi = 1. Sí: y 1 1.1028 = y i 0.2364

y ¿1= ¿

y 1=0.4348

y ¿1 0.4348 K = = x1 0.05 ¿ 1

¿

K 1=8.6965 vap¿

¿

P1 =K 1∗P=8.6965 ×5320 vap¿

P1 =46265.5578 ¿

T=

B1 A1−ln P

vap¿ 1

−C 1=

3816.44 −(−46.13)g 18.3036−ln 46265.5578

¿

T =550.854 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:

Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 8.6965 1.1589  

yi=xi Ki 0.4348 1.1009 1.5358

y ¿1=0.2831 ¿

K 1=5.6627 Pvap¿ 1 =30125.5298 T ¿=523.754 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente

xi

Ki=Pi/P

yi=xi Ki

Agua (1) Butadieno (2)  

0.05 0.995  

5.6627 0.6171  

2.8313 0.5862 3.4176

y ¿1=0.8285 ¿

K 1=1.6569 Pvap¿ 1 =8814.9220 T ¿=460.088 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2) Å

xi 0.05 0.995  

Ki=Pi/P 1.6569 0.1028  

yi=xi Ki 0.8285 0.0977 0.9262

¿

y 1=0.8945 K ¿1=1.7890 vap¿

P1 =9517.6487

T ¿=463.560 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior:

Componente Agua (1) Butadieno (2) Å

xi 0.05 0.995  

Ki=Pi/P 1.7890 0.1149  

yi=xi Ki 0.8945 0.1092 1.0037

Por lo tanto: T F =463.56 K

 Cálculo de la temperatura de burbuja o temperatura de fondo (tb):  Asumimos una temperatura inicial de T=500 K.  Elaboramos el siguiente cuadro: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 3.7274 0.3346  

yi=xi Ki 0.0186 0.3330 0.3516

¿

y 1=0.0530 ¿

K 1=10.6016 Pvap¿ 1 =56400.3562 ¿

T =564.431 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente

xi

Ki=Pi/P

yi=xi Ki

Agua (1)

0.005

10.6016

0.0530

Butadieno (2)

0.995

1.5515

1.5438 1.5968

y ¿1=0.0332 K ¿1=6.6393 vap¿

P1 =35321.0455 T ¿=533.458 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)

xi 0.005 0.995

Ki=Pi/P 6.6393 0.7793

yi=xi Ki 0.0332 0.7754 0.8086

y ¿1=0.0411 ¿

K 1=8.2107 Pvap¿ 1 =43680.8944 ¿

T =547.045 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 8.2107 1.0649  

yi=xi Ki 0.0411 1.0596 1.1006

¿

y 1=0.0373 K ¿1=7.4601 vap¿

P1 =39687.9432

T ¿=540.821 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 7.4601 0.9249  

y ¿1=0.0390 K ¿1=7.7909 vap¿

P1 =41447.3941 T ¿=543.618 ° K

yi=xi Ki 0.0373 0.9202 0.9575

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 7.7909 0.9858  

yi=xi Ki 0.0390 0.9808 1.0198

y ¿1=0.0382 ¿

K 1=7.6396 Pvap¿ 1 =40642.7610 ¿

T =542.350 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 7.6396 0.9578  

yi=xi Ki 0.0382 0.9530 0.9912

¿

y 1=0.0385 K ¿1=7.7076 vap¿

P1 =41004.6583

T ¿=542.923 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

xi 0.005 0.995  

Ki=Pi/P 7.7076 0.9703  

Por lo tanto: T B=542.923° K

yi=xi Ki 0.0385 0.9655 1.0040

 Cálculo de la temperatura de rocío o temperatura de tope (td):  Asumimos una temperatura inicial de T=400 K.  Elaboramos el siguiente cuadro: Componente

yi

Ki=Pi/P

xi=yi /Ki

Agua (1) Butadieno (2)  

0.995 0.005  

0.3463 0.0108  

2.8734 0.4632 3.3365

x ¿1=0.8612 K ¿1=1.1554 vap¿

P1 =6146.6814 ¿

T =444.509 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente Agua (1) Butadieno (2)  

yi 0.995 0.005  

Ki=Pi/P 1.1554 0.0610  

xi=yi /Ki 0.8612 0.0819 0.9431

x ¿1=0.9131 K ¿1=1.0897 vap¿

P1 =5797.0491 ¿

T =442.088 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente

yi

Ki=Pi/P

xi=yi /Ki

Agua (1) Butadieno (2)  

0.995 0.005  

1.0897 0.0561  

0.9131 0.0892 1.0023

x ¿1=0.9110

K ¿1=1.0922 vap¿

P1 =5810.3450

T ¿=273.15 ° K

 Con esta temperatura corregida, similarmente elaboramos el cuadro anterior: Componente

yi

Ki=Pi/P

xi=yi /Ki

Agua (1) Butadieno (2)

0.995 0.005

1.0922 0.0563

0.9110 0.0889 0.9999

Por lo tanto: T D =273.15 ° K

IV.5.

2.2.

Balance de Materia en el Absobedor (T-102)

Datos Para La Columna De Absorción P=70.52 psi

2.3.

Datos De Los Componentes. TABLA N° 11. Datos de la alimentación al Absorbedor.

vi , B 59.14 105.42 1.04 4.4

COMPONENTES N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO 2.4.

yi , B 0.3479 0.6201 0.0061 0.0259

Balance De Materia Calculo de la composición del gas pobre(tope) TABLA N° 12. Datos la composición en las corrientes.

COMPONENTES N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO

vi , B

55.336 95.789 1.04 4.4

F abs

Fdest

55.336 95.789 1.04 4.9

3.8040 1.6313 0 0 13.4353

vi ,

0.2881 0.7169 0 0 1

Cantidad de solvente utilizado =100lbmol/h TABLA N° 13. Datos la composición en las corrientes. COMPONENTES

vi , B

x i ,B

N-BUTANO BUTADIENO AGUA OXIGENO ACRILONITRILO

55.336 95.789 1.04 4.4 100 1056.565

0.0524 0.0906 0.0009 0.0042 0.8519 1

IV.6. COLUMNA DE ABSORCION

Componente Componente CCL CCP 0 0 0.993 0 0 0 0 0 0 0.0043 0.993 0.0043

=100lbmol/h

bmol/h

 Cálculo de la volatilidad relativa promedio (prom):  Calculamos la volatilidad relativa del tope (tope), sí: Aplicamos la definición de volatilidad relativa en el tope en función de presiones: ❑tope=

PSAT agua tope P

SAT butadienotope

=

5810.3727 =19.4144 299.2807

 Calculo de la presión de saturación del agua en el tope vap

Pagua tope:

ln PSAT agua = ANTA A −

ANTB A 3816.44 =18.3036− =8.6674 T tope − ANTC A 442.182−46.13 SAT

Pagua =5810.3727 SAT

ln Pbutadieno = ANTA B−

ANTB B 6022.18 =20.2501− =5.7014 T tope−ANTC B 442.182−28.25 SAT

Pbutadieno =299.2807

 Calculamos la volatilidad relativa del fondo (fondo), sí:

SAT

P aguafondo

❑fondo= SAT

Pagua = ANTA A −

P

SAT butadieno fondo

=

41004.8925 =7.9433 5162.1944

ANTB A 3816.44 =18.3036− =10.6214 T fondo− ANTC A 542.923−46.13 SAT

Pagua =41004.8925 SAT

ln Pbutadieno = ANTA B−

ANTBB 6022.18 =20.2501− =8.5491 T fondo− ANTC B 542.923−28.25 SAT

Pbutadieno =5162.1944

 Calculamos la volatilidad relativa promedio (prom), según la ecuación de James Gallagher: ❑ prom=√ ❑tope∗❑fondo=√ 19.4144 ×7.9433 ❑ prom=12.42

 Cálculo del reflujo mínimo (rm):  Según la ecuación de Underwood, cuando la alimentación es un líquido saturado:

( ❑ 1 −1 )[ x −❑ ( 1−x )]

Rm =

xD

prom

A

prom

1−x D A

 Reemplazando la ecuación: 1 1−0.995 −12.42 ( ( 12.42−1 ) [ 0.995 0.05 1−0.05 )]

Rm =

Rm =1.74

 Cálculo del reflujo externo (r): R=1.5× Rm=1.5 ×1.74=2.61

 Cálculo del número mínimo de platos (nm):  Según la ecuación de Fenske, tenemos:

ln Nm=

[( ) ( ) ] xD 1−x R × 1−x D xR ln ❑prom

 Reemplazando la ecuación: ln Nm=

[(

)(

0.995 1−0.005 × 1−0.995 0.005 ln 12.42

)]

N m =4.20=4

 Cálculo del número teórico de platos (nt):  Según la correlación de Guilliland, tenemos:

[ ( ) ]

N T −N m R−R m =0.75 × 1− N T −1 R+1

0.5688

 Reemplazando las ecuaciones:

[ (

N T −4 2.61−1.74 =0.75× 1− N T −1 2.61+1

)

0.5688

]

N T =61.1

 Cálculo del número de platos de equilibrio reales (nr). Sí: N R=

NT n

Y, la eficiencia global de la columna es: n = 0.5 Reemplazando: N R=

61.4 0.5

N R=159.8=160 platos

V. BALANCE DE ENERGIA EN EL PROCESO (ESTADO ESTACIONARIO)

El balance de energía depende principalmente de calcular la capacidad calorífica de cada componente presente en el sistema. La siguiente tabla sirve de referencia para los próximos cálculos del balance energético de la planta.

V.1.

Balance De Energía del Intercambiadores de calor

(HORNOS). V.1.1. HORNO 1 (H-101): T ingreso a.

Tsalida

Balance de energía: Q=W s ∆ H=B ∆ H B

Ingresa al horno un flujo de 165.11 Lbmol/h: N−BUTANO=165.11

(

)

Lbmol C 4 H 10 58 kg C 4 H 10 Lb =9576.38 =3890.18 Kg/h h 1 Lbmol C 4 H 10 h

De tablas obtenemos los valores de ∆ H B y ∆ H : ∆ H =3100.

kJ kg

∆ H N− BUTANO=−6814.8

kJ ∗¿ kg

Reemplazamos en la ecuación para hallar el calor del rehervidor: Q=W s ∆ H=B ∆ H B W s (3100.9

kJ kg kJ )=(3890.18 )(−6814.8 ) kg h kg

W s=8549.38 Q=7159851.679

kg h 6

kJ 10 KJ =7.16 × h h

I.1.1. HORNO 2 (H-102):

T ingreso

Tsalida

b.

Balance de energía: Q=W s ∆ H=B ∆ H B

Ingresa al horno un flujo de 110.07 Lbmol/h: N−BUTANO=110.07

(

)

Lbmol O 4 32 kg O 2 Lb = =3522.24 Kg /h h 1 Lbmol O2 h

De tablas obtenemos los valores de ∆ H B y ∆ H : ∆ H =5200.

kJ kg

∆ H O 2=−1523

kJ kg

Reemplazamos en la ecuación para hallar el calor del rehervidor: Q=W s ∆ H=B ∆ H B W s (5200

kJ kg kJ )=(3522.24 )(1523 ) kg h kg W s=1031.61

Q=103317.254

kg h

kJ 106 KJ =1.03 × h h

V.2.

Balance De Energía del Reactor (R-101). C 4 H 10+O2 →C 4 H 6 +2 H 2 O … …( Ec . de Reaccion)

Cuya entalpia de reacción es de: ∆ H ° R=110.2 KJ /mol de butadieno. Refiriendo la entalpia de reacción a la cantidad de N-BUTANO consumido en lugar de referido a la cantidad de BUTADIENO formado, se tiene que (∆ H ° R=−126.2 KJ /mol) de N-BUTANO. A efectos de cálculo, se considera que en dicho reactor es un proceso reactivo. Se considera el estándar de temperatura en 25°C (298.15 K). También se consideran despreciable las variaciones de energía cinética y potencial, y las perdidas caloríficas. ∆ H=

[∆ H ° R∗X∗F n ] + H total ,salida + H total ,entrada =0 … … …(1) vm

Para poder realizar el balance energético del reactor, será necesario conocer la expresión que relacionen las capacidades caloríficas a presión constante de tres componentes con la temperatura. Dicha expresión viene dada por la ecuación: Cp ( T )= ( a+bT +c T +d T ) 2

3

KJ mol ° C

donde la temperatura viene expresada

en °C y los valores de a,b,c y d se expresan en la siguiente tabla. TABLA N° 14: Parámetros para la estimación de la capacidad calorífica. Compuestos

A

B

C

D

N-BUTANO

9.487

3.313e-1

-1.108e-4

-2.822e-9

OXYGENO

2.811e+1

-3.680e-6

1.746e-5

-1.065e-8

BUTADIENO

-1.687

3.419e-1

-2.340e-4

6.335e-8

AGUA

3.244

1.924e-3

1.055e-5

-3.596e-9

Para cada caso se estimará la capacidad calorífica de cada componente en cada intervalo de temperaturas como la media aritmética de las capacidades caloríficas en dos extremos de intervalo. Se sabe que la temperatura de entrada al reactor debe ser 250°C. Análogamente, las capacidades caloríficas de los componentes de la corriente de salida se

estimaran como la media entre la capacidad calorífica a la temperatura estándar, y el valor de la misma a una temperatura de 773K = 500°C = 931.73 F. Los valores de las capacidades caloríficas promedio se muestran en la tabla a continuación: TABLA 15: Valores de las capacidades calorífica promedio para los diversos componentes. Cp (KJ/mol°C) N-BUTANO OXIGENO BUTADIENO AGUA *10^2 25°C – 5.2575 4.102 8.065 3.5940 620°C 25°C 6.1465 4.562 8.425 3.7280 931.73°C Primero se realizará el balance energético del proceso reactivo. En este caso, la corriente de entrada estará constituida por el reactivo NBUTANO y el OXIGENO, mientras que la corriente de salida estará constituida por los componentes AGUA Y BUTADIENO, productos de la reacción, así como por el N-BUTANO no reaccionado. 600.20°C 165.11 Lbmol/h C4H10 110.07 Lbmol/h O2

X=0.64

T=

59.44 Lbmol/h C4H10 4.4 Lbmol/h O2 105.42 Lbmol/h C4H6 211.33 Lbmol/h H20

Corriente de entrada al reactor: H i , e=C p i ,e∗(T −25 )

Donde las capacidades caloríficas se expresan en KJ/mol°C y las temperaturas en °C. N-BUTANO:

H N−BUTANO , e =5.2775∗10e-2

kJ ∗( 600−25 ) ° C = mol °C

30.3456

KJ/mol. OXIGENO: H OXIGENOe =4.102e-2

kJ ∗( 600−25 ) °C = 23.5865 KJ/mol. mol ° C

Entonces: H i , e=30.3456

KJ Lbmol KJ Lbmol ∗165.44 +23.5865 ∗110.07 mol h mol h H i , e=−1.3428 KJ /h

Corriente de la salida del Reactor: H i , s=C p i ,e∗( T −25 )

Donde las capacidades caloríficas se expresan en KJ/mol°C y las temperaturas en °C. N-BUTANO: H N−BUTANO , s=6.1465∗10e-2 OXIGENO: H OXIGENO , s=4.562e-2

kJ ∗( T −25 ) °C mol ° C

BUTADIENO: H BUTADIENO , s=4.562e-2 AGUA: H AGUA , s=4.562e-2

kJ ∗( T −25 ) ° C mol °C

kJ ∗( T −25 ) ° C mol ° C

kJ ∗(T −25 ) ° C mol ° C

H i , s=( FN −butano∗HN −Butano+ Hoxigeno∗Foxigeno+ Fbutadieno∗Hbutadieno+ Fagua∗Hagua) H i , s=62584∗( T −25 ) KJ /h

Termino de reacción: R=

[ ( ∆ H ° r )∗X∗Fe ] … ..(2) vm

R=

−110.2

Kj ∗0.64∗275.18 Lbmol/h mol =−12.01803674 KJ / h 2

Teniendo en cuenta que el proceso isotérmico entonces: ∆ H=

[ ∆ H ° r∗ X∗Fe ] vm

+ Htotal , salida+ Htotal , entrada

He=R+ Hs −1.3428

KJ KJ 6258∗( T −25 ) KJ =−12.01803674 + h h h T =600 °C

V.3.

INTERCAMBIADOR DE CALOR (E-101)

Calculo de los calores Q1=F 1 C PV 1 (T 1−T C 1) Q2=F 1 H 2 O ∆ H H 2 O

Q3=F 3 C PV 2( T C 1−T 2)

Entonces: QT =Q1+ Q2+Q 3

Hallamos el flujo másico W S=

Calores por etapas.

QT C RP (T WS−T WR)

Q1 ¿ ws C PR (T WS−T 1) Q2=ws C PR (T 1−T 2) Q3=ws C PR (T 2−T WS)

Cálculos de los flujos de alimentación

TABLA 16: Flujo del componente a enfriar. Nombre N-BUTANO OXIGENO

BUTADIENO

AGUA

Temperatura (°F)

80

80

80

80

Presión(psia)

14.5

14.5

14.5

14.5

Flujo molar

59.44lbmol/h

4.4lbmol/h

105.42lbmol/h

211.32lbmol/h

F 1=F3

F 1=380.2344 lbmol /h

Calculo del flujo del componente a enfriar. F 1, agua =210.83lbmol / h

Calculo de energía tesis. ∆ H H 2O =3416.77 J /lbmol ° c

Temperatura de salida del refrigerante. T WS=80 ° F

Con los datos obtenidos calculamos cada uno de los calores. Q1=−201960.7464 kj/h Q2=−3888331.239 kj /h

Q3=−11867.1156 kj/h 7

Q T =−1.44∗10 KJ / h

Calculo del flujo refrigerante. W S=

W S=

QT C RP (T WS−T WR)

−1.44∗107 j/h 34160.77 x(30−10)

W S=6004.1958 lbmol /h

V.4.

COLUMNA DE SEPARACION FLASH (T-101)

La importancia de emplear la columna de separar el Agua de nuestro producto el BUTADIENO.

CONDENSADOR Qc Q

REHERVIDOR Qr

La ecuación fundamental del balance de energía para el separador de Flasheo es: E K + E p +U =Q+W

Donde: Q=∆ H=∑ nsHs−∑ neHs

Y: H 1=¿ 1 Hi 1+¿ 2 Hi 2+¿ 3 Hi 3+ ¿ 4 Hi 4

Donde:

T

Hi=

∫

Cp ( i ) dT +V ∗∆ P

T (ref )

Además: 1= N-BUTANO ; 2= OXIGENO ; 3= BUTADIENO ; 4= AGUA Balance de energía global en la columna: Q=Qc+ Qr

Donde Q= -22.81 *10^6 KJ/mol TABLA 17: Flujo molar del balance de masa y entalpia (25°C, 1 atm).

N-BUTANO OXIGENO

Alimentación (Lbmol/h) (F) (C,bar) ni Hi 54.44 4.4

BUTADIENO AGUA

105.42 211.32

Componente

Fondo (Lbmol/h) (L), (C,bar) ni 0.08 2.87*10^07 0.1317 208.94

Hi

Destilado (Lbmol/h) (D)(C, bar) ni Hi 59.32 4.38 105.5 2.44

Qc=Hd+ Hl−Hv

Calculo de entalpia en el fondo (HL) Para Hd: T= 50.80 F = 10°C y P= 13 PSI. Hl=n 1 L∗H 1 L+n 2 LH 2 L+ n 3 LH 3 L+ n 4 LH 4 L

La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos. 10

HL ( N−BUTANO )=∫ Cp ( N −BUTANO ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ 9.487+3.313∗10 TdT ++ (10.3−1 ) (1.263 )( 3.244 .4256 ) Kj /mol −3

25

HL ( N−BUTANO )=4.2654 KJ /mol 10

HL ( OXIGENO )=∫ Cp ( OXIGENO ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ 2.811e+1 ± 3.680 e ∓ 6 TdT ++ ( 10.3−1 )( 1.263 ) ( 1825.8765 ) Kj / mol 25

HL ( OXIGENO )=2.3654 KJ /mol 10

HL ( BUTADIENO )=∫ Cp ( BUTADIENO ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ −1.687+0.3419 TdT ++ ( 10.3−1 ) (1856.789) Kj /mol 25

HL ( BUTADIENO )=3.1567 KJ /mol 10

HL ( AGUA )=∫ Cp ( AGUA ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ 75.4∗10e-3 T + ( 10.3−1 ) (1825.8765)Kj /mol 25

HL ( AGUA )=8.564 KJ /mol

Entonces reemplazamos: Hl=0.08∗4.26564+ 2.87∗10e-07∗2.3654+0.1317∗3.1465+208.94∗8.564 Hl=2384.078 KJ /h

Calculo de la entalpia de destilado: Para Hd= T= 50.80F = 10°C y P=13 PSI. Hd =n 1 D∗H 1 D+n 2 DH 2 D+ n 3 DH 3 D+ n 4 DH 4 D

La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos. 10

HD ( N −BUTANO )=∫ Cp ( N −BUTANO ) dT +V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ 9.487+3.313∗10 25

−3 TdT

+

+ ( 10.3−1 )( 1.263 )( 3.244 .4256 ) Kj +32540 Kj/mol mol

HD ( N −BUTANO )=1.564 KJ / mol 10

HD ( OXIGENO )=∫ Cp (OXIGENO ) dT +V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ 2.811e+1 ± 3.680 e ∓ 6 TdT ++ ( 10.3−1 )( 1.263 ) ( 1825.8765 ) Kj / mol+ 40556 KJ /mol 25

HD ( OXIGENO )=3.2546 KJ /mol 10

HD ( BUTADIENO )=∫ Cp ( BUTADIENO ) dT +V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ −1.687+0.3419 TdT ++ ( 10.3−1 ) (1856.789) Kj /mol+5642 KJ /mol 25

HD ( BUTADIENO )=5.3654 KJ /mol 10

HD ( AGUA ) =∫ Cp ( AGUA ) dT + V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ 75.4∗10e-3 T + ( 10.3−1 ) (1825.8765)Kj /mol 25

HD ( AGUA ) =3.564 KJ /mol

Entonces reemplazamos: Hd =59.33∗1.564 +4.37∗3.2546+105.5∗5.3654+2.44∗3.564 Hd=681.76 KJ /mol

La entalpia para la alimentación es la misma que del destilado entonces: Hf =( 54.44∗389.4 )+ ( 4.4∗0 ) + ( 105.42∗452 ) + ( 211.32∗325 ) =13757.76

Entonces: Qc=Hd + Hf −Hl Qc=681.76+13757.76−2384.078=12055.442

KJ . mol

En el balance Global: Q=Qc+ Qr −22.81542702

KJ =12055.442 KJ /mol +Qr mol 6

Qr=−0.30∗10 KJ / mol

V.5.

BALANCE DE ENERGIA EN LA COLUMNA DE

ABSORCION (T-102): La importancia de emplear la columna de absorción es la de obtener nuestro producto butadieno con una pureza del 99.5 %.

CONDENSADOR Qc

Q

REHERVIDOR Qr

La ecuación fundamental del balance de energía para el separador de Flasheo es: E K + E p +U =Q+W Donde: Q=∆ H=∑ nsHs−∑ neHs Y: H 1=¿ 1 Hi 1+¿ 2 Hi 2+¿ 3 Hi 3+ ¿ 4 Hi 4 Donde: T

Hi=

∫

Cp ( i ) dT +V ∗∆ P

T (ref )

Además: 1= N-BUTANO ; 2= OXYGENO ; 3= BUTADIENO ; 4= AGUA Balance de energía global en la columna: Q=Qc+ Qr Donde Q= 1.52 *10^6 KJ/mol TABLA 18: Flujo molar del balance de masa y entalpia (25°C, 1 atm).

Componente

Alimentación (Lbmol/h) (C,bar) ni Hi N-BUTANO 59.33 OXIGENO 4.38 BUTADIENO 105.56 AGUA 2.44 Acrylonitrilo 100

Fondo (Lbmol/h) Destilado (F) (L), (C,bar) (Lbmol/h) (D)(C, bar) ni Hi ni Hi 59.07 0.25 0.000 4.38 0.73 104.82 0 2.46 100 0.0000 Qc=Hd+ Hl−Hv

Calculo de entalpia en el fondo (HL) Para Hl: T= 50.80 F = 10°C y P= 70.52 PSI. Hl=n 1 L∗H 1 L+n 2 LH 2 L+ n 3 LH 3 L+ n 4 LH 4 L La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos. 10

HL ( N−BUTANO )=∫ Cp ( N −BUTANO ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ 9.487+3.313∗10 TdT ++ (10.3−1 ) (1.263 )( 3.244 .4256 ) Kj /mol −3

25

HL ( N−BUTANO )=4.2654 KJ /mol 10

HL ( OXIGENO )=∫ Cp ( OXIGENO ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ 2.811e+1 ± 3.680 e ∓ 6 TdT ++ ( 10.3−1 )( 1.263 ) ( 1825.8765 ) Kj / mol 25

HL ( OXIGENO )=2.3654 KJ /mol 10

HL ( BUTADIENO )=∫ Cp ( BUTADIENO ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ −1.687+0.3419 TdT ++ ( 10.3−1 ) (1856.789) Kj /mol 25

HL ( BUTADIENO )=3.1567 KJ /mol 10

HL ( AGUA )=∫ Cp ( AGUA ) dT +V + ∆ P 25

10

¿ ∫ 75.4∗10e-3 T + ( 10.3−1 ) (1825.8765)Kj /mol 25

HL ( AGUA )=8.564 KJ /mol 10

HL ( ACRILONITRILO )=∫ Cp ( ACRILONITRILO ) dT + V +∆ P 25

10

¿ ∫ 0.1265 T + ( 10.3−1 ) (1825.8765) Kj /mol 25

HL ( ACRILONITRILO )=2.3645 KJ /mol

Entonces reemplazamos: Hl=59.07∗4.26564+ 0.00∗0.1317 +0.73∗3.1465+ 0∗8.564+100∗2.3645 Hl=490.72 KJ /h

Calculo de la entalpia de destilado: Para Hd= T= 50.80F = 10°C y P=70.52 PSI. Hd =n 1 D∗H 1 D+n 2 DH 2 D+ n 3 DH 3 D+ n 4 DH 4 D

La entalpia de cada componente se calcula con los calores específicos. 10

HD ( N −BUTANO )=∫ Cp ( N −BUTANO ) dT +V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ 9.487+3.313∗10 25

−3 TdT

+

+ ( 10.3−1 )( 1.263 )( 3.244 .4256 ) Kj +32540 Kj/mol mol

HD ( N −BUTANO )=1.564 KJ / mol 10

HD ( OXIGENO )=∫ Cp (OXIGENO ) dT +V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ 2.811e+1 ± 3.680 e ∓ 6 TdT ++ ( 10.3−1 )( 1.263 ) ( 1825.8765 ) Kj / mol+ 40556 KJ /mol 25

HD ( OXIGENO )=3.2546 KJ /mol 10

HD ( BUTADIENO )=∫ Cp ( BUTADIENO ) dT +V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ −1.687+0.3419 TdT ++ ( 10.3−1 ) (1856.789) Kj /mol+5642 KJ /mol 25

HD ( BUTADIENO )=5.3654 KJ /mol 10

HD ( AGUA ) =∫ Cp ( AGUA ) dT + V + ∆ P+∆ Hv 25

10

¿ ∫ 75.4∗10e-3 T + ( 10.3−1 ) (1825.8765)Kj /mol 25

HD ( AGUA ) =3.564 KJ /mol 10

HD ( ACROLONITRILO )=∫ Cp ( ACRILONITRILO ) dT +V + ∆ P+ ∆ Hv 25

10

¿ ∫ 0.1265 T + 25

( 10.3−1 ) ( 1825.8765 ) Kj + 4254 kJ /mol mol

HD ( ACRILONITRILO ) =6.4524 KJ /mol

Entonces reemplazamos:

Hd=0

Hd=0.25∗1.564+4.38∗3.2546+104.82∗5.3654+2.46∗3.564+ 0.000∗6.4524 Hd =585.81 KJ /mol

La entalpia para la alimentación es la misma que del destilado entonces: Hf =( 59.33∗389.4 ) + ( 4.38∗0 )+ ( 105.56∗452 )+ (2.44∗325 )+ ( 100∗156 )=44246.302 KJ /mol .

Entonces:

Qc=Hd + Hf −Hl

Qc=585.81+ 44246.302−490.72=44341.392

En el balance Global:

Q=Qc+ Qr

1.52∗10

6

KJ =44341.392 KJ /mol+Qr mol 6

Qr=−1.47∗10 KJ / mol

KJ . mol

RESUMEN DEL BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA POR EL METODO CONVENCIONAL.

COMPONENTES

HORNO

HORNO

MEZCLADOR

REACTOR

COMPRESOR

INTERCAMBIADOR

COLUMNA

ABSORBEDOR

(H-101)

(H-102)

(M-101)

(R101)

(C-101)

(E-101)

FLASH

(T-102)

(T-101)

N-BUTANO

Entrada

Salida

Entrada

Salida

165.11

165.11

0

0

0

0

110.07

110.07

0

0

0

0

0

0 165.11

Entrada

Salida

Entrada

salida

Entrada

Salida

Entrada

salida

entrada

Salida

Entrada

FONDO

TOPE

165.11

165.1

59.44

59.44

59.44

59.44

59.44

59.44

59.44

59.44

59.07

0.25

278.18

110.07

110.07

4.4

4.4

4.4

4.4

4.4

4.4

4.4

4.4

0

4.38

0

0

0

0

105.42

105.42

105.42

105.42

105.42

105.42

105.42

105.42

0.7389

104.8

0

0

0

0

0

211.32

211.32

211.32

211.32

211.32

211.32

2.44

2.44

2.44

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

100

100

0

165.11

110.07

110.07

278.18

278.18

380.58

380.58

380.58

380.58

380.58

380.58

380.58

171.7

271.7

162.2489

109.43

(lbmol/h) OXIGENO (lbmol/h) BUTADIENO (lbmol/h) AGUA (lbmol/h) ACRILONITRILO (lbmol/h) TOTAL

COMPONENTES

CORRIENTES DEL BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN CADA UNO POR EL METODO CONVENCIONAL. 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Flujo molar lbmol/h Tem °C Presion psia

165.11

110.07

165.11

110.07

275.18

380.58

380.58

380.58

271.64

209.75

100

109.43

162.2489

3.2 2.9

-56.3 2.9

600 2.9

600 2.9

500 75.5

620 72.52

722.8 15

26.7 14.5

10.4 13

26.66 14.5

10.44 13

-92.2 70.52

47.99 70.52

N-butano

165.11

0

165.11

0

165.11

59.44

59.44

59.44

59.32

0.08

0

0.25

59.07

Oxigeno

0

110.07

0

110.07

110.07

4.4

4.4

4.4

4.38

0

4.38

0

Butadieno

0

0

0

0

0

105.42

105.42

105..42

105.5

2.87*10^7 0.7

0

104.8

0.7389

Agua Acrilonitrilo

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

211.32 0

211.32 0

211.32 0

2.44 0

208.94 0

0 100

0 0

2.44 100

VI. SIMULACION DEL PROCESO 1. Luego de haber instalado el programa de CHEMCAD, abrir el icono en el escritorio y aparecerá la siguiente ventana.

2. Hacer doble clic en el icono y se abrirá en CHEMCAD.

3. Elegir los componentes que van a intervenir en el proceso: N-BUTANO, Oxigeno, 1,3- Butadieno, Agua. Hacemos clic en en Thermophysical y en sus Barras de Select Componentes; buscamos el nombre del componente en la base de datos y damos clic en Add.7

4. Elegimos el rango de temperatura y presiones a los que trabaja el proceso de producción de BUTADIENE.

5. Utilizamos en el Global K value Model por el método de SRK; ya que nuestros reactantes y productos son en fase gaseosa.

6. Buscamos en el Palette al lado Izquierdos el Equipo que usaremos para realizar el Diagrama de Procesos.

7. Seleccionaremos los equipos que vamos a seleccionar en el proceso de la obtención del Butadieno a partir del N-Butano.

7.1.

ALIMENTACION: Seleccionamos en el Pallete de equipos el icono de alimentación.

7.2.

INTERCAMBIADOR

DE

CALOR

(HORNO)

N-BUTANO

Seleccionamos dentro de la pestaña de Heat Exchanger el icono del Horno para llevarlo después a la hoja de trabajo.

Para la unión entre la alimentación y el equipo, hacemos clic en la opción All UniOps y escogemos el icono de STREAMS.

Hacemos clic en la línea (1) de la alimentación para llenar nuestras condiciones.

Llenamos nuestras condiciones de alimentación y el flujo de alimentación del N-BUTANO para la obtención del BUTADIENO. T= 37.78 F= 100°C P= 2.9 PSI = 0.2 bar. FN-BUTANO= 165.11 Lbmol/h.

7.3.

INTERCAMBIADOR

DE

CALOR

(HORNO)

OXIGENO:

Seleccionamos dentro de la pestaña de Heat Exchanger el icono del Horno para llevarlo después a la hoja de trabajo.

Para la unión entre la alimentación y el equipo, hacemos clic en la opción All UniOps y escogemos el icono de STREAMS.

Hacemos clic en la línea (2) de la alimentación para llenar nuestras condiciones.

Llenamos nuestras condiciones de alimentación y el flujo de alimentación del OXIGENO para la obtención del BUTADIENO. T= -69.36 F= -57.31°C P= 2.9 PSI = 0.2 bar. FO2= 110.07 Lbmol/h.

De los hornos se pretenden que salgan a una T= 112 F

7.4. MEZCLADOR DE GASES: Dentro del palette en la opción de All UniOps seleccionamos el icono de Mixer, hacemos clic encima de ello y lo llevamos a la hoja de trabajo.

Para unir las corrientes de los Hornos de alimentación con el equipo mezclador usamos la línea de STREAM; que seleccionamos en la pestaña de All UniOps.

Insertaremos las condiciones de operación del mezclador: P= 72.52 PSIA = 5 bar

7.5. REACTOR CINETICO: Para el proceso usaremos un reactor cinético de tipo PFR. Hacemos CLIC en la opción de REACTORS, dentro de ellos escogemos el Icono del Reactor Cinético, y lo arrastramos hacia la hoja de trabajo.

Para unir las corrientes del mezclador con el Reactor Cinético, haremos uso de la línea de STREAM; que seleccionamos en la pestaña de All UniOps.

Haremos CLIC en el ICONO de reactor para insertar las condiciones de operación para el reactor de Tipo Cinético. ECUACION 1: C 4 H 10+O2 →C 4 H 6 +2 H 2 O … …( Ec . de Reaccion)

P = 2.9 PSI = 0.2 bar Velocidad de Reacción: 30.83*10^-3 Energia de Activacion : 148.5 KJ/mol. T= 773 K = 931.73 F Conversion = 0.64

7.6.

COMPRESOR: Utilizaremos un compresor, seleccionaremos dentro del Palette la opción de Piping and Flow en el Icono Compresor.

Para unir las corrientes del reactor con el compresor, hacemos uso del STREAM para unir las corrientes.

Hacemos CLIC en el Compresor para poder ingresar las condiciones de operación necesarios. P = 15 PSI Eficiencia : 0.5

7.7.

CONDENSADOR: Seleccionaremos dentro del Palette la opción de HEAT EXCHANGER en el Icono del Condensador.

Hacemos el uso del icono STREM de nuevo para unir las corrientes salientes del compresor hacia el condensador.

Hacemos CLIC encima del condensador e indicamos la caída de presión del condensador, además de la temperatura de salida en la corriente 8. Caida de presión = 0.5 PSI Tsalida = 80F

7.8.

SEPARADOR FLASH. Para el uso del separador FLASH buscamos en el Palette la opción de Separators, Hacemos Clic en el Icono de FLASH y luego arrastramos el icono a la hoja de Trabajo.

Para la unión de las corrientes seleccionamos en el palette All UNIOps y dentro de ellos la opción de STREAM.

Hacemos CLIC en nuestro separador FLASH para ingresar las condiciones de operación del Separador FLASh, en la primera opción escogeremos Insertar temperatura y Presion.

Las condiciones de Operación es de una T = 50.8 F y una P= 13 PSI.

7.9. COLUMNA DE SEPARACION (SHORT CUT). Finalmente, para separar el Butadieno

utilizaremos

una

columna

estabilizadora.

Se

ingresa

nuevamente al Plette escogemos en la opción SEPARATORS, el icono de SHORTCUT.

Uniremos las corrientes de salida del Separador FLASH con las de la columna de separación, mediante el uso de STREAM.

Para la salidas del fondo del separador FLASH, haremos CLIC en el Palette dentro de All UniOps en el Icono de Product y con la ayuda de STREAM uniremos las corriente de salida.

Hacemos CLIC sobre la columna de separación para indicar las condiciones a las que trabajara, en la selección del modo escogeremos la segunda opción.

Ingresaremos la presión a la que va trabajara la columna de separación, P=70.52 PSI; La relación entre reflujos R/Rmin= 1.5 y los contenidos del componente clave ligero y el clave pesado CCL = BUTADIENO (0.993), CCP=N-BUTANO(0.0043).

Las corrientes de salida de la columna de separación la hacemos de nuevo con el Icono de PRODUCTS que se encuentra en la opción de AllUniOps en el Pallete y los unimos con STREAM.

8. CORRIDA TOTAL DEL PROGRAMA: Para la poner a correr a nuestro programa, hacemos CLIC en la opción RUN , dentro de ello en Run nuevamente y por ultimo Run All.

9. REPORTE FINAL. Para obtener una copia de cualquier tipo, usar la opción Format, y dentro de ellos escogeremos Add Stream Box.

Después de ello hacemos clic y nos aparecerá una ventana de anuncio, poner OK.

Seleccionaremos lo que deseamos que se muestre en nuestra tabla de resultados.

Seleccionaremos nuestro principal compuesto a producir y luego OK.

Escogeremos la orientación del reporte en Horizontal

Finalmente, nos da el resultado de la simulación en cuadro general.

VII RESULTADOS

7.1. RESULTADO DEL METODO CONVENCIONAL:

COMPONENTES

CORRIENTES DEL BALANCE DE MASA Y ENERGIA EN CADA UNO POR EL METODO CONVENCIONAL. 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Flujo molar lbmol/h Tem °C Presion psia

165.11

110.07

165.11

110.07

275.18

380.58

380.58

380.58

271.64

209.75

109.43

162.248 9

3.2 2.9

-56.3 2.9

600 2.9

600 2.9

500 75.5

620 72.52

722.8 15

26.7 14.5

10.4 13

26.66 14.5

-92.2 70.52

47.99 70.52

N-butano

165.11

0

165.11

0

165.11

59.44

59.44

59.44

59.32

0.08

0.25

59.07

Oxigeno

0

110.07

0

110.07

110.07

4.4

4.4

4.4

4.38

4.38

0

Butadieno

0

0

0

0

0

105.42

105.42

105..42

105.5

2.87*10^7 0.7

104.8

0.7389

Agua Acrilonitrilo

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

211.32 0

211.32 0

211.32 0

2.44 100

208.94 0

0 0

2.44 100

7.2. RESULTADO EN EL SOFTWARE CHEMCAD

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En el presente informe se hizo los cálculos del balance de materia para cada uno de los equipos que se utilizó para la obtención del butadieno a partir del nbutano teniendo así como resumen de todo los balances en ella se puede apreciar que hasta el equipo del mezclador no existe acumulación ahora los flujos de los componentes que salen del reactor si varían y son los siguientes: N-butano=59.44; Oxigeno=4.4; Butadieno =165.42; Agua=211.32 todos estos componentes están a (en lb mol/h).según estos resultados se puede observar que lo que deseamos obtener que es el butadieno es que está saliendo en mayor cantidad claro eso es correcto, ahora pero también en nuestro proceso también se utiliza un compresor para bajar nuestra presión en este proceso no interviene la acumulación de materia, seguido de eso pasa a un condensador para bajar nuestra temperatura al igual que en el anterior también no ocurre acumulación

de

materia

ahora

todos

nuestros

componentes

de

n-

butano,oxigeno,butadieno,agua pasa a una columna de flasheo para separar al agua de todos estos componentes y la cantidad de lbmol/h a la que salen los componentes en el tope son: N-butano=59.44; Oxigeno=4.4; Butadieno =165.42; Agua=2.2 bueno lo que queríamos separa era el agua asi que la mayor parte del agua se fue al fondo que salió a mayor cantidad porque en el tope ya sale como vapor de agua pero en mínima cantidad. Lo cual se puede apreciar en el cuadro de resumen de balance de materia. Al igual que el balance de materia también se puede apreciar para cada equipo su balance de energía por el método convencional y tenemos como resultado en el siguiente cuadro. Aquí se observa los calores que salen de cada equipo sus unidades están en KJ/mol. Todos estos resultados también se pueden observar al realizar la programación con el software CHEMCAD,y comparamos que los resultados obtenidos con el 82

método convencional si guardan relación con la simulación realizada de nuestro proceso y solo varia en decimales. 8.1.

RESULTADO DEL BALANCE DE ENERGIA POR EL MÉTODO CONVENCIONAL

TABLA N°18. Resultados del balance energía en cada equipo. EQUIPO

BALANCE

DE

ENERGIA

(KJ/mol)

Intercambiador de calor E-101

-25.392809946

Reactor R-101

-14.869661771

columna de flash T-101

1.5169593

Absorbedor T-102

3.556825391

83

IX. CONCLUSIONES  Se simuló en estado estacionario el proceso de obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano utilizando el software CHEMCAD.  Se calculó por el método convencional el balance de materia en cada componente en el proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano obteniéndose como resultados (en lbmol/h).Nbutano=59.44;Oxigeno=4.4;Butadieno =165.42;Agua=211.32,con un total de masa que sale es de 380.58lbmol/h..  Se calculó por el método convencional el balance de energía en cada componente del proceso de obtención del oxideshidrogenación catalítica del n-butano obteniéndose como resultado: Intercambiador de calor E-101=-25.392809946; Reactor R-101=-14.869661771; columna de flash T-101=1.5169593 y en el Absorbedor T102=3.556825391.  Se construyó el diagrama de flujo del proceso para la obtención del butadieno por medio del proceso de oxideshidrogenación catalítica del n-butano.  Se realizó la simulación para la obtención de butadieno a partir del N-Butano en el software de CHEMCAD donde se obtuvo los resultados de la simulación. Los cuales se compararon con los datos obtenidos convencionalmente del balance de materia y energía. Se concluye que los resultados del método convencional y con la ayuda de software son parecidos, y solo varían en decimales.

84

IX. BIBLIOGRAFIA

Alan David, M. (2008). The application of the attainable region concept to the oxidative dehydrogenation of n-butanes in inert porous membrane reactors. Johannesburg: university of the witwatersrand. Bhattacharyya, S. K. (1992). Oxidative Dehydrogenation Of N-Butane To Butadiene . Elsevier Science Publishers B.V,Amsterdam, 29-43. Bossi, M. (2001). Manual de software chemcad ing. Rubén quispe barrientos  . David Juarez, R. B. (2013). Estudio y análisis de los polimeros derivados del estireno-butadieno. 3 ciencias, 9-10. Esbure, J. (2008). Aplication of the attainable region concep to tha oxidative deshydrogenacion of n-butane . Fajen, l. D. (s.f.). Industria del caucho. Fogler., S. (2001). Elementos de ingeniería de reacciones químicas. Tercera edición. Herrera, M. I. (2016). Ingenieria basic de una planta de produccion de butadieno a partir de la deshidrogenacion de n-butanos. Sevilla, españa. Jesus Cabel, M. (1991). Química industrial y procesos industriales Lucia, P. S. (2015). Diseño de una planta de deshidrogenacion catalitica para la produccion del butadieno. Lima: universidad nacional del callao. Morrai, D. (2002). Reactor CSTR. Mexico . Ness., S. &. (1987). Introduction to chemical engineering thermodynamics. Mcgraw-hill book CO. INC., . New york . Pissani Solar Carmen, L. (2015). "Diseño de una planta de deshidrogenación catalítica para la producción de butadieno". Lima: universidad nacional del callao. 85

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86

X. ANEXOS

DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO

87

DIAGRAMA DE FLUJO DEL SOFTWARE DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO

88

DIAGRAMA DE FLUJOS DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL N-BUTANO

89

DIAGRAMA DE CONDICIONES DE OPERACION DE LA OBTENCION DEL BUTADIENO A PARTIR DEL NBUTANO

90