Reactores y separacionesDiseo de ProyectoProduccin de anhdrido ftlico

Continuamos nuestra evaluacin de alternativas de proceso para la produccin de anhdrido ftlico por oxidacin cataltica de o-xileno. En este sentido estamos solicitando a JrDes Co., Inc., para participar en un estudio para evaluar varias alternativas de proceso ms en las secciones del proceso de separacin y reactor. En las siguientes pginas se describen los detalles especficos de su asignacin. Sin embargo, el objetivo principal de este proyecto es preparar un optimizado diseo preliminar de una planta que produce 80.000 TM/ao de anhdrido ftlico (99,5% en peso) utilizando esencialmente o-xileno puro como alimentacin. Con el fin de "optimizar" es necesario utilizar una funcin objetivo. El valor de CPH en la siguiente ecuacin debe utilizarse como la funcin objetivo para este proyecto:

(Anhdrido ftlico por ao [Kg] ) (CPH [$/Kg]) = (0.3) (4) {Costo del equipo adquirido [$]} + Costo de utilidad anual [$] + Costo anual de materiales [$] Costo anual por subproductos [$] Crdito anual por combustible gas y vapor [$]

La ecuacin anterior para estimar el costo de anhdrido ftlico, CPH [$/ kg], se basa en el precio que el anhdrido ftlico tendra que ser vendido en orden para el proceso de "equilibrio", claramente su diseo debe tratar de minimizar este "precio inflacin neutrales". Te dars cuenta que el primer trmino en el lado derecho contiene dos constantes, 0.3 y 4. La segunda constante (4) se utiliza para convertir el costo total de equipos adquiridos para el costo total de equipos instalados o el costo de construccin de la planta. La primera constante (0,3) convierte en un tiempo el costo de construccin de la planta a un costo de operacin anual equivalente. La conversin de una sola vez del costo a el costo anual equivalente se denomina amortizacin (estos detalles econmicos se cubrirn en detalle en el ChE 182/3).

Detallada el equipo las estimaciones son slo para las secciones del reactor y la separacin del proceso. Todos los equipos pueden ser de un tamao ms o menos y criterios de diseo y estimacin de los gastos son proporcionados en el Apndice I y II del presente memorando. Los costos de los servicios pblicos, materias primas, residuos tratamiento, subproducto, combustible y vapor los crditos se dan en el Apndice III. A continuacin se proporcionan explicaciones detalladas de las secciones del reactor y la separacin. Un diagrama de flujo de proceso preliminar (PFD) para este proceso, figura 1, se proporciona para fines de referencia. Este diagrama de flujo sirve slo como punto de partida y para facilitar las discusiones sobre la estrategia de proceso. El PFD optimizado (es decir, el uno corresponde a un precio mnimo para el anhdrido ftlico) probablemente ser diferente de la que se muestra aqu.

Descripcin del proceso

El proceso bsico consiste en mezclar un chorro de orto-xileno vaporizado con aire comprimido y alimenta luego esta corriente en una estufa de lea y entonces en un reactor cataltico. El reactor opera en el rango de temperatura de 300 a 400 C y en el rango de presin de 1 a 3 bar. La reaccin es altamente exotrmica y la corriente del gas de reaccin debe ser enfriada en el reactor para evitar temperaturas excesivas y una carrera a reaccin. Este enfriamiento se logra colocando el catalizador en los tubos y pasar de un medio de enfriamiento (sal fundida) en el exterior de los tubos con los gases de reaccin pasa en el interior de los tubos sobre el catalizador. Esta configuracin es similar a un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Un esquema alternativo es operar el reactor como un estrato fluidificado donde el catalizador compone de la cama y tubos de transferencia de calor, con el refrigerante que fluye dentro de los tubos, pasan por la cama para quitar el calor de reaccin. El flujo de proceso que contiene el xileno y el aire pasa hacia arriba a travs de la cama y causar los slidos a fluidificar. Debido a la posibilidad de una explosin es comn para ajustar la concentracin de entrada en el reactor que fuera de los lmites explosivos, informacin sobre la configuracin de reactor y esto se da en el apndice V. La corriente de salida del reactor es enfriada rpidamente en uno o ms intercambiadores de calor antes de ser enviados a los condensadores del interruptor. Estos condensadores utilizan un proceso cclico para separar la materia orgnica condenseable (99% de recuperacin) de los gases no condenseable y se discuten ms detalladamente en el Apndice VI. La materia orgnica, que contiene ftlico y anhdridos maleicas y cualquier xileno son alimentados a dos columnas de destilacin para recuperar los productos, que luego se envan a almacenamiento de informacin. Cualquier xileno puede ser reciclado en el extremo delantero del proceso. i seccin separacionesDebido a los altos puntos de ebullicin de los productos, la seccin de separacin se utiliza a menudo bajo vaco. Esto es necesario para evitar el uso de un calentador de lea para hervir las Torres (y para evitar posibles reacciones de craqueo en las temperaturas ms altas). Al especificar la seccin separaciones debern proporcionar la siguiente informacin:

Presin de funcionamiento (que determina las temperaturas de funcionamiento)Relacin de reflujo (que afecta el tamao del condensador, caldera, los costos de utilidad para el dimetro de la torre)Tipo de funcionamiento interno (bandejas o embalaje)Nmero de etapas tericas y realesEspaciamiento de bandeja (si se utilizan bandejas)Altura y dimetro de la columna

(ii) seccin de la reaccinLa principal reaccin de inters es la oxidacin parcial de cumeno para producir anhdrido ftlico:

Esta reaccin puede llevarse a cabo con catalizador heterogneo (utilizando un catalizador slido). Tenemos informacin sobre un nuevo catalizador propietario que nos gustara utilizar (vase apndice V). Los tipos de reactor que debera considerar son una lecho empacado y un lecho fluidizado. Para un diseo de lecho fluidizado la temperatura del reactor de lecho puede ser asumida para ser isotrmicos (es decir, los slidos estn bien mezclados). No importa de qu configuracin de reactor se utiliza la formacin de subproductos no puede ser ayuda. Usando el catalizador mencionado eliminamos la mayora de los subproductos ms notable excepcin es el anhdrido maleico. Anhdrido maleico es producido por la reaccin siguiente:

Adems, o-xileno y ambos anhdridos pueden ser oxidados para dar dixido de carbono y agua. En anexo V se dan una descripcin completa de la cintica de la reaccin incluyendo tarifa de datos.

Consejos para resolver el problemaDespus de haber ledo la declaracin del problema debe ser claro que hay muchas opciones disponibles para usted. Es tentador para saltar a la derecha en y empezar a optimizar las cosas pero esto es un error. Se recomienda que lo primero que haces es establecer un "caso base". Esto debe consistir en el proceso ms simple que es tcnicamente factible y un buen caso base sera uno basado en el PDF suministrado. Este caso debe establecer el balance de materia y energa usando ChemCad y hacer los clculos necesarios para estimar el tamao de todos los equipos principales y los costos de materias primas, servicios pblicos y crditos. Utilizando toda esta informacin se puede calcular el precio de inflacin neutrales de anhdrido ftlico para este caso base. Una vez que el caso base se ha establecido puede centrarse en la optimizacin del proceso. El propsito de la optimizacin es reducir (minimizar) el precio de inflacin neutrales de anhdrido ftlico. Con la economa por el caso base, debe ser capaz de concentrarse en las reas importantes para la optimizacin y establecer las variables de decisin importante. Buena suerte con tu tarea

APNDICE ICriterios de diseo para todo el equipoIntercambiadores de calorUtilice los siguientes coeficientes de transferencia de calor globalBTU/h-.ft2. F W/m2. Kvapor de condensacin al hervir lquido 250 1420condensacin de vapor de lquido que fluye150850condensacin de vapor a fluir gas 20115flujo del lquido en ebullicin150850fluido lquido a fluido lquido 50 280fluido lquido a fluido lquido 20 115fluido gas a fluido gas10 58Asume eficiencia de intercambiador del 100%, es decir, F= 1.00

Horno de precalentador de la alimentacin del reactorAsumen una eficacia termal total del horno = 0,90 o 90%ejemplo: Si el deber requerido para calentar el reactor de alimentacin es de 500 kW y el tamao requerido del horno = 500/0,9 = 556 kW y el combustible necesario deben basarse en un deber de 556 kW.

BombasSuponer una eficiencia global de 0.75 o 75%Uso de impulsiones elctricas.Cada bomba debe tener un repuesto.

CompresoresTodos los compresores son utilizar impulsiones elctricasSuponer una eficiencia total de 0.70 70%Cociente de la presin mxima para una sola etapa es 3. De mltiples etapas con interenfriadores, la relacin de compresin en cada etapa debe ser igual.

TanquesNo hay tanques de almacenamiento deben dimensionarse. Todos los flash tambores y tambores basculantes reflujo deben precio como recipientes. Fuera de las instalaciones las necesidades de almacenamiento no deben considerarse para este diseo.

Recipientes (tambores flash y batera de reflujo)Tambores de reflujo1. reflujo tambores deben tener una capacidad total equivalente a 10 minutos de flujo lquido del tambor.ejemplo: si total condensado lquido a un tambor de reflujo es 0.05 m3/s y el tamborla capacidad debe ser (0.05)(60)(10) = 30 m32. para el reflujo tambores utilizan recipientes horizontales con un L/D (longitud al cociente del dimetro) igual a 3.0

Flash o separadores de lquido/Vapor1. Utilice recipientes verticales con L/D de 2.5 a 5.02. Utilice un lquido sostener de 10 minutos, es decir, mismo volumen en cuanto a la batera de reflujo.3. velocidad de gas en el separador = v donde m/s

4

Nota: el tamao del recipiente debe basarse en el valor lmite de 2 o 3 anteriores.

Tuberas y vlvulasLos costos de tubera y vlvulas estn incluidos en el factor 4 para convertir los costos adquiridos a costos instalados. No necesita un tamao de tuberas ni vlvulas.

Torres de destilacinVase el apndice IV

Reactores deVase el apndice V

APNDICE IICosto compra de equiposTodos los precios de equipos son de acero al carbono o material apropiado de construccin.Equipo adquirido Factores de presin para todo el equipo (a que indique lo contrario) Intercambiadores de calor $ 1.600 [m2]0,7 < 10 atm = 1.0Hornos $ 70.000 [MW]0.8 10-20 atm = 1.6Bombas$ 750 [kW]0,7 atm 20-40 = 3.0Compresores $ 1900 [kW]0.8 > 40 atm = 5.0

Vasos (verticales y horizontales)

el rango de aplicabilidad de la ecuacin anterior esC < 4,0 p, L/D < 20, 1 atm < P < 400 atmejemplo: Cul es el costo adquirido de un buque que tiene un dimetro de 2 m, 10 m de altura y funciona a 50 atm. A = 0.75+0.42(0.96+0.041(50)-8.3x10-6(50)2 = 2.01 B = 3.17+0.2(2)+0.5log(10)+0.2log(100) = 4.47compra costo = Ax10B = 2.01 x 104.47 = $ 59.300

Funcionamiento interno de la naveCosto de bandejas (vlvula o tamiz) = $ 200 + 30 D + 71D2 d < 4,0 mejemplo: Cul es el costo de la 1 bandeja 3 m de dimetro? C = 200+30(3)+71(9) = $929Costo de embalaje = 10{1,88 + 0,91 D-0,099 D * D}[Lp0,89] d < 4,0 mejemplo: Cul es el costo de embalaje para una columna de dimetro de 1,5 m con una seccin llena de 20 m de altura?C = 10{1.88+0.91(1.5)-.099(2.25)}[200,89]= $ 15.140

ReactorPara todos los reactores que contienen superficies de transferencia de calor el costo de la superficie de transferencia de calor (asumido para ser igual a la dada para intercambiadores de calor en este apndice) deben aadirse a los costes del buque dados abajo.Reactor de lecho empacadoPara un reactor de lecho empacado usar 1,25 veces el coste de un intercambiador de calor con la misma superficie de transferencia de calor como el reactor. El factor 1.25 tendr en cuenta el coste aadido de componentes internos, instrumental y muestra los puertos etc.

Lecho fluidizadoPara un reactor de lecho fluidizado use 1.7 veces el costo de un buque con las mismas dimensiones que el reactor. El factor de 1.7 refleja la naturaleza ms complicada de lechos fluidizados.El volumen del reactor es igual a 1,25 veces el volumen de los slidos (material de relleno y catalizador). Este volumen adicional se proporciona para permitir de desenganche de gas y slidos sobre la cama.El costo y las propiedades fsicas del material de relleno (si es necesario) son los mismos que el catalizador. De hecho, este material es simplemente el slido apoyo al que se depositan los metales catalticos.

APNDICE IIICostos de materias primasComposicin presintemperaturaprecio/costoO-xileno ~ 100% 1,0 bar 25 C $ 0,35/kg

Costo de los servicios pblicos Disponible disponible precio/costoPresin temperaturaGas natural 4 bar 25oC $ 0,085 / std m3Vapor de baja presin 4 barvap sat $ 6,62/1000 kgVapor de mediana presin11 barvap sat$ 7,31/1000 kgVapor de alta presin41 barvap sat$ 8,65/1000 kgElectricidad $ 0,06 / kWhAgua de aliment. Caliente 4 bar 100oC $ 2,54/m3 Condensado de retorno (crdito) $ 2,54/m3Agua de enfriamiento5 bar 30oC$ 6,70/1000 m3Agua de enfriam. retorno 3 bar 40oC Agua de refrigeracin5 bar 5oC $ 10,00/100 m3Agua de refrig. Retorno3 bar 15oC

* Agua de enfriamiento y agua refrigerada costos reflejan el hecho de que un aumento de temperatura de 10oC es asumida por la corriente. En el siguiente ejemplo ilustra el uso de estos costos:ejemplo: Cul es el costo de operacin anual para un intercambiador de calor con una resistencia de 50 kWusando agua de enfriamiento?masa de enfriamiento agua req = Q/Cp/ T = 50000/4200/10 = 1.19 kg/svolumen de agua de enfriamiento = M / = 1.19/1000 = 1.19 x 10-3 m3/scosto de agua de enfriamiento = (1.19x10-3)(3600)(24)(350)(6.70)/(1000)= $ 241 por ao

Costo de tratamiento de aire : tratamiento de aire de $/m3 = 10-4(0.5 + 1000xo)xo = fraccin de materia orgnica en corriente "aire sucio"

Crditos de subproductosAnhdrido maleico (99,5% en peso) $ 0,95/kgVapor producido exceso (barra 4 y 11) $ 3.00/1000kde requerimientos internos (41 bar) $ 5,00/1000 kgCombustible Gas o lquido superior a requisitos internos $ 1.50/109J

APNDICE IV

Directrices de diseo para columnas de destilacinColumnas de la bandeja (bandejas de tamiz o vlvula) Eficiencia global de la columna, E : Esto puede calcularse utilizando el grfico adjunto.Nota: la coordenada x en el grfico es el producto de la viscosidad del lquido y la volatilidad relativa de los componentes clave. Deben revisarse las condiciones en la parte superior e inferior de la columna y debe utilizarse un valor medio de estas dos eficiencias.

Bandeja de separacin e inundaciones criterios: Debe utilizar mtodos establecidos para calcular las condiciones de inundacin para un espacio dado de la bandeja. Se debe disear la columna basada en una velocidad del gas igual al 80% de la exigida para las inundaciones.

Columnas llenasAltura equivalente de un plato terico, HETP : Puede asumir un valor HETP de 2 pies para este diseo.

Criterios de inundaciones: Debe asumir una velocidad de vapor equivalente a 70% de que en las inundaciones. Debe especificar el tipo de embalaje uso (e.g. 1" anillos rashig o 2 monturas Berl etc.) y el factor apropiado embalaje.

APNDICE V

Datos de diseo del reactorLa catlisis y la reaccin de grupo de Ingeniera ha obtenido informacin cintica con respecto al o-xileno a reaccin de anhdrido ftlico. Adems, se produce la reaccin de combustin completa por cada componente orgnico. La red de reaccin se da a continuacin. Como se puede ver, una gran ventaja de nuestro catalizador es que esencialmente se elimina la formacin de CO y ninguna impureza pesada se hace.

El catalizador debe operar entre 300 C y 400 C y a presiones entre 1 atm y 3 atm. En este rango, las cinticas son las siguientes: (presiones parciales en atmsferas, r en kmol-h-1 (kg de catalizador)-1, k0 = kmol-h-1(kg de catalizador)-1atm-2, R = 1,987 cal/K mol, y T est en K)

El lmite inferior de inflamabilidad de o-xileno en aire es 1 mol %, y el lmite superior de inflamabilidad es el 6% de mol. Por razones de seguridad, es necesario que las condiciones del proceso no estn dentro de estos lmites. Tambin es necesario que el contenido de o-xileno del reactor nunca exceda 10% de la composicin molar, porque si se excede ese lmite, el catalizador ya no opera en la selectividad deseada, la reaccin podra convertirse en carente de oxgeno, formando cantidades significativas de CO y otros no deseados derivados.

En este momento, estamos seguros que si un reactor de lecho empacado (tipo de carcasa y tubo--modelado como PFR) o un reactor de lecho fluidizado (modelado como una isotrmica embalado de la cama) es la mejor opcin. De la cscara y del tubo lleno de cama, sera el catalizador en los tubos. Debemos creer comosea, que el dimetro del tubo exceda un pie laconfiguracin de la carcasa y tubos, y no permitira una rpida y suficiente remocin de calor, causando prdidas de calor insignificantes y dao subsecuente al catalizador.

Para un lecho fluidizado, se pueden suponer los siguientes datos:partcula esfrica de catalizador, dimetro dp = 300 mdensidad de la partcula de catalizador cat = 1600 kg/m3 fraccin de vaco en fluidificacin mnima mf = 0.50coeficiente de transferencia de calor de lecho fluidizado para tubo pared h = 300 W/m 2 Creactor debe funcionar entre 2u MF y 5u MF para u MF , use la correlacin de Wen y Yu:

7donde g es la densidad del gas en el lecho fluidizado (en condiciones normales) y s es la densidad de la partcula de catalizador slido (llamado cat arriba).Para lecho empacado de carcasa y de tubo, pueden asumirse los siguientes datos:dimetro de partcula de catalizador d p = 3 mmdensidad de la partcula de catalizador cat = 1600 kg/m3 fraccin de vaco =0.50coeficiente de transferencia de calor de lecho empacado para tubo pared h = 60 W/m 2 Cutilizar diseos de hoja de tubo estndar en cuanto a un intercambiador de calordimetro de carcasa es una funcin de las caractersticas de transferencia de calor y las prdidas por friccin}

El costo del catalizador (para cualquier tamao de partcula) es de $ 1,00/kg.Se prev que en un circuito cerrado se utilizar un fluido de transferencia de calor para quitar el calor altamente exotrmico de la reaccin de cualquier tipo de reactor. Esperamos que todo el vapor alta presin excedente hecho pueda venderse en otros lugares en la planta, para un crdito de $ 5,00/1000 kg.

APNDICE VIDatos Miscelneos(1) usted puede asumir que las gotas de presin siguientes pueden utilizarse para el equipo en su diseo de:Intercambiadores de calor 0,3 bar para tubo y barra 0.14 para el lado de la cscaraProceso de buques (excepto Torres) 0.14 bar Calentadores (hornos) de 0,3 barTubera asumir cero gota de presin entre cada pieza de equipoTorres para calcularReactores para calcular(2) Usted debe asumir que cualquier gas combustible generado o utilizado en el sitio debe ser provedo a una presin mnima de 2 bar. Esto proporcionar una presin adecuada para promover la buena mezcla en inyectores de quemador etc. y para superar las prdidas por friccin. Cambiar condensadoresSe trata de un complejo conjunto de tres condensadores. Debido a la baja presin parcial de anhdrido ftlico en la corriente, que se sublima en lugar de condensa. Por lo tanto, se enfra el flujo de proceso utilizando un aceite de baja temperatura en tubos para promover la sublimacin. Entonces, despus de slido se carga en la superficie de transferencia de calor, flujo de gas para este condensador se detiene y aceite temperatura superior se distribuye en los tubos para fundir el slido. Hay tres tales dispositivos, que funciona en modo de la sublimacin, que funciona en modo y en espera de la fusin. El resultado neto es una corriente lquida que contiene los condensables y un chorro de vapor que contiene algo de anhdrido maleico, algo de anhdrido ftlico y todos los no-condensables.Estos condensadores sern diseados y mantenidos por condensex. Indican que es posible el funcionamiento a cualquier escala siempre y cuando la presin de la alimentacin de los condensadores es entre 1,7 y 2,0 bar. Usted puede asumir que todos los gases ni se condensan ni se disuelven y el 99% de la materia orgnica son de sublimado y derretido. Basado en experiencia pasada, condensex sugiere que podemos estimar el costo de capital de estos condensadores como el 15% de todos los otros costos capitales para el nuevo proceso, y que el costo de operacin anual es 5 veces el costo de una cantidad equivalente de agua necesario para satisfacer la obligacin de enfriamiento desde el balance de energa en la unidad condensadora de refrigeracin modelada como un separador componente.

Consejos de ChemCADSRK se utiliza para todo el proceso.Para intercambiadores de calor con varias zonas, se recomienda que usted simule cada zona con un intercambiador de calor separado. Para el reactor, se puede utilizar un reactor adiabtico, seguido por un intercambiador de calor; sin embargo, es posible que esto no funcionara. Tambin se puede utilizar un reactor isotrmico, pero luego Chemcad no podr hacer el clculo de intercambiador de calor. Para los condensadores del interruptor, use un separador de componentes, que calcular el deber de calor.Cuando se simula un proceso usando flujos "falsos" y equipos, es absolutamente necesario que la hoja de flujo de proceso que presentas no incluya ningn flujo "falso" y equipo. Debe representar el proceso actual.