uam5293 (1) acroleina

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  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    1/121

    UNIVERSIDAD AUTóNOMAMETROPOLITANA

    IZTAPALAPA

    /DIVISION:

    J CARRERA:

    MATERIA:

    /TITULO:

    FECHA:

    5 , . ALUMNO:

    MATRICULA

    ASESOR:

    CIENCIAS B SIC S E INGENIERíA.

    INGENIERíA QUíMICA

    PROYECTO TERMINAL

    PRODUCCIóNDE ACROLEINAARTIRE LA

    OXIDACIÓN PARCIAL DE PROPILENOUSANDOUN

    SISTEMA CATALíTlCO Sb-Sn-O

    SEPTIEMBRE DE 1997

    -

    FÉLIX GALINDO HERNÁNDEZ

    88321695

    DR. RICAHRD STEVE RUIZ M.

    DR. TOMASVIVEROS GARCIA.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    2/121

    U N V E R S I D A D A U T ~ N O M A

    METROPOLITANA

    IZTAPALAPA

    Ciencias Basicas e Ingeniería

    I N G E N I E R ~ AQUÍMICA

    P R O D U C C I ~ N E

    ACROLEINA

    A PARTIR DE

    LA

    O X I D A C I ~ N

    ARCIAL

    DE

    PROPILENO, USANDO UN

    SISTEM A CATALÍTICO Sb -

    Sn -

    O

    P A R T I C I P A NEN LA

    R E A L I Z A C I ~ N E ESTE PROYECTO:

    FÉLIX

    GALINDO HERNANDEZ

    J.4IME MARTÍNEZ GUTIÉRREZ

    AURORA SALDIVAR M ORALES

    PROFESOR:

    M.

    n C. CARLOS M ARTÍNEZ

    VE

    ASESORES:

    DR.

    RICHARD STEVE RUIZ MARTIN

    DR. OMAS VIVEROS GARCIA

    Septiembre de 1997

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    I N D I C E

    INTRODUCCION

    OBJETIVOS

    CAPITULO I Generalidades

    l . 1 Perspectivas de la acroleína en México

    1.3Procesos existentes

    1.3 Producto y sus características

    1.4

    Catalizadores

    1.5 Mecanismo de reacción

    CAPITULO

    I1

    Desarrolloxperimentai

    3.1 Catalizador

    3 2 Equipo experimental

    2.3 Sistema analítico

    2.4 Reactor diferencial

    2.5 Diseño experimental

    3.6 Corrida típica

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    C.APITL'LO

    I I I Determinaciónelmodeloinetico

    3.1 Conversión

    3 .2

    Rendimiento

    3.3

    Selectividad

    3 .4

    Modelo cinético tipo exponencial

    CAPITULO IV Diseño de la planta deproduccióndeacroleína

    4.1 Equipo de reacción

    4.2. Equipo de separación

    4.3

    Equipo auxiliar

    C'4PITULO V Inversión total

    5.1 Inversión fija

    5.3 Capital de rabajo

    5.3

    Balances pro-forma

    5.4 Tasa de retorno

    CONCLUSIONES

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    x Curvasde alibración y factoresdeespuesta

    B Datosxperimentales

    C

    Calculosípicos

    D

    Métodomatemáticoparadeterminar la cinéticade eacción

    E

    Diseñoeleactoreecholuidizado

    (Simulación del modelo de Davidson-Harrison)

    F Diseñoel equipoe separación

    G Cálculosconómicos

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    El desarrollo tecnológico de los años recientes, ha llevado a una

    di\.t.rsiticación de los procesos orientados a la obtención de bienes de

    consumo . Se está buscando optimar procesos para lograr productos con

    rendimientos económicos mayores.

    La oxidación parcial de hidrocarburos gaseosos sobre catalizadores

    sólidos

    .

    ha sido objeto de una extensa investigación industrial

    y

    académica.

    Una de las metas buscadas en la industria de los hidrocarburos, es

    oxidar parcialmente

    el

    propileno de una manera rápida selectiva para

    obtener acroleína. en la-actualidadhan surgido áreas de desarrolloen las

    cuales se llevan a cabo procesos de oxidaciónn fase heterogénea, pues

    representa uno de los mejores medios para lograrlo.

    En

    1942,

    Clark

    y

    Shutt del instituto Battelle Memorial, descubrieron

    que

    la

    acroleína podía ser obtenida con buen rendimiento por una oxidación

    en fase L'apor de propileno sobre selenita de plata o telorita estabilizada con

    oxido cúprico. Sin embargo a vida del catalizador era muy corta.

    En

    1948,

    una

    serie de patentes elaboradas or Shell

    (

    147-149),

    cubrieron la introducción de catalizadores, los cuales forman la base para la

    primera oxidación comercial de propileno.

    Los catalizadores consistían de óxidos cuprosos peroS obtenía una

    conversión aproximada del 15%.

    E l próximo avance en la tecnología del propileno , empezó con el

    descubrimiento del catalizador de molibdato de bismuto, hechoor Sohio en

    el ario de

    1957,

    a partir de esta fecha, se realizaron innumerables

    modificaciones de los catalizadores, lo cual permitió llegar a tener una

    conversión de propileno (alrededor del 900/) y una gran selectividad de

    acroleína.

    Comercialmente la acroleína fue producida primero en el año de 1938

    por

    DEGUSSA.

    El proceso estaba basado en la condensación de la fase vapor

    de acetaldehído y formaldehído. Estas materias primas fueron favorecidas

    hasta 1959, cuando

    SHELL,

    comenzó produciendo acroleína por oxidación

    directa de propileno. Desde 1959, la producción de acroleína ha estado basada

    en la oxidación de propileno.

    La oxidación de propileno, es hoy en día uno de

    los

    procesos de

    oxidación catalítica en fase gas más estudiados. Comienza con el

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    descubrimiento de Hearne y Adams en 1948 sobre la fabricación de acroleína

    apartir de la oxidación parcial de propileno con

    n

    catalizador a base de óxido

    de cobre. Esto marcóel comienzo de una nueva eraen la producción de

    aldehídos a partir de olefinas usando catalizadores metálicos, abandonando

    consecuentemente las antiguas vías de síntesis,por ejemplo, la condensación

    del xetaldehído

    y

    del formaldehído para la obtención de acroleínay la

    combinación del acetileno del ácido cianhídrico en el caso el acrilonitrílo

    (Grasselli

    y

    Burrington, 198 1).

    Ha sido notable que la oxidación selectiva de propileno a acroleína es

    estudiada desde hace mucho tiempo. Sin embargo, en la década de los

    sesenta surgen los bismuto molibdatos como el primer especimes de

    n

    grupo

    de catalizadores altamente activos selectivos para la oxidación de propileno

    a acroleína

    (O.P.) y

    particularmente, la amoxidación a acrilonitrílo.

    Actualmente, los catalizadores más usados son

    los

    de Bi-Mo-O (Keuls

    et al., 1965); Sn-Sb-O, y Fe-Sb-O. Estos forman la base de los catalizadores

    multicomponentes que están descritos en algunas patentes (Hoechst, 1968 y

    1973,

    Hadley y Woodcock,

    1955).

    El proceso de oxidación parcial de propileno usando aire u oxígeno es

    empleadoparamanufacturarcompuestos ntermediarios

    y

    asígenerar una

    gran variedad de químicos orgánicos como la acroleína y el ácido acrílico

    principalmente.

    El

    primero es empleado para la producción de metionina y glicerol.

    El

    segundo es de gran importancia ena producción de polimeros orgánicos.

    El

    desarrollo eos rocesos eterogéneos e xidación ara la

    producción de intermediarios químicos ha sido uno de los principales factores

    en los procesos de la moderna industria petroquímica, dichos procesos han

    permitido la conversióndeunagranvariedaddeolefinas

    y

    aromáticosa

    compuestos conteniendo oxígeno

    o

    nitrógeno, que son intermediarios para la

    producciónerandesantidadeseolorantes,lásticos,ibras y

    elastómeros.

    Actualmente el consumodeacroleínaenMéxicoestádirigidoa la

    obtención de metionina,

    un

    aminoácido esencial en la dieta de animales de

    granja jóvenes, y en lasíntesisdeotroscompuestoscomo osyaantes

    mencionados.

    Como resultado de las investigaciones hechas, se llegó al desarrollo de

    los llamadosechosluidizados,quehan dquiridomportanciaporas

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    \.entajas a escala industrial en relación a otros medios para efectuar diferentes

    operaciones unitarias.

    Es así que se consideró útil el estudio del sistema catalítico S b - Sn -0

    en

    un

    reactor de lecho tluidizado, para la oxidación parcial de propi eno y en

    e l

    diseño de futuros reactores industriales.

    En este rden edeas, el estudio e O.P. sobre un catalizador

    industrial , nopretende

    ser

    un estudiocontundente

    y

    definitivo obre la

    cinética de oxidación de propileno, sino una aportación al conocimiento de la

    misma.

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    OBJETI\.'OS:

    1.

    Obtener la cinética fucional de la oxidación parcial del propileno para la

    formación de acroleina en

    u n

    reactor diferencial.

    3 . Modelamientodeun eactorde echo -luidizado,asícomoeldiseño

    completo de una planta de producción de acroleina.

    3 . Cuantificar económicamente el proyecto.

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    1.1 Perspectivas de la acroleina en México.

    Dado que la inversión en la planta productiva a nivel nacional no es

    favorecida para la comercialización de acroleína como producto terminado,

    nos fijaremos en el mercado internacional.

    En algunos paises como República Federal Alemana, Canadá, Estados

    Unidos, Bélgica, Brasil, Francia, Japón

    Y

    Unión de Repúblicas Socialistas,

    emplean la acroleína como materia prima para la producción de metionina ;

    que es un aminoácido que se emplea en alimentos balanceados para animales

    de producción de carne, especialmente especies mayores.

    En México anteriormente a acroleína se usaba principalmente como

    materia prima en la producción de metionina,que a su vez era utilizada como

    ingrediente

    o

    complementoenalimentosbalanceadospara la engordade

    animaleseonsumoumano.asmpresasomoLIMENTOS

    BALANCEADOS DE MÉXICO, ALIMENTOS LA HACIENDA

    Y

    ALIMENTOS PURINA , eran algunosde losprincipalesproductores y/o

    consumidores de acroleína para a síntesis del aminoácido.

    Actualmente la acroleína no

    se

    produce en México a escala ndustrial a

    nivelesmportantes,emodouearoducciónolcanceracción

    arancelaria en el mercado internacional.

    No obstante, el consumo del aminoácido en el mundo en particular en

    México siguesiendo mportantesegúndatosmás ecientesdelBancode

    Comercio Exterior.

    Vol.en

    Kg. 7851296933810161578114215

    La acroleína sigue siendo un compuesto de interés como intermediario

    en la sintesis y producción industrial de compuestos orgánicos terminados de

    alto valor comercial en el mercado nacional e internacional.

    Elprincipal nterésqueofreceproduciracroleína , radicaenevitar

    comprarnlxtranjeroroductoserminadosuempleenomo

    intermediario acroleína.

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    Debido a la dinámica de la economía mundial, caracterizada poruna

    intensa competencia e interdependencia, se requiere una nueva estrategia

    industrial y comercial. Por ello se estudialomportamientoe la

    importación en volumen y en precio de la materia prima (propileno), y el

    precio del producto (acroleína), en el mercado internacional a lo largo de la

    década de los ochenta y

    los

    últimos cuatro años más recientes de los noventa.

    Volúmenes y cotizaciones en el mercado internacional de la acroleína.

    1980 1382

    54127

    1981

    3033

    93335

    1982 2299

    38829

    1983

    38829

    32239

    1984

    16960

    60442

    1985

    9149 39910

    1986

    1542

    20729

    1987

    2033 45430

    1988

    83924

    45491

    1989

    3654

    7 1774

    LSLUSatos revelanque la demanda equeridadelpaís por añono

    presenta un incrementoconstanteaño rasaño,sinoquecada resaños o

    cuatro años aumentael volumen en aproximadamente un 40% .

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    Volúmenes

    y

    cotizaciones del propileno de importación más actuales.

    1993

    1067 17006

    27973844

    1994

    66160714 22025563

    1995 796158 6048371

    1996 3075414

    1123124

    Se observaun decaimiento en las importaciones en estos últimos cuatro

    años,estoes ustificadoporelaumentoen la produccióndelpropileno

    (materiaprimaparaproduciracroleína)enMéxicopor as efinerías de

    PEMEX .

    Datos de producción de propileno a nivel nacional enKg.

    : ~.., .

    .

    '. ...

    . , S , L

    - . -I

    X .

    CD.M ad.

    T

    33921

    43775 25765

    29265

    32604

    Cangrej.V. 1101

    13724 17667

    12000

    17224

    Mantit.er 18872

    ----------

    31642

    18833

    20620

    Sali. C.O ax 340409

    ----------

    35503

    54286 54330

    TulaHidalg 23901

    ----------

    43580

    42962 51465

    Coderever 16361

    12574 27084 25965 35028

    Salam.to 32496

    40544 32622

    53341 50265

    Total 20810806705317135682681276

    Aunque no

    se

    cuentan con datos sobre la producción de propileno en

    estosúltimoscuatroaños, as

    dos

    tablasanterioresnosdan apauta para

    pensar que la producción de propileno sigue en aumento, cubriendo cada vez

    más las necesidades demandadas a nivel nacional

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    Existenactualmentealgunasdisposicionesespeciales según uentes

    delBanco deComercioExterior),paraexportacióndeproductosquímicos

    orgánicosoxidados.Talesdisposicionesdesgravan

    el

    impuestogeneral de

    exportación

    de

    la mercancía originada en la región fronteriza de

    los

    estados

    de Baja California

    y

    parcial de Sonora, Bajacalifonia Sur, Quintana

    Roo,

    el

    municipiodeSalinaCruz,Oaxaca,‘lafranjafronterizasurcolindantecon

    Guatemala

    ,

    la franja fronteriza norte del país

    y el

    municipio de Cananea,

    Sonora hasta el 31 de diciembre de1998, cuando dicha exportación se realice

    por las personas fisicas

    o

    morales que se dediquen a actividades industriales.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    De l o anterior puede pensarse que la producción > uso de la acroleína

    en

    JIPsicocomo intermediario para obtenerproductos erminadosdealto

    \;dar colnercial, ería entable a medianoplazo bajo el supuestoque e

    :tbaratarían los costosdeproducción de la acroleína,empleandomaterias

    p r i m a s d e origen nacional.

    Pensando u n pocoen el sectorpecuario del país, la siguiente abla

    resalta la importanciadeproducirproductosdeprimera necesidad para la

    snvorda

    .

    de animales, que actualmente se importa y que asu c’ez elevan los

    costos de producción de dicho sector.

    Volúmenes y cotizacionesde mportación de un producto erminado

    empleadon el sectorecuarioara la engorda e especiesmayores

    (metionina).

    1993

    785 1396

    33396023

    1994

    6933810

    187 19085

    1995

    6161578

    16967068

    1996

    3114159

    8782 159

    Aunque las importaciones de este producto terminado, a disminuido en

    estos Últimos cuatro años (debido la caída del sector pecuario en México por

    el aumentoelólarrente al pesomexicano,egúnomentariose

    productores) ,el producto sigue teniendo demanda en l país.

    Pensandoenelmercado nternacional,elhechodeque el país ya

    produzca propileno como materia prima para producir intermediarios, enase

    a su propiopetróleo(quehasidodesdehacemuchosaños el pilar de la

    economíanacional), nos amplia un poco

    más

    los horizontes del mercado

    internacional en la producción y comercializacióndeproductosorgánicos

    oxidados como la acroleína que es utilizada en varias síntesis mportantes

    como son: síntesis de ácido acrílico, síntesis de alcohol alilíco, de la glicerina

    J. el glicerol

    ,

    síntesis de la piridina y síntesis del glutaraldehído.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    Existen actualmentealgunasdisposicionesespeciales

    (

    sesiln fuentes

    del

    Banco

    de

    ComercioExterior), para exportacióndeproductosquímicos

    orcimicos oxidados. Tales disposiciones desgravan

    el

    impuesto general de

    esportacibn de

    l a

    mercancía originada en la región fronteriza de

    los

    estados

    d e

    Baja California y parcial de Sonora, Bajacalifonia Sur, Quintana

    Roo,

    el

    municipio deSalinaCruz,Oaxaca, ia franja fronterizasurcolindantecon

    Guatemala , la franjafronterizanorte del país y elmunicipiodeCananea,

    Sonora hasta el 3 1 de diciembre de 1998, cuando dicha exportación se ealice

    por las personas físicas o morales que se dediquen a actividades industriales.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    1.2 Procesos existentes.

    En 1930

    D E G L S S A

    desarrolló la primera íntesis icnica de

    :lcroleina ( por condensaci6n del formaldehído con acetaldehído 1. Mediante

    &temitodo.

    la

    primeraplanta para

    la

    manufacturadeacroleína inicio en

    1

    9-42.

    A partir de está técnica se han encontrado muchas otras como; cuando

    se pasa c licerina

    y

    un deshidratante sobre un catalizador de alúmina a 100°C;

    Si sepasaglicerinasobre un alambredeplatino nc'andescente,seobtiene

    acroleína, glioxal

    y

    formaldehido; Con óxido crómico, óxido de platino,cobre

    o plata, como atalizador,e uede eshidrogenar el alcohollílico

    y

    convertirlo en acroleína;Tambiénpuedeobtenerseacroleínadeshidratando

    una mezcla de glicerina comercial y ácido bórico cristalizado. Se calienta la

    mezcla hasta expulsaroda l gua

    y

    luego e epara la acroleína por

    separación; Otro método de preparación es la aspersión de sulfato mercúrico

    en una corrientedepropileno. Se forma

    un

    producto ntermediarioque se

    descompone espontáneamente y produce acroleína.

    Hay patentes de métodos industriales para la acroleína. Uno de ellos es

    e l propuesto por DEGC'SA que es la condensación cruzada

    de crcetaldehído

    con eljormnldehído Esta reacción se efectúa en fase vapor :

    Con los catalizadoresordinariosde las reacciones de deshidratación,

    c o m o

    el fosfato de litio sobre alúmina activada

    o

    silicato de sodio sobregel de

    . .

    SlIlce.

    El

    acetaldehído y el formo1 (solución acuosa de formaldehído al 30%

    )

    se mezclan en proporciones adecuadas y se introducen en el vaporizador; de

    &te salen los vapores que entran en la zona de reacción.

    El

    catalizador en

    forma de gránulos o de pastilla se coloca en la en el convertidor tubular, que

    transfiere el calor en forma conveniente. La temperatura óptima de reacción

    \.arianormalmenteentre 300 y 350°C. El productocaliente que sale del

    convertidorasaor un condensadornteselegar al sistema de

    refinamiento. Como la presión no favorece la reacción comúnmente se usan

    presiones de 10 a 15 libras por pulgadauadradan la entrada del

    convertidor, determinadas por la caída de presión en el sistema . De las dos

    sustancias quentervienenn la reacción, el formaldehídoue no a

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    18/121

    reaccionado es

    m i s

    difícil deecuperar d e I L ~ corrienteueale del

    convertidor. Por

    eso.

    la razón molar de l a mezcla alimentadora se ajusta de

    manera que t1ak.a un ligero exceso de acetaldehído en la zona del catalizador.

    .Así

    se reduce la cantidad de formaldehido que debe recuperarse, pero el

    exceso

    de

    acetaldehído aumenta

    la

    concentración de aidehído crotónico en el

    producto crudo.

    2CH;CHO

    +

    CH3CH=CHCHO

    +

    HZ0

    x e ra l d eh l d o crotónaldehldo x y a

    E n

    la reaccióneroducenequeñasantidadeseetanol,

    propionaldehódo, dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno. La

    formacion de alquitrán reduce la actividad del catalizador

    y

    es el principal

    factor de la pérdidadeendimientode la reacción.Resulta económico

    reactivar el catalizador después de 150-200 horas de trabajo. Para eliminar el

    carbónepositado sobrelatalizadorsarticularmentefectivol

    tratamiento con airey k’apor de agua a

    400°C

    .

    La conversión declina gradualmente durante la reacción, pero obtiene

    un

    rendimiento medio de 75-80%, referido al formaldehído

    o

    al acetaldehído.

    El rendimiento de un

    solo

    paso es de30 a 50%, referido al formaldehído.

    Un diagrama del procedimiento de la condensación cruzada se representa

    en la tigura

    1.

    El acetaldehído

    y

    la solución cuosa eormaldehído,

    contenidas n

    1 y

    2 respectivamente,pasan

    3

    para formar la mezcla

    adecuada. Esta es \,aporizada en

    4

    y

    los vapores pasan sobre el catalizador en

    el convertidor 5 . Los productos condensable se extraen del refrigerante 6. Los

    productos n o condensables pasan a la columna de lavado 7

    y

    se desechan. El

    agua de lavado

    7

    se mezcla con el producto condensado de 6

    y

    entra en la

    columna a la presión atmosférica. Por la parte superior de 8 se separa una

    mezcla de acetaldehído. acroleína y agua. La mezcla entra por u n lado a la

    columna

    9 y

    de ésta sale por a parte saperior el formaldehído a la presión

    atmosférica. Por el otro lado de la columna 9 en el nikrel

    más

    bajo que el de

    entrada, se extrae la acroleína refinada. Por la base de la columna 8 se extrae

    el formaldehído, el aldehído crotómico, el agua las substancias de alto punto

    de ebullición. Todos estos productos pasan a presión a la columna

    10;

    por la

    parte superioresta,estilaormaldehídocuosoonlgoe

    crotónaldehido. Este destilado vuelve al tanque del convertidor. Pora base de

    la columna 10 se extraen el agua

    y

    los

    residuos.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    19/121

    Otra torma de producción de acroleína a ni\,el industrial es la

    x i ~ i m i Ó t 7

    iir-e~atcr

    C M

    pr-opiletm.

    En

    estaeacción s e han empleadoastantes

    cat;llizadores. uno

    de

    ellos

    es

    el óxido cuproso sobre

    u n

    portador inerte. Otro

    es el selenito de plata reforzado con óxido cuproso

    y

    sostenido por material

    inerte. El primer catalizador es menos eficiente que el segundo. pero la menor

    estabilidad del selenito

    y

    su

    escaséz en el.mercado son dos incon\.enientes.

    Cna forma porosa de alúmina fundida esn portador adecuado para el

    cjxido cuproso. El catalizador se presenta en forma de gránulos

    ]I’

    se introduce

    cn una sección tubular de un cambiador de calor colocado verticalmente. La

    oxidación

    es

    isotérmica

    y

    el calor que se disipa a través del tubo

    es

    utilizado

    para precalentar

    los

    gases de entradas. Las principales reacciones que ocurren

    en

    el convertidor son:

    CHz=CHCH3+ 07   CH2CHCHO + H70

    Propilenoxígeno

    Acroleina

    Agua

    Ocurren otras reacciones en menor grado que producen formaldehído,

    acetaldehído, propionaldehídoy acetona.

    Puestoque

    el

    óxidocuproso,

    y

    no

    el

    cúprico, el queactúacomo

    catalizador, es necesario controlar la presión parcial del oxígeno en re ación

    con la presión parcial del propileno para conservar el catalizador en estado

    cuproso. La reacción que produce acroleína

    y

    agua predomina sobre las otras

    cuando hay exceso de propileno sobre el oxígeno.

    Seadapta un dispositivo para la recirculacióndelgasconel fin de

    mantener el oxígeno en concentración menor que la de este gas en el aire

    atmosférico. Así parte del propileno que no ha reaccionado regresa a la zona

    del catalizador. El aire del cual se ha gastado el oxígeno se mezcla con aire

    nuevo y propileno para formar la mezcla de gas que alimentar al equipo. Otra

    solución es emplear.el vapor de agua para remplazar parte delgas que se hace

    recircular. El rendimiento de la operación es función de las concentraciones

    del propileno y oxígeno y de la velocidad de la mezcla gaseosa sobre el lecho

    del catalizador. La capacidad del convertidor para disipar el calor generado

    y

    mantener la temperaturaóptima de la reacciónesotra imitaciónde la

    producción.

    A l

    diseñar el convertidor debe tenerse en cuenta que para obtener

    la velocidadímite de la masaeaccionante. ebe perarseresión

    moderada. La temperatura óptima de la reacción varía con la actividad del

    catalizador, pero comúnmente fluctúa entre300 ~ 3 5 0 ° C .

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    20/121

    E l as que sale del convertidor pasa por el refrigerante antes de ser

    Ia\.ado

    con agua.Lacolumnade a\,adosepara la acroleínacon pequeñas

    cantidades de propionaldehído, acetona, acetaldehído y t'ormaldehído. De a

    colunlna sale u n gas que contiene nitrógeno. propileno, dióxido de carbono

    y

    algo de oxígeno

    y

    se utiliza para diluir la mezcla de gases que vuelven al

    conLrertidor. Para mantenerelvolumende los gases inertes en un nivel

    adecuado, es necesario dejar escapar una parte del gas que sale de la columna

    de a\.ado. Como el gas de escape contiene propileno, conviene instalar un

    sistema para recuperar este hidrocarburo

    o

    un pequeño sistema catalítico de

    un solo paso para convertirlo en acroleína en condiciones

    más

    rigurosas que

    las empleadas en el convertidorgrande.

    solución cuosadiluida. La acroleína se refina después por destilación

    fraccionada.

    En

    la industria, las condiciones que se efectúa la reacción dependen de

    los factores de productividad

    y

    del deseo del máximo rendimiento químico.

    E n

    la practica, la eficiencia de la oxidación suele ser algo menor de

    56% rendimiento citadon la literatura deatentes para condiciones

    especiales.

    La figura 2 es un diagrama del proceso de oxidación del propileno. En

    el con\.ertidor

    1 ,

    se introduce el propileno

    y

    el aire con el gas que sale de la

    columnade avado 3. Losgasescalientes que alendel convertidor son

    enfriados en 3

    y

    lavados en

    3.

    La acroleína

    y

    los compuestos carbonílicos que

    la

    acompañan son separados de la corriente del gas

    y

    pasan a la columna

    4.

    Por a base deéstaseextraen elagua y elformaldehído,mientrasque la

    acroleína pequeñas cantidades de acetaldehído, propionaldehído y acetona

    destilan

    y

    pasan a la columna 5. La primera fracción que sale de esta olümna

    es el acetaldehído. La acroleína

    y

    pequeñas cantidades de propionaldehído y

    acetona salen por la base de la columna 5

    y

    pasan a la columna 6. Por la parte

    superior de esta se extrae la acroleína refinada. Por la base de esta misma

    columna se extraen impurezas.

    La acroleína

    y

    los subproductos carbonílicos se obtienenen forma de

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    21/121

    7

    p

    im.

    Figura 1 . Sistema de oxidación del propileno; 1 , convertidor;

    2,

    refrigerante;

    3,

    lavador;

    45 .6

    destiladores;

    7 ,

    condensadores.

    Figura

    2.

    Proceso decondensacióncruzada:

    1

    y

    2 depósitos;3,tanque de

    alimentación;

    4,

    vaporizador;

    5,

    convertidor;

    6,

    refrigerante;

    7

    lavador;

    8,9

    y

    1O,

    destiladores

    ; 1 1,

    condensadores;

    13,

    refrigerante.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    22/121

    1.3 Producto y

    sus

    características

    Lu

    acroleína

    o

    tarnbiinconocidacomoacraldehído.aldehído acrilico. alil

    ddehído, propenal,

    es el

    miembro

    más

    simplede

    los

    aldehído nsaturados.

    Extremadamente reactiL.0 por

    la

    configuración del doble

    er

    Propiedades

    De formula molecular CHZ:CHCHO, es un líquido i

    dace carbonílico

    .

    ncoloro a

    la

    temperaturaordinaria,deoloracremuy rritante.

    Es

    solubleenagua en

    proporcionesde

    40%,

    y enmuchosotros íquidosorgánicos.

    Es

    altamente

    tóxica, por

    sus

    propiedades acrimógenas upresencia epuededetectar

    ficilmente en proporciones de orden de ppm.

    Pesololecular en

    g

    mol

    56.06

    Gravedadspecitica 20:20 C

    0.5420

    Coeficienteexpansión 20°C

    0.00

    13

    Punto de ebullicion en T

    760 Hg 53

    10 mm Hg -36

    Puntoe en 'C 57

    Presióneapor

    20 C

    en kpa 29.3

    Calor de vaporización a

    760

    9 3

    Temperaturaritica en 'C 233

    Presiónritica en atm 50

    Solubilidad a

    7 0

    'C,

    o ó

    en peso

    en agua

    20.6

    agua en acroleína 6.8

    Indice

    de

    refracción n"D 1.4013

    Viscosidad 20'C 0..35

    Densidad a 20'C

    -

    0.842

    Punto de ignición

    -

    en contactoon el airen "C

    -18

    cerrado en 'C -26

    superior 31

    inferior

    -2.8

    Inflamabilidad limite en el aire, en volum en 9

    Temperaturaeutoigniciónnliren 'C 934

    Calor deombustión a

    25

    'C 5.383

    Calore polimerización (vin il) 71.1 -79.5

    Calore

    ( aldol)1.8

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    La acroleína se polimeriza espontáneamente con el tiempo

    y

    f orma una masa

    blanca nmorfa. llamada disacrilo. insoluble en agua. alcohol,

    i c i d o s y

    álcalis.

    Pequsfias cantidadesde álcalicáustico o de icido carbónico en solución

    acuosade acroleína ocasiona también la formaciónde u n polímeroblanco

    xnorfo. Las soluciones ecroleínae uedenstabilizarseoncido

    sulfuroso, sulfito de calcio, pirogalol

    o

    hidroquinona. La acroleína se oxida

    lentamenteen el airea emperaturaordinaria

    y

    formaácidoacrilico.Con

    pequeña cantidad de óxido de plata la reacción es rhpida y cuantitativa. El

    icido nítrico oxida la acroleína

    J.

    a convierte en ácidos glicólicos y oxálicos;

    la oxidación con ácido crómico produce dióxido de carbono y acido fórmico.

    Si se pasa una mezcla de acroleína e hidrógeno sobre un catalizador de níquel

    ;1

    más de 160 OC, se forma aldehído propiónico. Laeducción de acroleína con

    hidrógeno sobre platino coloidal forma el mismo aldehído . Con amalgamas

    de aluminio como catalizador se orman aidehído propiónicoy alcohol alílico.

    St:

    obtiene divinilglicol si se usa

    un

    par de cobre

    y

    zinc con ácido acético

    diluido. La acroleína se combina directamente con el bromo cloro.

    destilado pierde agua y produce 3-metilpiridina. Esta reacción es catalizada

    por el fosfato de aluminio.

    Si se trata acroleína en ase vapor con exceso de amoniaco, que l ser

    Toxicidad

    La acroleína es tóxica por ingestión, inhalación y cuando se absorbe por

    la

    piel. Una pequeña dosis de

    0.05glkg

    de peso corporal administrada por vía

    ducal

    es

    de DL para las ratas los pulmones;debemanejarseconmucho

    cuidado n istemasde reacción cerrado

    o

    en condicionesde decuada

    1,entilación. La exposición de 1 ppm en el aire causa irritación en ojos y nariz

    en dos

    o

    tres minutos.

    Analisis y

    especificaciones.

    La acroleína comercial tiene un mínimo de pureza del

    9 2 %

    y contiene

    de

    O .

    1

    a

    0.25%

    de hidroquinona. La impureza principal es el agua, que

    no

    debe

    ser mayor el 4%. El resto estaonstituido oruerposarbonílicos

    saturados, principalmente acetaidehído propionaldehído. La hidroquinona se

    determina por colorimetría basada en la reacción con el pirrol en presencia de

    un oxidante.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    24/121

    E l

    total de

    la

    acroleína y de ompuestos arbonílicosaturados (&tos

    calculados con acetaldehído ) seeterminanon el clorhidrato de

    hidroxilamina. La acroleinae.alora por separadoomoompuesto

    insaturado con el reactivo de bromo y bromuro. La diferencia expresada en el

    porcentaje

    de

    acetaldehido

    es

    el valor de las impurezas que son compuestos

    carbonílicos.

    El

    agua que contiene la acroleína comercial se determina con el

    reactiL-o de Karl Fischer.

    Usos

    de la acroleina.

    A ) Es la materia prima básica para la producción del aminoácido metionina,

    el cual es un nutriente básico para el desarrollo de los animales mamíferos.

    B)

    La

    reducción química de la acroleína vía alcoholalílicoes un proceso

    técnico para la síntesis de glicerol.

    C) .Al

    hacereaccionarcroleínaonmoníaco,onormados los

    aminoácidos : piridina

    y

    P-picolina.

    D ) La copolimerizaciónoxidativadeacroleínaconácidoacrílico forma

    poli(aldehídocarboxi1ato.s ) y

    su subsecuenteconversión en una reacción

    tipo Cannizzaro,roduce poli(hidroxicarboxi1atos ) con buena

    biodegrabilidad,buenaspropiedadesdispersantes y libresdeelementos

    eutroficantes(nitrógeno

    y

    fósforo).Estosproductos son aplicables en la

    industria de: papel, cerámica y detergentes.

    E )

    SS emplea como señal de alarma en sistemas de refrigeración, dado que

    produce manifiesta irritación en os

    ojos

    y en la nariz en doso tres minutos,

    causa un dolor casi intolerable en cinco minutos.

    F) Como lacrimógeno en la guerra.

    G ) En

    la desnaturalización de alcohol.

    H) Como intermediario en la síntesis de colorantes.

    I) Para desinfectar aguas de abastecimiento y aguas cloacales.

    Se aplica en a industria de plásticos.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    Reacciones de

    la

    acroleina.

    CH:=CH-COOH

    CHI-CH-CHO

    Oxidación ~-, \

    I

    O

    CH,-CH-CHO

    ¡

    OH OH

    CH3-CHZ-CHO

    Reducción HZ=CH-CHZOH

    1 CH3-CHZ-CH2OH

    r

    Hz-CHz-CH(OR),

    Adición al

    grupo

    CH,=CH-CH=NOH

    carbonilo

    CH,=CH-CH=N-NHCbHj

    7

    >CH-CHzCH,CHO

    adición a un doble Cb&(COz)NCH,-CHZ-CHO

    enlace (adiciones

    Michael) CHZ(NO~)CH~-CH?-CHO

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    \ lanipulación

    y

    almacenamiento.

    Cuando se almacena

    a

    acroleína se le adiciona de

    O. 1

    a 0.25'6

    d e

    hidroquinona. para retardar su polimerizaciim. Esta se despacha en \-agones

    tmques o

    en

    bidones on xclusióndeloxígeno.Almacenadas en estas

    condiciones. polimeriza menos de 196 por mes. Si se extrae

    el

    estabilizador, la

    acroleínasepolimerizaexotérmicamentecon ormaciónde una resina de

    enlaces cruzados insolubles.Sedeben tomar precaucionesen el manejo de

    2sta substancia tóxica e inflamable; es necesario, e\,itar

    las

    posibilidades de

    contaminacióncuandoestaalmacenada. Las sustanciasalcalinas nician

    la

    polimerización, que puede ser peligrosa. Los ácidos hert es también catalizan

    rápidamente la polimerización. El hierro y el acero son materiales apropiados

    para

    los

    envases

    de

    la acroleína ( estabilizada ). El cobre y

    sus

    aleaciones se

    recomiendanpara los aparatos dedestilación por el efecto nhibidor que

    producen.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    27/121

    1.4 Catalizadores.

    Se han empleado un gran número decatalizadores en la oxidación

    parcial delreopileno,lgunosestosonapacese proveer alta

    selectividad y casi completa conversión del hidrocarburo.

    Los elementosuyosompuestosonctivos para

    la

    oxidzción

    pertenecen a la serie de los metales de transición con orbitas "d" \sacias,

    así

    como los metales con orbitales

    t

    \,acios.

    El primer catalizador empleado en esta reacción fueel óxido de cobre

    y

    se derivaron una gran cantidad de sistemas catalíticos teniendo como base el

    CuO

    al cual se añadio Pd. Rd, Se, Be,

    Mo,

    Cr,

    W, U;

    un segundo v rupo

    lo

    constituyen catalizadores de metales diferentes de cobre, empleando

    W

    Cu,

    Ti.

    Sn, Sb,

    V,

    Bi,

    Mo,

    etc..

    Se anomparado

    los

    óxidos eAntimonioon los óxidos e

    llolibdeno y Bismuto, así como el aumentodeSben un sistema Fe203

    S b 2 0 1

    y

    se ha encontradoqueelSbesmenosactivo

    y

    más

    selectivoa

    acroleina,

    y

    que su selectividad cambia con la temperatura; dependiendo de la

    temperatura de calcinación a a cual se preapare el catalizador.

    Estudiando mezclas de óxidos de Molibdeno combinado con óxidos de

    otros metales comosonSn,

    X b ,

    Sb,Co, Bi, Xd,Cu,seobservoque los

    ilnicos sistemas activos a acroleina eran os óxidos de Sn, Cu Bi.

    De los' estudios hechos por diversos autores

    se

    puede concuir que

    los

    metales activos son Bi,

    SN. U. V,

    Fe,

    C o

    y

    los

    metales selectiyos son M o

    Sn. por lo que se preparan mezclas para aprobechar las propiedades de estos

    catalizadores, siendo las mezclas

    más

    estudiadas Bi

    /

    Mo

    y

    Sb

    /

    Sn.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    28/121

    1.5

    Mecanismo de reacción.

    Se ha \.istoque n

    las

    reacciones de oxidacibndehidrocarburos

    utulizandoóxidosmetálicos comocatalizadores,

    la

    granmayoriasigue

    un

    mecanismo REDOX, el cual propone la participación de multiples capas de

    osieeno de la red del catalizador. Este mecanismo fue propuesto por Mars y

    \,'an Iirevelen en el que intervienen os siguientes pasos:

    l . Reaccióneleactivo con elxígenoonstituyentee la red del

    catalizador, para dar el producto de oxidación selectiva.

    3.

    Reoxidación del sólido con el oxígeno proveniente de la fase gaseosa.

    El

    mecanismo propuesto es el siguiente:

    Se han efectuado numerosos estudios de termodesorción programada,

    utilizando diferentes tipos de oxígeno isótopo, en los cuales se confirma que

    solo el oxígenode la reddel atalizadorntervienedirectamente en la

    reacción; asimismo, se han realizado estudios de oxidación de hidrocarburos

    alimentando solo el hidrocarburo a las condiciones de temperatura adecuadas

    >.se han obtenido productos oxidados, lo cual comprueba que el oxígeno dea

    red es el que interviene en la reacción

    y

    que el oxígeno que se alimenta sirve

    para oxidar nuevamente los sitios catalíticos reducidos.

    El uso de trazas isotópicas ha demostrado que la oxidación selectiva

    procede via la abstracción de un hidrógeno alílico, generado en la superficie

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    29/121

    xti \ .a del atalizador para formar un intermediario lílico imétrico. El

    mecanismo es el siguiente:

    I

    El

    O?

    molecular se disocia en la superticie del catalizador para formar dos

    itomos de

    O?

    disociado.

    0 2 3 o.

    3

    La abstracción de un i6n hidrógeno del propileno para un átomo activo de

    oxígeno 0

    C . CH3 + O' ~ CH2-H-CH,OH'

    3. El radical alílico s tacado por el oxígeno, bstrayendo el segundo

    hidrógeno alílico.

    CH:-CH-CH? +

    0. I

    CHZ-CH-CH

    + H2O

    4.

    Por último el O2se inserta en el radical alílico formando la acroleina.

    CH.- CH-CH. + 0 , CHg= CH - CHO

    Este mecanismo esta representado en a figura

    l .

    1

    Figuras ha estudiado la oxidacióndelpropilenodeuterado con

    catalizadoresde Bi / blo y Sb / Sndemostrandoque n el caso del

    catalizador de Bi

    Mo,

    la abstracción del segundo hidrógeno ocurre antes de

    la incorporación del oxígeno, mientra que ocurre lo contrario en el sistema Sb

    / Sn, debido a esto se piensa que existen diferencias ena reductibilidad de los

    óxidos ]v' queestascontrolan la velocidad realtiva de la incorporación del

    oxígeno y abstracción del hidrógeno.

    Para explicar

    la

    formación de acroleina se asume que el oxi,Oeno es

    adsorbido

    y

    disociado sobre la superficie catalítica, esto se justifica porquees

    improbable que el oxígeno molecular se adsorba a temperaturas mayores de

    400 "C. La reoxidación a altas temperaturas es generalmente rápida. aunque

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    30/121

    e n

    s is temas

    mult icomponentes

    estos s o n

    cnpaces

    de.

    reouidarss

    a bajas

    temperaturas .

    Figura

    l .1

    Mecanismo de formación de acroleina.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    31/121

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    32/121

    2.1

    Catalizador.

    El

    catalizadorempleadoenesteestudio

    fue

    una mezcladeóxido de

    antimonio >. óxido de estaño.

    Vno

    de los

    principalesroblemasn las reaccionesltamente

    exotérmicas

    es

    mantener las condiciones de temperatura constante;

    un

    método

    efectik.0araograr la isotermicidad' es diluirlatalizadoron

    un

    componente nertequealtere

    los

    resultadoscinéticos. Estodisminuye los

    posiblesgradientesde emperaturaquepudieranpresentarseenel echo

    catalítico.

    La cantidad utilizada de catalizador

    f ué

    la necesaria para mantener una

    rapidez de reacción constante a lo largo de todo el lecho catlítico, y facilitar

    así

    la obtención de los parámetros cinéticos. Para lograr esto, se utilizo

    1.0

    diluyente, estas cantidades representan el

    30

    YO

    de catalizador por 70

    YO

    de

    inerte en \polume, porcentaje utilizado en anteriores estudios de esta reacción

    en

    un

    reactor de lecho fluidizado.

    ramosde la mezclade losóxidoscon 1.3 gramosdecerámica como

    El

    tamaño de partícula utilizado

    f ué

    entre

    38 y 106 pm.

    l catalizador

    y

    el

    inerte tienen las siguientes características:

    hlaterial

    inerte

    Las densidades empacada y aparente, se midierón llenando de sólido

    n

    \.ohmen deeferencia onocidodensidad mpacada),

    y

    utilizando

    un

    picnómetro de 25 m1 y keroseno

    (

    densidad aparente

    ).

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    33/121

    3.2

    Equipo

    experimental.

    Para realizar el estudio cinético, es necesario seleccionar

    y

    acoplar

    un

    equipo experimental

    y

    para esto se ha diseñado un equipo (fiig.2.1) que consta

    de:

    1 )

    Sistema de alimentación.

    2 )

    Sistema de reacción.

    1

    Sistema de alimentación.

    Los

    reacti\.os a utilizar son: propileno

    y

    aire extraseco.

    La medición de los

    flujos

    tanto del aire como del propileno

    se

    realizan

    por desplazamiento de burbuja por aire

    n

    una bureta

    y un

    rotámetro.

    El

    tlujo gaseoso se controla mediante \rálvulas de ajuste tino.

    Las corrientes gaseosas se mezclan antes de entrarl reactor.

    El flujogaseosoqueprovienede los tanque se controlamediante

    reguladores colocados en ambas líneas de suministro.

    2 )

    Sistema de reacción.

    C3H6 + O? _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ >CjJ&O +

    H 2 0

    C3H6 912 O2 ------_ -_____

    -_>

    K O , - 3H,O

    Para llevar a cabo la reacción, es seleccionado

    un

    micro-reactor de flujo

    continuode echofijo,operandoa un régimendiferencialdeflujo que se

    muestra en la figura

    2.2.

    El reactor consiste de un tubo de vidrio Pyrex de

    16

    mm de diámetro

    interior

    y

    40

    cm de longitud, provisto de un disco de vidrio poroso que sirve

    de soporte a la

    masa

    del catalizador. L a temperatura se mide utilizando

    un

    termopar de chromel-alumen colocado en forma axial, n contacto directo con

    la masa del catalizador,

    y

    a la cual se lleva a cabo la reacción, que a su vez es

    raticada en un registradorde emperaturacon ndicadordigitalmarca

    SYSCON-RKC Mod.

    REX-C400.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    34/121

    4

    - 1

    L

    O

    I

    I

    w u

    e

    Figura.2.

    l .

    Diagrama del equipo experimental.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    35/121

    2.3

    Sitema analít ico.

    L'na

    1 e z que la mezcla pasa atra\,éz de la zona de reacción, una muestra

    de

    3

    corrientede

    los

    productos es introducida

    al

    cromátografodegases

    mediante una \ r i l \ x h decuatropuertos. El restodeletluentegaseoso se

    descarga hacia la atmósfera.

    U n sistema e "bypass" permitemuestrearanto la corriente e

    alimentación como la de

    los

    productos.

    Por otra parte, todas la tuberías y conexiones vecinas al reactor son de

    acero inoxidable

    y

    las temperaturas en estas,

    no

    exceden de

    los 100 "C

    El

    análisis de la composicionesa la entrada

    y

    salida del reactor se

    realiza por cromatográfia de gases, que es un método fisico de separación, en

    21

    cual

    los

    componentes que

    se

    van a separar se distribuyen entre

    dos

    fases;

    una de estas fases constituye una capa estacionaria de gran área superficial, la

    otra es t-luido que eluye a tra\+s

    o

    a

    lo

    largo de la fase estacionaria, donde la

    fase estacionariapuede ser un sólido o un líquido y la fase movil puede ser un

    liquido o un gas.

    La figura

    2.2

    es un diagrama esquemático de un cromatógrafo de

    gas.

    i

    b

    FigUra.I.2 Diagrama esquemático de

    un

    cromatógafo de gases de detector de conductividad térmica. Las

    :lzchas

    grandes indican la direccion d el flujo de gas.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    36/121

    Para esto se instalanínea un cromatógrafoonetectore

    conductiLidad térmica marca Hewlett-Packard modelo 5790A, con

    si

    'na de

    in>.ección automática

    y

    temperatura controlada en la válvula, asesurando así

    u n muestre0 homogeneo.

    Para la separación de

    los

    productos

    y

    reactivos se utilizó una columna

    empacada con PORAPAK-Q, de acero inoxidable, de 2 m de longitud y 3.2

    tnm de diámetro nominal.

    La identificación de los picos cromatográficos se hace por inyecciones

    independientes, de los compuestos involucrados en la reacción:Aire,

    coz

    H@

    C&,

    cd%O, con 10 quequedaronplenamente dentificados en l

    cromatograma (fig.4).

    0.33

    0.69

    1.90

    3.67

    8.14

    2.4

    Reactor diferencial.

    El calentamiento eleactore fectúamediante naesistencia

    eléctrica, fabricada con alambre de Kantal forrada con cinta tubular de fibra

    de vidrio. Esta se encuentra enrollada a todo lo largo de una zona de

    5

    cm

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    37/121

    antes del lecho catalítico y

    5

    cm despuis de este. formando una chaqueta de

    calentamiento. El sistemade ontrolde temperatura ara

    el

    reactor,e

    encuentra arregiado de

    la

    siguiente forma:

    a )

    Cn errnopar chromel-alumel colocado en a chaqueta de calentamiento.

    b ) Cn

    errnopar chromel-alumel colocado en el lecho catalítico.

    RMOPAR

    L E C H O

    D E L

    Figura. 2.3. Microreactor.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    38/121

    2.5 Diseño experimental.

    Las condicionesxperimentales se escogieronecuerdo

    dos

    factores:

    1 . Las experiencias publicadas por otros autores

    y

    a las condiciones que se

    puede trabajar con el equipo disponible.

    Se opero en un intervalo de temperaturas de 350 a 450 O C a presión

    amoférica

    y

    con tamaño de partícula de

    .05

    mmde diámetro.

    Las relaciones molares Propileno i Oxígeno usadas se variaron 0.7

    y

    3.0

    evitando la zona de explosividad que esta entre

    0.1

    a

    0.5.

    La cantidad de

    catalizador fue de

    un

    gramo

    y un

    flujo de 6000 gmin igmol, condiciones que

    resultaron ser las

    más

    apropiadas para trabajar dentro del regimen diferencial

    en todo el el intervalo de temperaturas estudiadas.

    Relaciones molares empleadas de Propileno i Oxígenoa emperaturas

    de350 a450 "C.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    39/121

    PROPIEDADES FISICAS

    Y

    QU ÍMICAS

    DE

    LOS REACTIVOS:

    PROPILENO (

    CHt=CHCH3

    ) :

    Es

    el segundo miembro de la serie de los hidrocarburos monoetilénicos

    normales.

    Es

    un

    gas

    incoloro e inflamable, de

    olor

    agradable.Seutiliza

    mucho para síntesis orgánicas industriales.

    P. f ."C.

    - 1 85

    p.

    eb.,C - 37.7

    puntoriple - 185.25

    Densidad de vapor (aire =

    1 .O

    Viscosidad, en centipoises ,

    - 185°C

    -1 10°C

    Temp. C ritica., "C

    Pr.

    Critica ., atm

    L'ol.

    Critico.. litros/'Kmol

    0.6095

    0.513

    1.39

    15

    0 .34

    91 .I - 92.3

    45.0 - 45.6

    1

    S 1.664

    Vol. Mol.. mlimol, ( l íquido

    )

    a:

    20°C

    25°C

    Calor de fusión, cal/gr

    Calor de vaporización a -37.7'C. cali'gr.

    Calor de formación a 25°C . caligr.

    Energía libre de formación a 35"C, calimol

    Calor de combustión delgas:

    Kcal/Kg.

    S

    1 .S8

    53.27

    16.7

    104.62

    3579

    14 990

    10 934

    Cal/mol 16 0 428

    Capacidadalorífica.p. A 25°C

    ,

    cal/mol"C 15.27

    Límites de inflamabilidad en el aire, rol. %

    superior 1 1 . 1

    inferior 2.0

    Valor calorífico (sat. con vapor de agua) a 155°C

    y

    760 Hg, Kcal/m'041

    Temperatura de llama en el aire a

    1

    8 ° C "C:

    Supuestaombustiónompleta00

    Real

    1 935

    a. (atm) 12 ) / (mol)'.379

    (amt) (ft') (1b-mol)l

    2

    155

    b

    Constantes de Van Der Waals:

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    40/121

    ft ,Ib-mol 1.332

    Solubilidad. m1 gas 100m1 disolvente, a ?O C y

    presión en atm., en:

    Agua

    43.6

    Alcohol

    etilico

    1

    250

    .Acid0 acé tico23.5

    L a

    ecuación de su presión de vapor es: log pm=

    6.81960- 785 4247 + T),

    donde

    T

    se expresa en "C. La presión de vapor a 112.1

    1

    "C es de

    1

    O mm Hg

    y de

    1500

    mm a

    -3

    1.55"C.

    El

    propileno es un hidrocarburo insaturado con actividad química en a

    región del doble nlace, eaccionapor diciónparadar lcanos y sus

    derivados.

    La mayor parte del propileno es obtenida de la recuperación de gases

    que salen del craqueo en los que siempre esta presente.

    La

    concentración del

    propileno en los gases es de

    10

    a 30 % .La proporción de propileno es mayor

    al de propano cuanto mas alta sea la temperatura de craqueo. El propileno es

    la olefina más asequible,ademásdedisponerdeellaenconcentraciones

    razonables

    ,

    puede er eparadade los gasesefluentes innecesidadde

    refrigeraciónajaemperatura.

    El

    propileno seuedebtener por

    deshidrogenación del propano usando catalizador de tipo alúmina con óxido

    crómico. La simple pirólisis térmica de propano no es siempre factible, por

    que la desmetanización se verifica a mayor rapidez quea deshidrogenación .

    En la fracción gaseosa de

    los

    aceites pesados sometidos al craqueo en

    las operaciones de refinación del petróleo, son una fuente aprovechable de

    propileno.

    El

    propilenouedexperimentareacciones de hidratación,

    halogenación,alquilación, polimerización, oxidación, reacción oxo, etc. Para

    obtener productos tales como el alcohol isopropílico, el cumero, polímero de

    propileno, acroleína, aldehídos butíricos, etc.

    AIRE

    El

    aireuyoesomolecularse 28.97 g/mol.

    Es un

    fluido

    transparente,incoloro,nsípido

    y

    elástico, mal conductor el alor

    y

    la

    electricidad,especialmente cuandoestá ionizado.Elaire está compuesto

    principalmente por:

    Nitrógeno

    78.084

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    41/121

    Oxígeno

    Argón

    Dióxido de carbono

    Neó,

    Helio

    Metano

    Kriptón

    Oxido nitroso

    Hidrógeno

    Xenón

    20.937

    0.934

    0.03

    14

    0.001818

    0.000524

    0.0002

    0.000 14

    0.00005

    0.00005

    0.0000087

    Es

    un elemento natural ndispensablepara odo erviviente,permite la

    combustión y la respiración; es un medio ransmisordel sonido.

    Es

    muy

    utilizado en la industria como fuerza motriz, en multitud de circunstancias,

    como paramateriaprimaparagrancantidad de reacciones

    y

    procesos, al

    como

    la oxidación parcialde propileno para la producción de acroleína.

    PROPIEDADES

    F ~ S I C A S

    Y QUIMICAS DE LOS SUBPRODUCTOS

    AGUA

    pureza, compuesto químico por una porción mol de oxigeno e hidrógeno.

    Es

    un

    líquido, transparente, incoloro, inodoro e insipid0 en estado de

    Puntoe C o

    Punto debullición

    en

    "C 1O0

    Densidadnstado sólido encm' 0.92

    Densidad enstadoíquid o en g/crn' 1 .o0

    Temperaturarítican "C

    3

    7

    Presiónrítica 217

    Calore fisión en caVg 80

    Caloreaporización en cal/g 540

    Sus propiedades químicas son de dos formas:

    a) Inorgánicas,de las cuales se dan a continuación algunas ejemplos zles

    como:

    Oxido + Agua +Hidróxido ( CaO

    +

    H20 Ca(OH)?)

    Anhídrido + Agua + Acido ( SO? + H20

    +

    H2S03)

    Metales alcalinos

    +

    Agua

    +

    Hidróxido

    +

    Hz

    (2k + 2H20+ 2KOH

    +H2

    )

    Hidrólisis;

    CINH,

    + H 2 0+ CIH

    +

    W O H

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    42/121

    h

    Orgánicas como:

    0

    Saponificacion; COOCH3

    +

    HzO+

    CH,COOH +CH30H

    BIOXIDO DE

    CARBONO

    Es

    un producto de oxidación otal de cualquier compuesto orgánico;

    por calentamiento de algunos carbonatos, por la acción de

    un

    ácido sobre

    un

    carbonato;por a ermentaciónde la glucosa; por adición deaguaa el

    bicarbonato de sodio ejemplos:

    Es

    un gas incoloro, inodoro e insípido, es moderadamente soluble en

    agua;

    1

    O0 g de

    HZ0

    disuelven

    0 .154

    g de

    C 0 2

    a

    25 "C.

    Peso mol

    44.01

    Punto de hsión en 'C y 5.2 atm 217.5

    Sublima

    O K

    195

    Subliman "C

    y

    1 atm78.5

    Puntoriple en "C y

    5

    18Kpa -56.5

    Temperaturarítican 'K 304.2

    Presiónrítica

    Volumenríticon cm' g-mol

    94

    Calore

    fusión

    encal jg-mol I .99

    Caloreormación KJImol 393.6

    Pesospecifico aire 1.53

    Densidadelas 0°C

    y

    1 atm 1.976

    Densidadelíquido 25 "C t 1 atm. en

    g'lt

    914

    El COZ

    no es flamable

    ni

    mantiene la combustión,

    es

    muy estable pero

    se

    puede descomponer a

    2000°C ó

    más

    y

    reacciona hasta cierto punto con agua

    para formar ácido carbónico. En presencia de luz solar

    y

    de

    un

    catalizador

    (

    clorofila

    ),

    se combina con

    el

    agua para formar almidón celulosa.

    Se usa como agente refrigerante

    y

    de congelamiento de helados, carnes

    y

    otrosalimentos;es importante como materialextintorde ncendios; en

    síntesisquímicaenestadogaseoso alcomopara la fabricacióndeácido

    salicílico, en la industria de bebidas, etc. La concentración máxima permisible

    es de

    5000

    ppm. En aire.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    43/121

    PROPIEDADES F ~ S I C A S

    QUÍMICAS

    D E L

    COMPUESTO

    ESTABILIZADOR DE LA ACROLEÍNA COMERCIAL

    HIDROQUINONA

    Benzenodiol,-hidroxibenzeno,idroquinol ó quinol. St: obtieneor

    oxidación de anilina con dicromato de sodio y ácido sulfirico tratadacon

    bisulfito.

    De formula molecular C6H60, también se le conoce como

    1,4-

    Peso mol 1

    Composición porcentual de:

    Carbono 65.43

    Hidrógeno 5.49

    Oxigeno 29.06

    densidad 1.332

    Punto deusiónn “C 170-171

    Puntoebulliciónn ’C 285-287

    En cristales:

    Es soluble en éter, alcohol y ligeramente soluble en benzeno. La solución

    cambia su color debido a la oxidación con aire, su oxidación es muy rápida en

    presencia de álcali, por lo cual debe mantenerse bien aislada

    y

    protegida de la

    luz.

    L a hidroquinona no esóxicanajasoncentraciones.ajo

    condiciones de uso ordinario no presenta serios problemas.El contacto con la

    piel puedecausardermatitis, la exposición por periodosprolongados de

    tiempo, afecta manchando

    y

    opacando la cornea. La ingestión de

    un

    gramo,

    causará vómito, náuseas, malestar y sensación de sofocación, falta de aliento,

    convulsiones, delirio y colapso, irritación en el tracto intestinal. La ingestión

    de

    5

    gramos causa la muerte.

    Usos principales;eductor en fotografia, como .agente ena

    determinación de pequeñas cantidades de fosfato y como antioxidante, como

    estabilizador de la acroleína.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    44/121

    Por otra parte se realizan curvas de calibración para: Aire,

    C02 HzO,

    C3H6, C3&0

    mediante

    la

    inyección e iferentes olúmenes estos

    muestra en el apéndice

    A) .

    que forma parte del mismo registrador Hewlett-Packard Mod.

    3390A.

    raficando las áreas delos picos contra los volúmenes inyectados,al como se

    La medición de áreas se realiza por medio de un integrador electrónico

    Las condicionesdeanálisiscromatográficose esumen en la tabla

    siguiente:

    Volumene 0.5 cm3

    Temperatura denyección 180.0"C

    Temperaturae

    Temperaturael detector 130.0"C

    Sensibilidad en eletector

    5.0

    Gas

    Flujo de

    30.0 C

    Columna PORAPAK-Q

    Longitud de la columna 2.0 m

    -

    Una

    vez

    diluido

    el

    catalizador, se carga el reactor y posteriormente se

    activa mediante el contacto de una corriente de 100 mol

    /

    min de aire a

    400

    "C

    y 585

    mmHg, durante tres horas.

    Una vez que el catalizador opera en estado estacionario, se realizan las

    corridasexperimentalesparaobtener osdatosnecesariosparaelestudio

    cinético.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    45/121

    2.6 Corrida

    típica.

    S T A R T y

    0 9 r

    .33 Air.

    6 9 ca,

    1 . 9 1 H20

    i

    3 . 6 9

    /-

    STOP

    T-350

    ARCA

    ???S

    0.0.

    2.12

    RU

    0.35

    1.06011~07 SID

    0 6 243-

    TaD

    ¶ S 1

    6

    S007

    cm

    3.6. Se4170

    ?W

    7.77

    3z tza D I

    H

    Propileno

    3 6

    A R / W

    o . 1 M

    O . OS3

    O . 0.6

    o . 2sa

    O . 238

    O . 303

    ARCAS

    0.021

    93 . S72

    0.217

    0.606

    I .3

    O . 2.7

    Figura.2.4.

    Cromatográma.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    46/121

    S a r t

    7

    ,

    .33

    Aire

    3 . 6 7

    P r o p i l e n a

    S t o p

    RT

    AREA

    T Y P E

    0 . 0 9 3055

    B H

    0.33 l.O4lOE+07

    S H E

    0.69

    4233

    fen

    1.95

    40726

    86

    3.67

    916880

    pe

    O E C I O B

    A R I H ’ I

    o. 174

    O . 053

    O .

    064

    O

    264

    O . 238

    15.19r21

    A R E A S

    O . 027

    91.517

    O .

    37

    o. 35 8

    8 0 6 1

    TOTA L APEA-l.l375C 07

    MUL

    FACTO@- 1.000t 00

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    Información Adicional

    a)

    Los datos del catalizador de Sb-Sn-O (diámetro de a partícula, densidad

    aparente, área superficial, etc.) listadosn el capítulo 11.

    b) El diseño del equipo experimental.

    c) Las relaciones molares molares (de propileno/oxígeno a temperaturas de 350 -

    450

    “C

    alimentadas al reactor diferencial.

    d)

    Lascorridasexperimentales.

    e) Las conversiones del propileno en función de la relación de propilenoloxígeno

    alimentadas al reactor diferencial a diferentes temperaturas.

    f) El rendimiento.

    g )

    La selectividad.

    h Laenergíadeactivación.

    i

    E l

    modelocinéticoobtenido.

    j ) Las curvas de calibración y los factores de respuesta.

    ..

    .

    Se tomaron de :

    Alejan dro Torres Alda co “Ap ortación al Estudio de la Cinética de

    la

    0.uiclación Parcial de Propileno a Acroieína pa ra

    el

    Sistema Sb-Sn-O”.

    c;IM-I

    Méico

    D F

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    3.1

    Conversión.

    r

    n

    n

    V

    e

    r

    3

    n

    *

    n

    :a

    I

    I

    3 t

    *

    4 2 5

    +

    al

    nj

    U

    2.9 z.5

    .S 1.5

    fi

    Figura

    3.1.1

    Variación de la converción

    en

    función dePProp.

    Po2

    V .

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    50/121

    3.1

    Rendimiento

    r

    I

    I

    I

    I

    '\, m

    '\

    \

    ~\

    +,

    \

    \

    n

    A25

    + 160

    '\

    \

    m

    ÍU

    5.2

    c.5

    1.3

    Figura

    3.2.1

    Variación del rendimiento en función de

    PProp.Po*

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    51/121

    3.3

    Selectkidad

    S

    0

    l

    e

    C

    t

    v

    d

    3

    d

    I2

    .

    iorgoratwo.

    C

    -

    G I

    3 0

    3.5

    1

    .C

    1.5

    2.0

    2.5

    Pp ap/

    Foz

    Figura

    3.3.1

    Variación de a selectividad en función dePProp./ oz

    .

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    52/121

    3.4 Modelo cinético tipo esponencial

    R A

    =

    K

    P o 2 PProp.

    0.7

    0.5

    Ea = 20 107 Cal / mol

    A =

    5.46 E+06 Cm 3

    /

    gmol

    S

    RC02 = k’ o2 PProp.

    0.5 1.1

    Ea

    =

    27

    655

    cal / mol

    A =

    2.196

    E+04 Cm3

    /

    gmol

    S

    -8

    I

    n

    -3

    K

    - io

    - 1 1

    1.3 .5 1./T E

    31

    -

    1* /

    Figura 3.4.1 Energía de activación para acroleina.

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    4.1 Equipo de reacción.

    Reactor de lecho fluidizado.

    Sin duda elequipodereacciónes

    el

    más importante, no sólo por que

    dentroe é1 se realizan las transformacionesuímicas, sio por que

    dependiendo de las tranformaciones químicas que se obtengan, se derivaran las

    características

    y

    tipos de los equipos de purificación almacenamiento.

    El

    equipo de reacción es un reactor catalítico de lecho de lecho fluidizado,

    el cual tiene la función principal de hacer interaccionar al oxígeno proveniente

    del aire con el propileno, ambos en fase gas, con

    un

    catalizador de antimoni-

    estaño,e formaalue sexidearcialmentelropileno,ápida y

    selectivamente.

    Este equipo se encuentra en la zona de reacción, en la cúal se alimentan

    los

    reactivos (propileno y oxígeno) con un flujo total de 18.3508 mol /s. y una

    presióndeunaatmósfera

    y

    a

    300°C

    y

    a una conversióndeoperación de

    7 1.3807%.

    El reactor se calienta a 300 C on vapor de agua, que es inyectado, junto

    con la mezcla reactiva

    (

    controlado por un controlador de flujo de vapor, para

    mantener la temperatura constante dentro del reactor).

    El producto de reacción que se obtienen aa salida del reactor es acroleina

    acompañado de agua

    y

    propileno que no reacciono.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    56/121

    1.

    Diseño de la planta de producción de acroleína .

    E n base a los resultados ..:ue se obtienen del laboratorio y la necesidades de producción

    I capacidad de prod ucc ión de )se deri1.a el equipo

    y

    las especiticaciones

    diseño la

    planta.

    L:I

    planta de prod ucció n se encuentra dividida basicamente en dos zonas. la zona de

    x x c i 6 n

    y la

    zona de separación que acontinuación se describen.

    Capacidad de a planta 76.81174lbmol I

    h.

    Costo total $6 542 303.60 USD

    Figura 4 1 1 Diseño de la planta productora de acroleina.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    o

    lu

    6

    Z

    W

    -I

    -

    O

    o

    6

    a

    O

    u

    2

    c

    u

    a

    Lu

    Q

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  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

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    4.2 Equipo de separación.

    E n esta zona consta de tres equipos que son:

    V n

    ciclón que esta conectado a la salida del reactor que sirve para separar

    el

    catalizador

    del gas.

    El

    gas cargado de polvo penetra tangencialmente en la camara cilíndrica,

    o

    cónica , en uno

    o

    más puntos, sale de la misma a través de una alTertura central

    c o m o

    se muestra en la figura 3.9 1. En virtud de su inercia, las partículas de

    poh .0 tienden a desplazarse hacia la pared exterior del separador, desde la cual

    son

    conducidas nuevamente al reactor.

    Na r g s

    W

    Material de construcción:

    acéro

    al carbón

    Costo

    27

    600.00USD

    Figura 4.2.1Característ icas

    y

    costo del separador de ciclón.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    60/121

    i n intercambiador de calor que disminu),a la temperatura de la corriente

    c ~ ~ t ~ ~ s ala salida del reactor, para posteriomente introducirla al condensador.

    Entrada de(

    f l u d o a la coraza a

    05 ubos

    luido

    nt rad a de4

    Salida del fluido

    de

    la coraza

    Saltda

    del

    fluldo

    d e

    os uoos

    .\laterial eontrucción:Corazacéro al carbón y tubos de acéro

    inoxidable.

    .irea de transferencia34.17

    m*

    Costo SS9500.00 USD

    Figura

    4.2.2

    Características y costo del intercambiador de calor.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    61/121

    Ln condensador que separa a

    los

    gases condensables (acroleina

    algua)

    de

    los

    g ~ s e s

    ncondensables(nitrógeno,oxígeno

    y

    propileno).queprovienen del

    interc.amt7i;ldor de

    calor.

    El

    líquido enfriante es agua que 11uye por el interior de

    los

    tubos,

    y

    los

    gases

    condensables entran a la temperatura de rocío fluyen por

    la

    coraza, la cúal

    r i m e 3

    1 1 in

    de

    diámetro interno, deflectores espaciados a

    12

    in; 236 tubos de

    1

    in

    de diámetro externo, 16 vwg;

    120

    in de largo y arreglo en cudro de

    1

    in; el

    haz de tubos tiene cuatro pasos.

    Wa t e r

    out

    Vapor

    4 I

    Vapor v e n t

    Condensate

    t

    Water

    in

    Tubos y coraza de cuatr o paso s por tubo.

    ,ir ea de transferencia : 18.93

    m*

    Tipo horizontal

    3Iaterial: acéro al carbón

    Costo: S 21 000.00 USD

    Figura

    4.2.3

    Características y costo del condensador.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    62/121

    L-na torreeestilación que

    se

    alimenta

    c on los

    condensados

    provenientes del condensador.

    En

    la

    torre de destilación se lleva a cabo el proceso de refinación para la

    En este equipo

    SS

    separan las sustacias gracias a su diferencia entre sus

    puntos de ebullición, obteniendo por la parte del domo acroleina y

    por

    el fondo

    el agua.

    Flujos

    de

    alimentación: 7.5686 lbmol acroleina

    h

    y

    91.2457

    lbmol agua

    / h

    Flujo de salida en el

    domo:

    6.81179 lbmol acroleina

    /

    h

    Flujo de salida en el fondo: 0.75686

    bmol

    acroleina /

    h

    Torrededestilación

    con

    30 piatos con

    20

    de eficiencia cadaplato

    y

    espaciamiento entre plato de

    .5m.

    Altura

    15m.

    diámetro de

    2m

    >laterialdeconstrucción :acéro inoxidable.

    Costo: S

    65

    084.00 USD

    Figura

    4.2.4

    Características

    y

    costo de la torre de destilación

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    63/121

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    64/121

    5.1 Inwr s i ó n

    fija,

    C70stodel tamaño para ¡a instalacion de l a planta.

    Supert ici t . necesaria para el terreno: 100 In.

    x

    120 m . 13,000

    In).

    I'rceio por metro cuadrado

    :S10.00

    USD.

    12.000 m

    = $480

    000.00

    USD.

    Costos físicos de la planta: esto se hace en base a

    los

    datos anteriores y

    utilizando

    las

    recomendaciones de Chilton.

    YIontaje e instalación dequipo 1 25376.00

    Tuberia en general 50 1 70.40

    Control e instrumentación 418 092.00

    Líneas exteriores 125427.60

    Editicios

    y

    estructura

    501

    7

    10.40

    Ser \ - i c iosauxiliares 8 3 6

    18.40

    Ingeneria y construción

    1

    00993.20

    Implementos deontigencias7667.00

    Factor

    dz

    talnaiio 144 311.70

    Costo

    total

    de

    la

    planta 6 542 303.60

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    65/121

    Ilaquina

    de

    escribir

    -

    334.13

    668.30

    Computadora

    PC

    ’ impre.

    9

    737.70

    475.50

    Escritorio con sillón

    5  443.70

    2

    2 18.70

    Escritorio con sillón Ejec.

    3

    266.70

    800.1

    O

    Sala de juntas

    1  675.50

    675.50

    .4rchi\reros

    1

    13.70

    341.10

    ‘45.30

    345.30

    160.00

    500.00

    1

    848.80

    1 848.80

    71

    1.10 71 1.10

    12 

    916.90

    Estantes

    L brero 5 

    Fotocopiadora 1

    Enseres menores 1 

    Suma total

    El

    gasto de inversión está dado por la suma de

    los

    siguientes rubros:

    Terreno

    $ 480 000.00

    L S D

    Xluebles

    y enseres

    12 

    916.90

    Costos físicos

    $ 6 542

    303.60

    Gastos de

    in\,ersión.

    7

    035 220.50

    USD.

    El

    precio de inversión está dado por el 5?/0 del gasto de inversión otal, por

    lo tanto:

    Precio de inversión

    = 0.05 *

    7 035 220.50

    = 351

    761.03

    USD.

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    66/121

    f-.inalmente la in \ ersión fija es la suma de todos

    los

    rubros anteriores. es

    5.2 Capital

    de

    trabajo.

    El capital de trabajo se estima considerando un año de operación de

    planta.

    InLrentario de materias primas.

    Producción de acroleina diaria

    =

    4.16

    11

    ton

    /

    día.

    I nventario de materia prima

    Propileno

    1

    746.8423759.75 765

    116.50

    Aire 630.764

    . A y a 496.87049.83 3 997.91

    '

    Catalizador 1.o0

    1

    Total S

    768 114.71

    Costo bruto total de fabricación

    Dentro de este se encuantran los siguientes conceptos:

    Suministro

    65

    423.04 USD/aiio

    J Iantenitniento 654 230.36

    Depreciación

    654

    230.36

    Costos fijos

    anuales

    1 373

    883.80 USD/año

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    67/121

    Costo bruto total de fabricación

    S 4 

    1 1

    200 00 L.SD,'año

    3

    240.00

    305

    600.00

    S 699 040.0

    L'SD/año

    S

    768 114.71 USD/año

    S

    831

    038.50 LTSD/año

  • 8/20/2019 UAM5293 (1) acroleina

    68/121

    BIBLIOGRFTA.

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    Obtenemos el CO? producido en la reacción

    11 (. 0 2 -

    11

    c(j2 - n" c-cl

    P

    -

    E1propileno reaccionado

    Por estequiometría

    la

    tercera parte de

    los

    moles de

    COT

    producido

    más

    10s

    moles de acroleina son

    l os

    moles de propileno

    que

    reaccionarón porque:

    CH.

    = C H

    - C H 3

    0:

    ~ d

    H. =

    CH-

    O H

    -

    H1O

    C H 2= C H - C H 3 - 4.5 0.

    F===== 3

    CO: -

    3

    H 2 0

    11

    Propl ieno -

    1

    I

    3

    n CO?

    - n - i c r o l m a

    -

    I<

    -

    ?

    Para obtener la rapidez de formación de acroleina

    J . COZ

    se efectua el

    .;i(ruisnte procedimiento:

    Como

    las

    únicas corrientes que tenemos son

    las

    de aire y propileno.

    los

    moles del aire multiplicados por el 2196 que tiene de 0xígeno.y el 79'6 que

    tiene de nitrógeno nos da a cantidad de

    O? y hr2.

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    Se tiene cuatro parámetros desconocidosk. E, y p.

    K

    es una

    ecuación no lineal con rcspecto a todos

    los

    parimetros excepto

    . \

    .

    1-a

    ejtimación

    (It

    los parámetros

    no

    lineales

    es

    un

    problema

    de

    o p t imizx i c in : se equiereencontrar

    los

    \.alores

    de

    k . E,

    cc

    >

    p.

    los cuales

    I n i n i m i n n

    ( $ = E '" y i -

    >- I2

    donde

    TI = número de datos

    J =

    \.alores medios experimentales

    de

    la

    \

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    Jlcttodo

    de

    solución.

    I . sa

    la subrutina

    ".;ol\,e".

    Esta subrutinamplea

    el

    Inktodo de

    llarquardt, el cual

    es

    unanterpolaciónptimantre

    el metodo

    de

    linealizacihn local y e1método de "Steepest descent".

    Se requiere

    dos

    subrutinas "user-\\ritten".

    I 1

    SubrutinaFunc

    E\ . a lua

    el

    \'ectorde Lelocidades de reacción predichas, \.. por medio

    del modelo cinitico.usando las Lxiables ndependientesconocidas y un

    coniunto especítico de \.alores estimados

    de los

    parámetros.

    1 7

    Subrutin;l DeriL.

    E\

    d u a P,

    la

    matriz

    de

    deriwdas parciales de

    la

    \.elocidad de reacción

    c o n respecto a

    los

    parámetros.

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    Condiciones Optimas

    de

    Operacion

    del

    Reactor

    Procedimiento

    :

    1 - Sero p u s i e ro na lo rese C (v e lo c id aden t r ad ae los gases

    a l r eac to r

    )

    p ara o b t en er d i f e ren t es t l u jo s mo la res a la en t r ad a d e l mi sm o , d e acu erd o

    con la siguiente ecuación :

    F,.,= AUa 1 mol/ZZ400 cm3)sTp( 73/T) P / I )

    F T , ,

    Flujo total inicial (mol/seg).

    4= Area t ransversal del reactor (cm’) .

    V:,= k’elocidad a la que entran los gases al reactor (cm/seg) .

    STP = Co n d ic io n es es t án d ar d e p res ió n

    y

    t e m p e r a t u r a .

    T = T e m p e r a t u r a K.

    P = Pres ió n ( a tm) .

    2.- S e c a r i a r o n :

    - El

    d iámet ro d e l r eac to r .

    -

    E

    d i á m e t r o por or if icio del p la to (que sos t iene a l cata l iza dor) .

    -

    La al tu ra del reactor .

    -

    La presión

    ( 1

    ltm).

    - La d en s id ad d e los sólidos.

    3.-

    La v elocidad mínima de f luidización se obtubo p o r medio de una co rre lación .

    4. e uti l izó una relación de propi1eno:aire:vapor. La que se varió para invest igar

    la re lación m ín ima que impe día la fo rm ación de

    C O Z .

    5.- Para cada una de és tas condiciones se ob tub ieron

    l o s

    f lu jos molares tan to de l o s

    r ract ivos como productos y conversiones del propileno.

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    Resol\ iendo ésta ecuación

    :

    Remf

    0.23335

    \o tación

    :

    .\r

    =

    i#

    d e Arq u ímed es .

    Renlf

    ft

    de Reynolds a f luidización mínima.

    dl,,

    =

    d i imet ro med io d e l a s p a r t í cu l as d e l ca t a l i zad o r .

    Lnlf= Velocidad mínima de t luidización.

    Corre lacione s para e l tama ño de burb ujas en lechos f luid izados.

    \,,

    =

    . \ rea del ori t icio del plato.

    D

    = Dilimetro del reactor.

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     r= ~ (

    P

    =

    1

    :Itm

    Uilirnetro por orificio del plato = 0.1 cm

    \ 'e loc idad minima de f lu id izac ión Umf 5.5225 cmiseg.

    Dil imetro del reactor

    D)

    200 cm.

    -4l tura del reactor

    (H)

    = 1000 cm.

    l ieiacicin de re act ivo s :prop i leno:aire : \ ,apor

    = 1:5:8.

    Densicind d e

    los

    sblidos ( D s ) = 5.327 g/cm

    L l l f

    =

    ti,

    = 14u

    k L

    ame metro d e

    las

    par t ículas ca ta l í t icas)

    E,{ = 0.35

    Q,

    =

    5317 kgim

    ( D ens i dad de los sól idos)

    3

    . -4r ro jando

    os

    s iguientes da tos :

    Convers ión de l p ropi leno = 7 1

    o

    Select ividad hacia la acroleína del 100 10

    \ .e locidades

    de Reacción

    :

    .-\croleina : K = k \POZPP"~gmol / s * g

    d e

    cata l izador )

    COZ

    :

    Reo:

    = kco:Po:".'Pp'.' :gmol/s

    * g

    de ca ta l i zador}

    Cte. cinét ica de la acrole ína :

    \

    =

    16756 g mo l / ( s * atm1.3 g de ca t a l i zador )

    Cte. cinética del C O Z

    kco? =

    11960

    gmol/(s

    *

    a t m1 . 6 g de ca t a l i zador )

    Energía de ac t ivac ión de a acrole ína

    :

    E

    ~i 16443

    cal/gmol

    Energía de ac t ivac ióndel

    COZ

    E A

    = 27655 cal /gmol

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    Q u é h a c e el p r o g r a m a

    '?

    Le pide ;11 usuar io la re lación m olar de react ivos para u t i l izar los jun to con

    os

    d a to s

    f i jos (p rev i amen te d ec l a rad o s ) d e p res ió n , d i ámet ro ,

    C 3

    t em peratur a , e tc . Pa ra e llo ,

    u t i l iza una corre lación para calcu lar e l d iám etro prom edio de la burbuja . Resuelve

    un s i s tema de ecuaciones median te l método de Newton-Rapson

    y

    así ob tener las

    pres iones de react ivos

    y

    produc tos tan to en la fase burbuja com o en la emuls ión .

    Méto d o d e N ewto n -Rap so n

    (Reso lución de u n s i s tem a de ecuaciones o l ineales)

    Para reso lver e l s i s tema de ecuaciones del balance de mater ia tan to en

    a

    fase

    emuls ión como en la burbuja , u t i l izamos la siguiente técnica

    :

    Do n d e f, represen ta a cada una de las ecuaciones del balance de mater ia .

    Ni

    es

    la

    presión del componente

    i

    en una fase determinada:

    i = 1. 2,

    ....

    10.

    Ten emo s 5 comp onentes en cada una de las fases ( fase