Produccion de fenol
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Simulación de procesos ASPEN Plus

Para las simulaciones de ASPEN del proceso de producción de fenol, utilizaremos un catalizador de zeolita. El material se disocia en iones durante el proceso y por lo tanto se disuelve. El método de propiedad EPNRTL se empleó en la implementación de la simulación a lo largo del informe.

Supuestos

  • Solubilidad Catalizador
  • El catalizador de zeolita utilizado no estaba bien definido. Por lo tanto, había la necesidad de hacer suposiciones significativas. Esto se debe a que la solubilidad del catalizador influirá en la sección de separación del proceso, es decir, puede resultar en la obstrucción de la tubería y las bandejas de la columna de destilación. Del análisis de la IUPAC, la mayoría de las partes de los catalizadores eran solubles.

  • Minimización de Acetona
  • Se tuvieron que hacer suposiciones con respecto al solvente requerido para el proceso. A partir del análisis de agua, acetona y las mezclas de benceno en el reactor, fue necesario mantener la solución monofásica miscible en 22 psi.

  • Calidad del peróxido de hidrógeno
  • El peróxido de hidrógeno obtenido comercialmente tiene aditivos para mejorar su estabilidad. La cantidad de estabilizadores siempre aumentará con el aumento de la resistencia del peróxido de hidrógeno. El análisis asume que el peróxido de hidrógeno no contiene estabilizantes para evitar que estén presentes en el sistema.

    .
  • Tratamiento de desechos
  • El proyecto asumirá que el tratamiento de residuos ya existe o se incluirá debido a la naturaleza de los procesos químicos realizados.

Simulación en ASPEN plus

Discusión

El reactor es donde el proceso primario de propileno y benceno reacciona, por lo tanto, debe modelarse como se especifica en la lista de componentes. Los reactores de alquilación y trans-alquilación se modelan por separado. Se adopta un rango de temperatura de 300-400 oC y la presión de 25 atm.

El uso de la condición de equilibrio no se considera presión, ya que la reacción ocurre a la presión de equilibrio, pero depende de la temperatura y la relación benceno / propileno. ASPEN Plus tiene siete modelos de reactores disponibles.

El reactor RGIBBS, dependiente del equilibrio, se ejecuta de manera consistente con los constituyentes de la sustancia donde la entalpía libre del producto está en su punto más bajo.

El enfoque de temperatura para cada reacción se implementa mientras la velocidad de flujo en moles de la corriente de alimentación se mantiene en un valor de un kmol / hy la corriente de alimentación comprende propileno y benceno. La temperatura del reactor se ajusta a 350 oC y la presión a 25 atm. Se monitorean los efectos de variación de temperatura y la selectividad en las conversiones.

Los cálculos realizados se basan en la siguiente fórmula.

% De selectividad del cumeno = producto de Fumen / (Fpropylenefeed-Fpropyleneprod) x 100%

% De conversión de propileno = (FpropylenefeedFpropyleneprod) / Fpropylenefeed x 100%

% De selectividad de m-DIPB = producto Fmdipb / (Fpropylenefeed-Fpropyleneprod) x 100%

% De selectividad de p-DIPB = producto Fpdipb / (Fpropylenefeed-Fpropyleneprod) x 100%

Donde

Fcumeneproducto = caudal molar de cumeno en el producto

Fpropylenefeed = caudal molar de propileno en la alimentación

Fpropyleneprod = caudal molar de propileno en el producto

Fmdipbproduct = caudal molar de m-DIPB en el producto

Fpdipbproduct = caudal molar de p-DIPB en sustancia.

Los modelos de reactor RSTOIC se adaptaron para encontrar el calor de reacción estándar para las diversas reacciones

Número de reacción Calor de reacción estándar.
1 -23.670
2 -24.321
3 0
4 0.649
5 0.649
6 -0.325
7 -0.324

Impacto de la temperatura y la concentración de benceno / propileno en la reacción.

La conversión de propileno aumentó con la adición de la concentración de benceno / propileno para una temperatura dada. Esto se debe a la reducida proporción de propileno en la alimentación. Se encontró que la conversión de propileno estaba disminuyendo con cada adición de calor aplicado para una concentración constante de benceno / propileno como resultado de que la reacción fuera exotérmica. Finalmente, la selectividad del cumeno aumentó con cada aumento en la concentración de benceno / propileno a una temperatura dada a medida que las reacciones de polialquilación se reducen debido al exceso de benceno. El aumento de la temperatura aumenta la selectividad de Cumene para cualquier concentración estática de benceno / propileno, como las reacciones de trans-alquilación que son endotérmicas ocurren a altas temperaturas.

  • Impacto del aumento / disminución de la temperatura y la concentración de benceno: propileno en la conversión de propileno.
  • Impacto del aumento / disminución de la temperatura y la concentración de benceno: propileno en la selectividad del cumeno
  • Impacto del aumento / disminución de la temperatura y la concentración de benceno: propileno en la selectividad de m-DIPB y p-

Este proceso de producción de fenol implica que el cumeno purificado o reciclado se oxida. El cumeno se alimenta en una corriente en el recipiente de oxidación que se mantiene a 110-115 oC y el rango de pH de 6.0 a 8.0. Esta mezcla se mantiene expuesta a aire comprimido hasta que al menos 20-25% del cumeno se convierte en hidroperóxido de cumeno.

Esta mezcla cruda se concentra a 80% y luego se inyecta en un reactor donde el hidroperóxido de cumeno se escinde en fenol y acetona a aproximadamente 70 oC y la presión atmosférica. La reacción requiere una pequeña cantidad de ácido sulfúrico para que tenga lugar.

Luego, la corriente se dirige al proceso de separación, pero primero, se lava con agua y la acetona se elimina como la cabeza en la primera columna. La mezcla se purifica luego por destilación sucesiva. En la primera columna, el Cumene sin reaccionar se transfiere al flujo de reciclaje. Este cumeno se trata antes de enviarlo de nuevo al flujo de alimentación.

El proceso de purificación se realiza mediante hidrogenación catalítica de metilestireno a cumeno; esto se logró a través del fraccionamiento cuidadoso donde se obtiene el metilestireno como un subproducto.

La reacción del fenol fue en dos pasos. La primera reacción es la producción de hidroperóxido de cumeno por dos materias primas, es decir, cumeno y oxígeno. La reacción tiene lugar en la torre de oxidación a 110-115 oC y rango de pH de 6.0 a 8.0. El producto intermedio que es hidroperóxido de cumeno se usa como reactivo en el segundo reactor, el reactor que se pretende utilizar es el Reactor de tanque de agitación continua (CSTR). La mayor parte de la conversión se produce aquí, es decir, aproximadamente 90%. En el proceso de separación, el producto secundario y los desechos se eliminan para obtener el producto primario, es decir, fenol.

Diagrama de flujo de proceso básico y fondo

Figura 5: Diagrama de bloques para el proceso de fenol

Para realizar una simulación, el proceso de producción de fenol se compone de dos procesos, es decir, oxidación y escisión del cumeno.

Proceso de corvejón (oxidación de cumeno)

C 6H 5CH (CH 3) 2+O 2C 6H 5C (CH 3) 2OH

C 6H 5CH (CH 3) 2+ 1.5O2 → (CH 3) 2C 6H 3CH 2OH

Reacción de escisión

(CH 3) 2C 6H 3CH 2OH → C 6H 4(C 2H 3) CH 3+ H 2O

C 6H 5C (CH 3) 2OOH → C 6H 5OH + CH 3COCHE 3

Diagrama de flujo del proceso Aspen

Tabla de destilado en varias etapas.

Desde el diagrama el proceso tiene seis pasos.

  • Oxidación del cumeno para obtener hidroperóxido.
  • Concentración de hidroperóxido de cumeno
  • Escisión (descomposición del hidroperóxido de cumeno)
  • Neutralización de efluentes
  • Purificación
  • Tratamiento de efluentes

Informe ASPEN plus

  • Bomba (p-201)
  • Para aumentar la presión de la alimentación de benceno a 3000 kPa

  • Bomba (p-202)
  • Para aumentar la presión de la alimentación de propileno a 3000 kPa

  • Calentador
  • Vaporiza y sobrecalienta la mezcla del alimento a 350 oC.

  • Reactor
  • Donde tiene lugar la conversión de los reactivos limitantes.

    C 3H 6+C 6H 6-> C 9H 12
  • Flash buque
  • La combinación del intercambiador de calor y un tambor de flash. Dirigido a disminuir la temperatura y la presión para separar el propano inerte y el propileno no reaccionado del cumeno y el benceno.

Cálculo a mano de reactivos en el reactor.

Balance de materiales y energía

La reacción en el primer reactor muestra que el kmole de C 6H 5CH (CH 3) 2y un kmole de O 2producirá un kmole de C 6H 5C (CH 3) 2OH. También en presencia de ácido sulfúrico (H 2SO 4), un kmole de C 6H 5C (CH 3) 2OOH escindirá un kilómetro de C 6H 5OH y un kmole de CH 3COCHE 3. Usando la siguiente relación estándar podemos calcular las masas involucradas en la producción de fenol.

Tasa de entrada de masa = Tasa de salida de masa

Producción de fenol en un año = 136363.64 toneladas / año

= 15.56663 toneladas / h

= 15566.63 kg / h

= 165.6 kmole / h

Fracción de la composición del producto en el hidróxido de cumeno en la mezcla en el primer reactor

X3cumene = 0.6

X3cumeno hidro peróxido = 0.3

X3oxygen = 0.1

Factor de conversión:

X reactor 2 = 90%

Para obtener la tasa molar en el reactor 1 primero calculamos la

Balance de Moléculas en el reactor 2 (acidificante).

Balance de fenol:

N3X3phenol = N4X4phenol - ar2 N4X4phenol

=> 165.6 kmole / h

a = 1

0 = N4X4phenol - r2 r2

= 165.6 Kmole / h

Equilibrio de acetona:

N3X3acetone = N4X4acetone–ar2

N4X4acetone = 165.6 kmole / h

Equilibrio de peróxido de cumeno:

N3X3cumeno hidróxido de peróxido = -ar2 / Xreactor2

= - (-1) (165.6) / (0.9)

= 184 kmole / h

Número total de moles en el reactor de alimentación 2, N3

N3X3cumeno hidróxido de xeno = 184 kmole / h

X3cumeno hidro peroóxido = 0.3 N3 (0.3) = 184 kmole / h

N3 = 613.3 kmole / h

Encontrar el caudal másico para la alimentación en el reactor 2.

F3 = N3X3 cumeno(Señor cumeno) + N3X3 cumenoagua oxigenada (Mr hidróxido de cumeno) + N3X3oxygen (Mr oxígeno)

=> (613.33) (0.6) (120) + (613.33) (0.3) (150) + (613.33) (0.1) (32) = 73722.26 kg / h

Los valores obtenidos indican que el reactor 2 requeriría 73722.26 kg / h del hidróxido de cumeno y cumeno y oxígeno para producir 15566.63kg / h de fenol a la tasa de conversión del 90%.

Para realizar completamente el balance de energía y material en el sistema (hysys), es necesario dibujar las cámaras de conversión y sus respectivos flujos de entrada y salida.

Comparación de los resultados de ASPEN plus y los resultados del cálculo manual

A partir de los datos proporcionados en el informe ASPEN plus, podemos concluir que el cálculo manual da una indicación clara de la sustancia a utilizar. La simulación proporciona una condición ideal del proyecto.

Entrada y salida esperadas

El objetivo principal del proceso de diseño es analizar el costo y los fundamentos de la producción de 100000 toneladas de ácido carbólico anualmente. De los libros químicos, el peso molecular de Cumene es 120.20 g mol-1 y tiene una densidad de 862 kg / m3. Mientras que el benceno tiene una densidad de 876 kg / m3 y un peso molecular de 78.11 g / mol. Finalmente, el propileno posee una densidad de 1.81kg / m3 y un peso molecular de 42.08g / mol. En conclusión, el fenol tiene una densidad de 1070kg / m3, mientras que su masa molar es 94.11g / mol [9]. Teniendo en cuenta estas densidades y masas molares, se harán necesarios los siguientes requisitos de entrada: 255050 toneladas métricas de cumeno, 728545 toneladas de propileno y 392490 toneladas de benceno para fabricar. Estos valores se estiman a las cinco toneladas métricas más cercanas.

Análisis de costos económicos

Al evaluar las alternativas, realizamos el análisis de rentabilidad en función de la cantidad de criterios económicos, es decir, el período de amortización, el análisis del flujo de caja y la tasa interna de rendimiento. Aplicamos el costo operativo anual equivalente en el análisis.

Cuenta de resultados

EAOC = - (valor del producto - costo de alimentación - otros costos operativos - anualidad de costo de capital)

Cuando el valor de EAOC es negativo, indica rentabilidad. El costo del cumeno nad benceno se obtuvo de un reportero de marketing químico. La anualidad del costo de capital (un costo anual) es un costo fijo único que conlleva principalmente la construcción de la planta. Se define como

anualidad del costo de capital = FCI ((i (1 + i) n/ (1 + i) n-1)

Donde

FCI es el costo instalado de todo el equipo;

i es la tasa de interés, i = 0.15;

n es la vida útil de la planta para fines contables, n = 10.

Discusión sobre la rentabilidad.

Para aplicaciones industriales, el plan puede ser aproximado para consumir $ 25 millones en costos fijos más $ 127.6 millones / año en gastos de capital directos [7]. Los costos estáticos se acumularán a través de la compra de equipos tales como; Calderas, un precalentador, un reactor, un calentador, refrigeradores, reflujos, un compresor, condensadores, columnas y condacuums [7]. La mayoría de los costos de capital directos resultarán de la compra de materias primas. La cual puede proyectarse a un costo de $ 1.37, $ 1.12, $ 1.20 y $ 3.30 por kg, respectivamente, para cumeno, propileno, benceno y DIPB, se prevé que los materiales básicos causen un gasto anual de $ 133419932 $ 45552468, $ 79919133 y $ 12521737 en forma literal como se tabula a continuación.

Materia prima Costo por kg ($) Costo anual ($)
Cumene 1.37 133419932
Propileno 1.12 45552468
benceno 1.20 79919133
DIPB 3.30 12521737

Objetivos de producción

Construcción de terrenos y maquinaria

Descripción Medida / cantidad Costo
Área cubierta Sq. Pie. 500
Área descubierta Sq. Pie. 500
Área total Sq. Pie. 1000
Locales alquilados 2000
Reactores 1 34255.03
Mezcladores 1 34255.03
Maquinas de separacion 1 34255.03

Costo estimado anual

Costo total recurrente por año. 26951.26
Depreciación de maquinaria y equipos. 372.34
Intereses sobre la inversión total @ 10% 595.74
total 27919.34
Ventas
Asunto Cantidad Valor ($)
Fenol 100,000 34255.03
Total 34255.03

Rentabilidad

Ganancia bruta anual 6335.69
Porcentaje de ganancia en ventas 18.50%
Costo fijo anual 8668.01
Venta anual 34255.03
Costo variable anual 18283.25
Punto de equilibrio 54.27%

Problemas de seguridad y peligro

Salud y Seguridad

La necesidad de una gestión de seguridad se hace necesaria por la presencia de materiales inflamables y tóxicos. El proceso debe considerar el control de la calidad del proceso y las desviaciones dentro de los procesos.

Documentación de Seguridad de Procesos

Benceno

Este producto químico es muy peligroso cuando se inhala. También es irritante tanto para la piel como para los ojos. Cuando se derrama una gran cantidad, se debe evitar que entre en contacto con el calor o una fuente de ignición. Se debe usar equipo de protección como gafas protectoras, batas de laboratorio y guantes. También se considera carcinógeno.

Peróxido de hidrógeno

Tiene un efecto irritante para la piel y los ojos. También es corrosivo para la piel y los ojos en caso de contacto. También puede causar daños en tejidos y vías respiratorias. Puede causar combustión y proporcionar oxígeno para sostener incendios. Se debe usar equipo de protección personal, es decir, guantes, careta, botas, respirador de vapor y traje completo.

Fenol

Es peligroso en caso de contacto o inhalación. Es irritante tanto para la piel como para los ojos. La exposición también puede provocar daños en los pulmones, los riñones y el sistema nervioso central. La protección personal debe incluir un delantal sintético, vapor, gafas protectoras, guantes y respiradores para polvo.

Límites de inflamabilidad

El benceno tiene un límite de inflamabilidad de 1.2 por ciento a 11.5 por ciento en volumen de oxígeno. La presencia de benceno en el vapor del efluente requiere un mecanismo de control para evitar incendios. Una alimentación controlada de gas natural en el

Análisis de las algas

El proceso de producción de fenol es exotérmico, por lo que se prevé un sistema de enfriamiento. La interrupción en el sistema de enfriamiento aumenta la temperatura de los reactores. Estos cambios en la temperatura pueden dar como resultado una reacción descontrolada que puede en última instancia arrebatar los vasos. Los puntos de interés señalados son la línea de agua de enfriamiento, la línea de alimentación de monómero, el recipiente del reactor y el motor de agitación. Del análisis de Hazop podemos obtener las siguientes modificaciones:

  • Introducción de un sistema de monitoreo de alta temperatura para alertar a los operadores.
  • Instalación de un medidor de agua de refrigeración y alarma para una indicación inmediata de la pérdida de agua de refrigeración.
  • Provisión para un apagado por alta temperatura, que cerrará el sistema en caso de sobrecalentamiento del reactor.
  • Instalación de una válvula de retención para evitar el flujo inverso del agua de refrigeración.

El informe Hazop se puede presentar como:

Cuestiones ambientales

Se deben considerar varios elementos de producción para que la planta sea amigable con el medio ambiente. Se debe incluir un destello para evitar que los compuestos orgánicos se liberen en el aire. Cualquier efluente de gas resultante se combina, se purifica y se pasa a través de la bengala para filtrar los compuestos orgánicos. El metano se incluye como alimentación controlada para reducir la inflamabilidad del sistema.

Los procesos químicos involucrados en la producción de fenol tienen varios impactos en el medio ambiente. Estos efectos en el medio ambiente se deben a los diferentes tipos de residuos generados durante todo el proceso. Estos residuos son

  • Acetofenona
  • Agua acidificada

Estos desechos se generan en las distintas etapas del proceso y tienen diferentes impactos en el medio ambiente. La acetofenona es un subproducto importante de todo el sistema.

El agua acidificada se libera de los procesos que ocurren en la cámara de separación. Este desperdicio se genera cuando el PH del agua disminuye y se deposita debido a la precipitación. El agua altera el ecosistema y el flujo significativo de nutrientes conduce a la muerte de peces y plantas de agua dulce que dependen de las condiciones de pH.

Las propiedades del agua acidificada incluyen:

Propiedades físicas datos
Fórmula química H2OH
Estado físico a temperatura ambiente. Líquido
Olor -
Apariencia líquido incoloro
Punto de ebullición 100 ° C
punto de fusión 0 ° C
Densidad relativa 1g / cm3
Masa molar X
solubilidad Infinito
Viscosidad 8.90 x 10-4 Pa.s
pH 3.0

A partir de estas condiciones ambientales, es evidente que la planta requiere mucha agua para el proceso de reciclaje, por lo que sería aconsejable que esté ubicada cerca de una fuente de agua. Esta ubicación también está respaldada por el hecho de que el transporte al mercado internacional se facilitará mediante los cursos de agua. el efluente se utiliza para garantizar un funcionamiento rico en combustible y permitir el quema.

La disposición del suelo de la fábrica.

El diseño está diseñado de esa manera para permitir la entrada de material y dejar el producto de manera conveniente. La fábrica está situada en el centro del diseño para que sea accesible desde todas las partes del campus.

Referencias

[1] información ncfb, "fenol," Biblioteca nacional de medicina de los Estados Unidos, Rockville Pike.

[2] c. granizo, "Análisis FT-NIR del Proceso Hock para la producción de fenol y acetona" Thermo fisher scientific inc, madison, 2008.

[3] a. cochero "fenol, acetona, cumeno" nexant, xnumx.

[4] L. Pellegrini, S. Bonomi, y G. Biardi, "SIMULACIÓN DINÁMICA DE LA SECCIÓN DE LIMPIEZA EN UNA PLANTA DE FENOL PARA EL ANÁLISIS DE SEGURIDAD" Departamento de Química, Materiales e Ingeniería Química Politécnico de Milán, Milán, 2001.

[5] M. Ceasar, "Módulo de Procesos PEP UTILIZANDO CATALIZADOR DE Zeolita" 1999.

[6] Organización WH, cumeno Organización Mundial de la Salud, Ciudad de Nueva York, 1999.

[7] e. Canadá, "fenol," Ambiente Canadá, Ottawa, 2000.

[8] e. Berube, "La producción de fenol oxidasas por hongos de la pudrición blanca en un cultivo líquido sumergido" Universidad de McGill, 2003.

[9] Wolfgang Schmidt “Simulación de procesos: una herramienta eficiente y capaz en tecnología ambiental” Químicas Deutschland GmbH.

[10] NIRLIPT MAHAPATRA “Diseño y simulación de planta de cumeno utilizando álamo

Plus”Instituto Nacional de Tecnología Rourkela 2010

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