PRODUÇÃO DE FENOL
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Simulação de Processos ASPEN Plus

Para simulações ASPEN do processo de produção de fenol, usaremos um catalisador zeólito. O material se dissocia em íon durante o processo e, portanto, se dissolve. O método da propriedade EPNRTL foi empregado na implementação da simulação ao longo do relatório.

Pressupostos

  • Solubilidade do catalisador
  • O catalisador de zeólito utilizado não foi bem definido. Portanto, havia a necessidade de fazer suposições significativas. Isso ocorre porque a solubilidade do catalisador influenciará a seção de separação do processo, isto é, pode resultar no entupimento do tubo e das bandejas da coluna de destilação. A partir da análise da IUPAC, a maioria das partes do catalisador foi solúvel.

  • Minimização de acetona
  • Suposições tiveram que ser feitas em relação ao solvente necessário para o processo. A partir da análise de água, acetona e misturas de benzeno no reator, foi necessário manter a solução monofásica miscível em 22 psi.

  • Qualidade do peróxido de hidrogênio
  • O peróxido de hidrogênio obtido comercialmente tem aditivos para aumentar sua estabilidade. A quantidade de estabilizadores aumentará sempre com o aumento da força do peróxido de hidrogênio. A análise assume que o peróxido de hidrogênio não contém estabilizadores, de modo a evitar que eles estejam presentes no sistema.

    .
  • Tratamento de esgoto
  • O projeto assumirá que o tratamento de resíduos já existe ou será incluído devido à natureza dos processos químicos realizados.

Simulação em ASPEN plus

Discussão

O reator é onde o processo primário de propileno e benzeno reage, portanto, tem que ser modelado conforme especificado na lista de componentes. Os reatores de alquilação e trans-alquilação são modelados separadamente. Uma faixa de temperatura de 300-400 oC e pressão de 25 atm são adotadas.

Usando a condição de equilíbrio, a pressão não é considerada como a reação ocorre na pressão de equilíbrio, mas é dependente da temperatura e da razão benzeno / propileno. O ASPEN Plus possui sete modelos de reatores disponíveis.

O reator de RGIBBS dependente do equilíbrio é executado na identificação dos constituintes da substância onde a entalpia livre do produto está em seu le

A abordagem da temperatura para cada reacção é implementada enquanto a taxa de fluxo molar da corrente de alimentação é mantida a um valor de um kmol / h e a corrente de alimentação compreende propileno e benzeno. A temperatura do reator é ajustada em 350 oC e pressão em 25 atm. Os efeitos da variação de temperatura e a seletividade nas conversões são monitorados.

Os cálculos feitos baseiam-se na seguinte fórmula

% Seletividade de cumeno = Fcumeneproduct / (Fpropylenefeed-Fpropilenoprod) x 100%

% De conversão de propileno = (FpropylenefeedFpropilenoprod) / Fpropylenefeed x 100%

% De seletividade de m-DIPB = Fmdipbproduct / (Fpropylenefeed-Fpropilenoprod) x 100%

% De seletividade de p-DIPB = Fpdipbproduct / (Fpropylenefeed-Fpropilenoprod) x 100%

onde

Fcumeneproduct = taxa de fluxo molar de cumeno no produto

Fpropylenefeed = taxa de fluxo molar de propileno na ração

Produção de fpropileno = taxa de fluxo molar de propileno no produto

Fmdipbproduct = taxa de fluxo molar de m-DIPB no produto

Fpdipbproduct = taxa de fluxo molar de p-DIPB na substância.

Os modelos de reatores RSTOIC foram adaptados para encontrar o calor padrão de reação para as várias reações

Número de Reação Calor padrão de reação
1 -23.670
2 -24.321
3 0
4 0.649
5 0.649
6 -0.325
7 -0.324

Impacto da temperatura e concentração de benzeno / propileno na reação.

A conversão de propileno aumentou com a adição da concentração de benzeno / propileno para uma determinada temperatura. Isto é devido à proporção reduzida de propileno na alimentação. Verificou-se que a conversão de propileno estava a diminuir com cada adição de calor aplicada para uma concentração constante de benzeno / propileno, como resultado da reacção ser exotérmica. Finalmente, a seletividade de Cumene aumentou com cada aumento na concentração de benzeno / propileno a uma determinada temperatura, à medida que as reações de polialquilação se tornam reduzidas devido à quantidade excessiva de benzeno. O aumento da temperatura aumenta a seletividade de Cumene para qualquer concentração estática de benzeno / propileno, como as reações de transalquilação, sendo endotérmicas, a altas temperaturas.

  • Impacto do aumento / diminuição da temperatura e concentração de benzeno: propileno na conversão de propileno.
  • Impacto do aumento / diminuição da temperatura e concentração de benzeno: propileno na seletividade de cumeno
  • Impacto do aumento / diminuição da temperatura e concentração de benzeno: propileno na seletividade de m-DIPB e p-

Este processo de produção de fenol envolve o cumeno purificado ou reciclado sendo oxidado. O Cumene é introduzido num fluxo no vaso de oxidação que é mantido a 110-115 oC e no intervalo de pH de 6.0 a 8.0. Esta mistura é mantida exposta ao ar comprimido até que pelo menos 20-25% do cumeno seja convertido em hidroperóxido de cumeno

Esta mistura em bruto é concentrada para 80%, depois injectada num reactor em que o hidroperóxido de Cumene é clivagem para fenol e acetona a cerca de 70 oC e à pressão atmosférica. A reação requer uma pequena quantidade de ácido sulfúrico, de modo a ter lugar.

O fluxo é então direcionado para o processo de separação, mas primeiro, é lavado em água, e a acetona é removida como a sobrecarga na primeira coluna. A mistura é então purificada por destilação sucessiva. Na primeira coluna, o Cumene não reagido é transferido para o fluxo de reciclagem. Este cumene é tratado antes de ser enviado de volta ao fluxo de feed.

O processo de purificação é através da hidrogenação catalítica de Metil Estireno para cumeno; isto é conseguido através de fracionamento cuidadoso onde o metil estireno é obtido como subproduto.

A reação do fenol foi em duas etapas. A primeira reação é a produção de hidroperóxido de cumeno por duas matérias-primas, isto é, cumeno e oxigênio. A reação ocorre na torre de oxidação em 110-115 oC e na faixa de pH de 6.0 a 8.0. O produto intermediário que é hidroperóxido de cumeno é usado como reagente no segundo reator, o reator a ser usado é o reator de tanque agitado contínuo (CSTR). A maior parte da conversão ocorre aqui, ou seja, cerca de 90%. No processo de separação, o produto lateral e os resíduos são removidos para obter o produto primário, ou seja, o fenol.

Diagrama básico de fluxo do processo e plano de fundo

Figura 5: diagrama de blocos para o processo de fenol

De modo a fazer uma simulação, o processo de produção de fenol é composto por dois processos, ou seja, oxidação e clivagem de Cumene

Processo de jarretes (oxidação de cumeno)

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

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

Reação de clivagem

(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 3COCH 3

Diagrama de fluxo do processo Aspen

Tabela de destilados em vários estágios

A partir do diagrama, o processo tem seis etapas

  • Oxidação do Cumene para obter hidroperóxido
  • Concentração de hidroperóxido de cumeno
  • Clivagem (decomposição do hidroperóxido de Cumene)
  • Neutralização de efluentes
  • Purificação
  • Tratamento de efluentes

ASPEN plus report

  • Bomba (p-201)
  • Para aumentar a pressão de alimentação de benzeno para 3000 kPa

  • Bomba (p-202)
  • Para aumentar a pressão da alimentação de propileno para 3000 kPa

  • Aquecedor
  • Vaporiza e superaquece a mistura do alimento para 350 oC

  • Reator
  • Onde ocorre a conversão dos reagentes limitantes.

    C 3H 6+C 6H 6-> C 9H 12
  • Navio de flash
  • A combinação do trocador de calor e um tambor flash. Destina-se a reduzir a temperatura e a pressão para separar o propano inerte e propileno não reagido do Cumene e do benzeno.

Cálculo manual de reagentes no reator.

Balanço de Material e Energia

A reação no primeiro reator mostra que o um quilômetro de C 6H 5CH (CH 3) 2e um kmole de O 2irá produzir um kmole de C 6H 5C (CH 3) 2OOH. Também na presença de ácido sulfúrico (H 2SO 4), um kmole de C 6H 5C (CH 3) 2OOH irá clivagem um kmole de C 6H 5OH e um kmole de CH 3COCH 3. Usando a seguinte relação padrão, podemos calcular as massas envolvidas na produção de fenol.

Taxa de entrada de massa = Taxa de produção em massa

Produção de fenol em um ano = 136363.64 toneladas / ano

= 15.56663 toneladas / h

= 15566.63 kg / h

= 165.6 kmole / h

Fração da composição do produto no peróxido de cumeno na mistura no primeiro reator

X3cumene = 0.6

Peróxido de hidróxido de X3cumene = 0.3

X3oxygen = 0.1

Fator de conversão:

Reator X 2 = 90%

Para obter a taxa molar no reator 1, calculamos primeiro o

Balanço Molecular no reator 2 (acidificante).

Equilíbrio de Fenol:

N3X3phenol = N4X4fenol - ar2 N4X4fenol

=> 165.6 kmole / h

a = 1

0 = N4X4phenol - r2 r2

= 165.6 Kmole / h

Balanço de acetona:

N3X3acetone = N4X4acetone–ar2

N4X4acetona = 165.6 kmole / h

Equilíbrio de Peróxido de Cumeno:

Peróxido de hidrogênio N3X3cumene = -ar2 / Xreactor2

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

= 184 kmole / h

Número total de moles no reator de ração 2, N3

Peróxido de hidrogénio N3X3cumene = 184 kmole / h

Peróxido de hidróxido de X3cumene = 0.3 N3 (0.3) = 184 kmole / h

N3 = 613.3 kmole / h

Encontrando vazão mássica para alimentação no reator 2.

F3 = N3X3 cumeno(Sr cumeno) + N3X3 cumenoperóxido de hidrogénio (Mr peróxido de hidróxido de cumeno) + N3X3oxygen (Mr oxigênio)

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

Os valores obtidos indicam que o reactor 2 necessitaria de 73722.26 kg / h de peróxido de cumeno e de cumeno e oxigénio para produzir 15566.63kg / h de fenol à taxa de conversão de 90%.

Para executar totalmente o balanço de material e energia no sistema (hysys), é necessário desenhar as câmaras de conversão e seus respectivos fluxos de entrada e saída.

Comparação dos resultados do ASPEN plus e os resultados do cálculo manual

A partir dos dados fornecidos no relatório ASPEN plus, podemos concluir que o cálculo manual fornece uma indicação clara da substância a ser usada. A simulação fornece uma condição ideal do projeto.

Entrada e Saída Esperadas

O principal objetivo do processo de projeto é analisar o custo e os fundamentos da produção de 100000 toneladas métricas de ácido carbólico anualmente. Dos livros químicos, o peso molecular do Cumene é 120.20 g mol-1 e tem densidade de 862 kg / m3. Enquanto o benzeno tem uma densidade de 876 kg / m3 e peso molecular de 78.11 g / mol. Finalmente, o propileno possui uma densidade de 1.81kg / m3 e um peso molecular de 42.08g / mol. Conclusivamente, o fenol tem uma densidade de 1070kg / m3, enquanto a sua massa molar é 94.11g / mol [9]. Tendo em conta estas densidades e massas molares, serão necessários os seguintes requisitos de entrada: 255050 toneladas métricas de Cumene, 728545 toneladas de propileno e 392490 toneladas de benzeno para fabricar. Estes valores são estimados para as cinco toneladas métricas mais próximas.

Análise de Custos Econômicos

Ao avaliar as alternativas, fazemos a análise de rentabilidade com base nos números de critérios econômicos, ou seja, período de retorno, análise de fluxo de caixa e taxa interna de retorno. Aplicamos o custo operacional anual equivalente na análise

Análise de Rentabilidade

EAOC = - (valor do produto - custo de alimentação - outros custos operacionais - anuidade de custo de capital)

Quando o valor de EAOC é negativo, indica rentabilidade. O custo de cumeno e benzeno foi obtido do repórter de marketing químico. A anuidade de custo de capital (um custo anual) é um custo fixo único que envolve principalmente a construção da planta. É definido como

anuidade de custo de capital = FCI ((i (1 + i) n/ (1 + i) n-1)

onde

FCI é o custo instalado de todos os equipamentos;

i é a taxa de juros, i = 0.15;

n é a vida útil para fins contábeis, n = 10.

Discussão de lucratividade

Para aplicação industrial, o plano pode ser aproximado para consumir $ 25 milhões em custos fixos mais $ 127.6 milhões / ano em gastos diretos de capital [7]. Os custos estáticos serão acumulados através da compra de equipamentos como; caldeiras, um pré-aquecedor, um reator, um aquecedor, refrigeradores, refluxos, um compressor, condensadores, colunas e condutos [7]. A maior parte dos custos diretos de capital resultará da compra de matérias-primas. Que pode ser projetado para custar $ 1.37, $ 1.12, $ 1.20 e $ 3.30 por kg, respectivamente, para Cumene, propileno, benzeno e DIPB. Os materiais básicos estão previstos para causar um gasto anual de $ 133419932 $ 45552468, $ 79919133 e $ 12521737 em textualmente, como abaixo.

Matéria-prima Custo por kg ($) Custo anual ($)
Cumene 1.37 133419932
Propileno 1.12 45552468
benzeno 1.20 79919133
DIPB 3.30 12521737

Metas de produção

Construção e maquinaria de terra

Descrição Medição / quantidade Custo
Área coberta Sq. Ft. 500
Área descoberta Sq. Ft. 500
Área total Sq. Ft. 1000
Instalações alugadas 2000
reatores 1 34255.03
Misturadores 1 34255.03
Máquinas de separação 1 34255.03

Custo estimado por ano

Custo recorrente total por ano 26951.26
Depreciação de máquinas e equipamentos 372.34
Juros sobre investimento total @ 10% 595.74
total 27919.34
Venda
item Quantidade Valor ($)
Fenol 100,000 34255.03
Total 34255.03

Rentabilidade

Lucro bruto anual 6335.69
Porcentagem de lucro em vendas 18.50%
Custo fixo anual 8668.01
Venda anual 34255.03
Custo Variável Anual 18283.25
Ponto de equilíbrio 54.27%

Problemas de segurança e perigo

Saúde e Segurança

A necessidade de gerenciamento de segurança é necessária pela presença de materiais inflamáveis ​​e tóxicos. O processo deve considerar o controle da qualidade do processo e desvios dentro dos processos.

Documentação de segurança de processo

Benzeno

Este produto químico é muito perigoso quando inalado. Também é irritante para a pele e os olhos. Quando derramado em grande quantidade, deve ser impedido de entrar em contato com calor ou com uma fonte de ignição. Os equipamentos de proteção devem ser usados ​​como óculos de proteção contra respingos, aventais de laboratório e luvas. Também é considerado cancerígeno.

O peróxido de hidrogênio

Tem um efeito de irritação da pele e dos olhos. Também é corrosivo para a pele e os olhos em caso de contato. Também pode causar danos nos tecidos e no trato respiratório. Pode causar combustão e fornecer oxigênio para sustentar incêndios. Equipamentos de proteção individual, como luvas, protetor facial, botas, respirador de vapor e roupa completa devem ser usados.

Fenol

É perigoso em caso de contato ou inalação. É irritante tanto para a pele como para o olho. A exposição também pode causar danos ao pulmão, rins e sistema nervoso central. A proteção pessoal deve incluir um avental sintético, vapor, óculos de proteção contra respingos, luvas e respiradores contra poeira.

Limites de inflamabilidade

O benzeno tem um limite de inflamabilidade de 1.2 por cento para 11.5 por cento em volume de oxigênio. O benzeno presente no vapor do efluente requer um mecanismo de controle para evitar incêndios. Um gás natural controlado é alimentado

Análise Hazop

O processo de produção de fenol é exotérmico, portanto, há provisão para um sistema de refrigeração. Interrupção no sistema de refrigeração aumenta a temperatura dos reatores. Essas mudanças de temperatura podem resultar em uma reação descontrolada que pode acabar arrebatando os vasos. Os pontos de interesse observados são a linha de água de resfriamento, a linha de alimentação de monômero, o vaso do reator e o motor de agitação. A partir da análise Hazop, podemos obter as seguintes modificações:

  • Introdução de um sistema de monitoramento de alta temperatura para alertar os operadores
  • Instalação de um medidor de água de resfriamento e alarme para indicação imediata na perda de água de resfriamento.
  • Provisão para um desligamento de alta temperatura, que irá desligar o sistema em caso de sobreaquecimento do reator.
  • Instalação de uma válvula de retenção para impedir o fluxo reverso da água de resfriamento.

O relatório Hazop pode ser apresentado como:

Problemas ambientais

Vários elementos de produção devem ser considerados para tornar a planta ambientalmente correta. Flare deve ser incluído para evitar que compostos orgânicos sejam liberados no ar. Quaisquer efluentes gasosos resultantes são combinados, purificados e passados ​​através do queimador para filtração de compostos orgânicos. O metano é incluído como um alimento controlado para reduzir a inflamabilidade do sistema.

Os processos químicos envolvidos na produção de fenol têm vários impactos no meio ambiente. Estes efeitos no meio ambiente são devidos aos diferentes tipos de resíduos gerados durante todo o processo. Estes resíduos são

  • Acetofenona
  • Água acidificada

Esses resíduos são gerados nas várias etapas do processo e têm diferentes impactos no meio ambiente. A acetofenona é um subproduto importante de todo o sistema.

A água acidificada é liberada dos processos que ocorrem na câmara de separação. Este resíduo é gerado quando o pH da água é reduzido e é depositado devido à precipitação. A água interrompe o ecossistema e o fluxo significativo de nutrientes leva à morte de peixes de água doce e plantas que dependem das condições de PH.

Propriedades da água acidificada incluem:

Propriedades físicas dados
Fórmula química H2O
Estado físico à temperatura ambiente Líquido
Odor -
Aparência líquido incolor
Ponto de ebulição 100 ° C
Ponto de fusão 0 ° C
Densidade relativa 1g / cm3
Massa molar X
solubilidade Infinito
Viscosidade 8.90 x 10-4 Pa.s
pH 3.0

A partir destas condições ambientais, é evidente que a planta requer muita água para o processo de reciclagem, portanto, seria aconselhável que esteja localizado perto de uma fonte de água. Esta localização também é apoiada pelo fato de que o transporte para o mercado internacional será facilitado por vias navegáveis. O efluente é utilizado para garantir uma operação rica em combustível e permitir a queima.

O layout do terreno da fábrica

O layout é projetado dessa maneira para permitir a entrada do material e deixar o produto de maneira conveniente. A fábrica está situada no centro do layout para torná-lo acessível a partir de todas as partes do campus.

caso

[1] informações ncfb, "fenol," Biblioteca nacional de medicina dos EUA, Rockville Pike.

[2] c. saudar, "Análise FT-NIR do Processo Hock para a produção de fenol e acetona" Thermo fisher scientific inc, madison, 2008.

[3] a. coringa "fenol, acetona, cumeno" nexant, 2012.

[4] L. Pellegrini, S. Bonomi e G. Biardi, "SIMULAÇÃO DINÂMICA DA SEÇÃO DA CLIVAGEM EM UMA PLANTA DE FENOL PARA ANÁLISE DE SEGURANÇA" Departamento de Química, Politécnico de Materiais e Engenharia Química de Milão, Milão, 2001.

[5] M. Ceasar, "Módulo de processo PEP USANDO Zeolite CATALYST" 1999.

[6] WH Organization, "cumene" organização mundial de saúde, New York City, 1999.

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

[8] e. Berube, "A produção de fenol oxidases por fungos da podridão branca em cultura líquida submersa" Universidade McGill, 2003.

[9] Wolfgang Schmidt “Process Simulation - uma ferramenta eficiente e capaz em tecnologia ambiental” Chemstations Deutschland GmbH.

[10] NIRLIPT MAHAPATRA “Projeto e simulação da planta de cumeno usando aspen

adiçãoInstituto Nacional de Tecnologia Rourkela 2010

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