Proceso- Hidrogenacion - Benceno PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICAESCUELA DE INGENIERIA QUIMICAINFORME ACADÉMICO“HIDROGENACION DEL BENCENO PARA LA OBTENCION DE CICLOHEXANO”AUTORES:- RIVADENEYRA BURGOS, CINTYA STEFANY- TORRES GARCIA, CARLOS- VIDAL HUAMAN, ANGIE ANTONELA- BENITES PEREDA, CARLOS- TAUZET MA...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

INFORME ACADÉMICO

“HIDROGENACION DEL BENCENO PARA LA OBTENCION DE CICLOHEXANO”

AUTORES: -

RIVADENEYRA BURGOS, CINTYA STEFANY -

TORRES GARCIA, CARLOS

VIDAL HUAMAN, ANGIE ANTONELA -

BENITES PEREDA, CARLOS TAUZET MALAGA, GIANPIERO

Trujillo - Perú 2020

INDICE 1.INTRODUCCION.........................................................................................................................2 1,1 ANTECEDENTES..................................................................................................................2 1.2 CONCEPTOS..........................................................................................................................3 1.2.1 HIDROGENACION.........................................................................................................3 1.2.3 HIDROGENACION DEL BENCENO.............................................................................3 1.2.4 CATALIZADOR..............................................................................................................3 1.3 OBJETIVOS...........................................................................................................................4 2 DESARROLLO.............................................................................................................................4 2.1 METODOS DE OBTECION DE CICLOHEXANO..............................................................4 2.1.1 HIDROGENACION DE BENCENO...............................................................................4 2.1.1.1 PROCESOS EN FASE LIQUIDA.................................................................................4 2.1.1.2 PROCESOS EN FASE VAPOR.....................................................................................6 2.1.1.3 PROCESOS EN FASE LIQUIDO-VAPOR...................................................................7 2.1.2 SEPARACION DE LAS FRACCIONES DE NAFTA PESADA.....................................8 2.1.3 SATURACION DE OLEFINAS......................................................................................8 2.2 ELECCION DEL PROCESO..................................................................................................8 2.3 OBTENCION DEL CICLOHEXANO....................................................................................9 2.3.1 Reacción principal............................................................................................................9 2.3.2 Condiciones de operación en el reactor:...........................................................................9 2.3.3 Reacciones Secundarias:...................................................................................................9 2.3.4 Propiedades físico-químicas de reactantes y productos....................................................9 2.3.5 Variables Termodinámicas de la reacción principal..........................................................9 2.3.6 Tipo de reactor..................................................................................................................9 2.3.7 Equipos para el acondicionamiento de materia prima y las condiciones de reacción......10 2.3.8 Equipos para separar el producto principal de los subproductos y materia prima que no ha reaccionado..............................................................................................................................10 2.4 USOS DEL CICLOHEXANO EN LA INDUSTRIA QUIMICA:.........................................10 3 CONCLUSIONES........................................................................................................................11 4.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.........................................................................................11

1. INTRODUCCION Según los diferentes estudios de la empresa Henan Haofei Chemical (2018). A medida que ha ido creciendo la población en los últimos años, así como también la ciencia y la tecnología, hace que la población tenga más necesidades para el desarrollo de una mejor calidad de vida, esto nos llevó al desarrollo de nuevas materias. La innovación del petróleo como materia prima, para producción de combustibles y como base de la industria química, esto hizo un cambio en la economía y el desarrollo de nuevos productos hoy necesarios que hace unos años se desconocía. El benceno es materia prima del petróleo y su obtención es mediante distintos métodos, ha sido y es unos de los productos base más importantes en la petroquímica. Mediante la hidrogenación del benceno es obtenido el ciclohexano. Y es uno de los productos de mayor importancia en la petroquímica para la producción de fibras sintéticas. El incremento en la demanda de los productos derivados del petróleo, se debe al menor uso de las materias primas tradicionales, por nuevas y mejores materias sintética, y también el uso en la industria textil, fertilizantes, plásticos, farmacéutica y química. Productos que han facilitado la vida cotidiana del ser humano. La ingeniería de procesos en el diseño y desarrollo de una planta industrial, como el caso de obtención de ciclohexano. Para determinar parámetros en la producción de ciclohexano, debemos tener en cuenta la capacidad de cada uno de los equipos del proceso y del rendimiento general de la planta. De la manera sostenible y económicamente rentable tanto para el ambiente como para la industria. Cumpliendo aspectos de la GREEN ENGINEERING.

1,1 ANTECEDENTES -

Según Robles (2017). En sus inicios, la obtención de ciclohexano se producía por destilación fraccionada de bencina bruta, con el problema de que la pureza era del 85%. Mediante el proceso de isomerización del metilciclopentano a ciclohexano se desarrolló patentes como Humble oil y Atlantic richfield (EE. UU) lo que aumento su pureza y calidad a un 98%. Por el incremento del uso del ciclohexano en la producción de nylon 6 y nylon 6. La producción por estos métodos no cubría la gran demanda del ciclohexano. Es debido a esto que, a inicios del siglo XX hasta ahora, gran parte del ciclohexano es producido por hidrogenación del benceno.

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El ciclohexano de puede obtener de manera directa de la nafta del petróleo, el único inconveniente es la presencia de otros compuestos con el mismo punto de ebullición como: metilciclopentano, dimetil pentano, n-hexano. Esto aumentaba la dificultad y el costo para obtener ciclohexano a partir de la nafta del petróleo por destilación fraccionada o la recristalización. En 1991 la compañía Phillips Petroleum obtenía ciclohexano por destilación con un 85% de pureza (p.4).

1.2 CONCEPTOS 1.2.1 HIDROGENACION Según (Robles, 2017) Hidrogenación es una reacción química tipo redox, que al producto final la adición de un hidrogeno (H2). Esta reacción por lo general implica elevadas temperaturas y moderadamente la presión alta con dispersión de un catalizador. La finalidad más común de esta reacción son compuestos orgánicos como: cetonas alquinos aminas, alquenos y nitrilos. (p. 27) 1.2.2 CICLOHEXANO Es un hidrocarburo compuesto por 6 átomos de carbono y 12 de hidrogeno, siendo su fórmula C6H12. Es una cadena de carbonos cerrado. (Robles, 2017. p. 4) Es obtenido por la hidrogenación del benceno en elevadas presiones con un catalizador y también por ciclación de compuestos alifáticos. Su uso más destacado es en la producción de nylon (Robles, 2017. p. 4)

1.2.3 CATALIZADOR El catalizador es una sustancia que se puede añadir a una reacción para incrementar la velocidad sin que se consuman en el proceso. Gran parte de los procesos químicos necesitan la utilización de un catalizador para acelerar el proceso. (Robles, 2017. p. 13)

1.3 OBJETIVOS -

Descripción del proceso de hidrogenación del benceno, para la obtención de ciclohexano.

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Dar a conocer algunas formas de hidrogenación del benceno.

1. DESARROLLO

1.1 METODOS DE OBTECIÓN DE CICLOHEXANO La obtención del ciclohexano a nivel industrial hace énfasis a tres procesos principales, que difieren en aspectos importante como es la naturaleza del catalizador, tipo y/o diseño del reactor, condiciones termodinámicas de la reacción principal, etc. Cumpliendo la demanda del ciclohexano en el mercado industrial, A continuación, haremos mención de estos procesos. (Robles, 2017. p.27 )

2.1.1 HIDROGENACION DE BENCENO Es el método más utilizado en las plantas petroquímicas de derivados del petróleo, enfocados en la reacción catalítica altamente exotérmica y, este proceso se realiza bajo ciertas condiciones de operación, ya sea en fase liquida, fase vapor o fase mixta. El benceno es utilizado como materia prima que debe de ser altamente puro para que sea fácil la conversión en una sola pasada a ciclohexano. (Robles, 2017. p.27 -28)

2.1.1.1 PROCESOS EN FASE LIQUIDA 

HYDRAR PROCESS (HBU UNIBON)

Es uno de los primeros métodos a escala industrial de obtención de ciclohexano. Tiene el uso de un catalizador de platino (soportado sobre una base de sal de litio) este catalizador soportaba contenidos de azufre de hasta 30 ppm. El hidrogeno primero era tratado con sosa caustica para eliminar H2SO4 y CO2. La corriente liquida que ingresa al reactor que tiene benceno y ciclohexano recirculado, se comprime y se eleva tanto la temperatura como la presión hasta los niveles requeridos. (Robles, 2017. P, 28 )

Imagen 1. Proceso Hydrar para la producción de ciclohexano (Chauvel A., Lefrebvre, G., 1989)

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PROCESO CINCLAIR/ENGELHARD (HA-84)

Se basa en un reactor (lecho fijo) que tiene adherido con una camisa refrigerante que produce vapor de agua. La corriente que sale del reactor entra en un separador gas-líquido que recupera el gas que no ha sido reaccionado y llevar la del líquido a una segunda fase de separación. Este proceso alcanza una pureza de 99.9% en peso de ciclohexeno. (Robles, 2017. P, 29-30 )

Imagen 2. Proceso HA-84 para la producción de Ciclohexano (Hydrocarbon Processing, 1981) 

PROCESO IFP (INSTITUTO FRANCES DE PETROLEO

El benceno y el hidrogeno pasan directamente sin un calentamiento previo al reactor, que tiene un catalizador (en suspensión). El calor generado por la reacción se enfría por la suspensión del catalizador y el agua a presión. La suspensión del catalizador a altas velocidades por un intercambiador exterior mediante una bomba que recircula. la adición del hidrogeno al benceno se completa en un segundo reactor don el producto obtenido tiene una pureza de 99.8%. (Robles, 2017. P, 30 )

Imagen 3. Proceso IFP para la producción de Ciclohexano (Chauvel A., Lefrebvre, G., 1989)

2.1.1.2 PROCESOS EN FASE VAPOR 

PROCESO BEXAME

Desarrollado por la empresa Stamicarbon, emplea dos reactores (multitubulares) con un catalizador de platino y de níquel. La corriente de alimentación es precalentada con la recirculación del primer reactor. Esto se lleva a 30- 35 bar y 370 °C, esto se lleva a una segunda fase de reacción a 220 °C donde termina la reacción es terminada y sale el producto final con una pureza de 99.9%.(Robles, 2017. P,

31) )

Imagen 4. Proceso Bexane para la producción de Ciclohexano (Hydrocarbon Processing, 1981)

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PROCESO HYTORAY

El proceso este compuesto por un reactor adiabático y su diseño permite el control de la temperatura donde la conversión que tiene es del 99.7%. se usa el catalizador T-61 que se basa en un metal noble. El consumo de hidrogeno tiene niveles bajos a diferencia de otros procesos. El producto es acondicionado y separado de la fase gaseosa. (Robles, 2017. P, 32 )

Imagen 5. Proceso Hytoray para la producción de Ciclohexano (Hydrocarbon Processing, 1981)

2.1.1.3 PROCESOS EN FASE LIQUIDO-VAPOR 

PROCESO BP (British Petroleum)

Este proceso cuenta con catalizador de níquel y dos reactores (lecho fijo) en serie en el primero llegamos a un 95% y en el segundo se alcanza una conversión casi del 100%, también se tiene el control de la temperatura en la reacción exotérmica. Este proceso trabaja a bajas presiones de hidrogeno teniendo una elevada selectividad. El primer reactor trabaja a altas velocidades obteniendo una menor conversión, el segundo completa la reacción cercana al 100%. (Robles, 2017. P, 32 )

Imagen 6. Proceso BP para la producción de Ciclohexano (Hydrocarbon Processing, 1981).

2.1.2 SEPARACION DE LAS FRACCIONES DE NAFTA PESADA Antiguamente este método fue el principal pionero Para la obtención del ciclohexano, se realizaba por medio de destilación simple de fracciones de bencina, pero el producto presentaba cierto grado de impureza, que provocaba que la pureza del producto sea casi el 85%, por ello fue preciso buscar mejorías en el desarrollo de obtención, para alcanzar una mejor calidad del producto, dando paso a la destilación extractiva de cortes apropiados de nafta conteniendo un 5% - 15% aproximadamente de peso en ciclohexano, este nuevo desarrollo mejoro radicalmente la calidad del producto elevando a un 95% de pureza muy por encima de la destilación simple.

2.1.3 SATURACION DE OLEFINAS Este proceso son reacciones de saturación de olefinas que son sumamente rápidas y altamente exotérmicas, esta reacción tiene elevadas disipaciones de calor, esto llevo al desarrollo de procesos adecuados para el control de la temperatura. ( Robles, 2017. P, 33 )

2.2 ELECCION DEL PROCESO En el momento de diseñar se debe tener en cuenta proceso más adecuado para la producción de ciclohexano, debiendo tener en cuenta el método de hidrogenación de benceno, ya que es el proceso más usado a nivel industrial, ya que otros por otros métodos, el nivel de pureza es menor y más costosas. (Robles, 2017. P, 34 ) La hidrogenación del benceno, actualmente es el proceso más utilizado a nivel industrial, por lo cual haremos la elección de este método que requiere el benceno altamente puro como materia prima fundamental para la producción del ciclohexano. En este proceso se hará énfasis a dos fases importantes de la hidrogenación. (Robles, 2017. P, 34 ) -Fase de la transformación de la materia prima - purificación del producto final 

Para desarrollar la obtención del ciclohexano, el diagrama de flujo destinado para su producción seguirá los siguientes criterios. ( -Estudiar la química del proceso -establecer las condiciones de operación en el reactor -Determinar las propiedades físico-químicas y productos y reactantes -establecer las condiciones de operación en el reactor -calcular las variables termodinámicas y cinéticas de la reacción -seleccionar el tipo de reactor sobre las condiciones de operación -analizar la forma como los reactantes ingresaran al reactor y con ellos seleccionar equipos necesarios -Equipos para separar el producto principal de los subproductos

2.3 OBTENCION DEL CICLOHEXANO

2.3.1 Reacción principal →

C6 H 6 +3 H 2 ¿ C6 H 12

2.3.2 Condiciones de operación en el reactor:  Temperatura: 210 °C – 300°C aprox.  Presión: 1-30 atm  Fase: Liquida

2.3.3 Reacciones Secundarias: Haciendo un análisis y buscando en los diferentes textos se pudo deducir que las reacciones secundarias no se producen en esta reacción

2.3.4 Propiedades físico-químicas de reactantes y productos Compuesto

C6 H 6 H2 C6 H 12

Temperatura de Ebullición(°C) 80 ºC -253.15 80,7 ºC

Temperatura de Fusión (°C) 5,5 ºC -259.15 6,47 ºC

Solubilidad en agua 0,18 g/ml 1,7 mg/l Insoluble

2.3.5 Variables Termodinámicas de la reacción principal



∆ H de la reacción:



Reaccion :



Catalizador : Ni

∆H 500K = −214 kJ/mol

Irreversible

2.3.6 TIPO DE REACTOR Para la fase liquida de la reacción el reactor empleado es “Reactor de burbujeo” con catalizador de níquel realizando el proceso a 230 – 300 °C aproximadamente y 50 bar.

2.3.7 EQUIPOS PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE MATERIA PRIMA Y LAS CONDICIONES DE REACCIÓN. 

El hidrogeno y el benceno ingresan de manera directa al reactor.



El reactor y el catalizador ya están condicionados para la reacción.



El catalizador raney se encuentra a 200 – 225 °C y a 50 bar de presión.



La suspensión del níquel es bombeada para disipar mejor el calor.



Se lleva a cabo llevando la suspensión a altas velocidades por un intercambiador exterior por medio de una bomba de recirculación



Esto se lleva a cabo pasando la suspensión de catalizador a altas velocidades a través de un intercambiador exterior por medio de una bomba de recirculación.

2.3.8 EQUIPOS PARA SEPARAR EL PRODUCTO PRINCIPAL DE LOS SUBPRODUCTOS Y MATERIA PRIMA QUE NO HA REACCIONADO. 

Al formarse dos fases (orgánica y acuosa), estas se separan en un tanque de separación liquido-liquido.

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

Del primer separador sale la fase orgánica que tiene ácidos inorgánicos, es necesario lavar toda la fase orgánica con una solución diluida de NaOH, antes de ser llevado a la columna de destilación. Los compuestos a separar son estables y sus puntos de ebullición son diferentes entonces esto facilita la separación del producto principal.

   

La parte del benceno que no ha reaccionado, que es obtenido en la primera columna de destilación se recicla al proceso. Es necesario una purificar el producto. El número de columnas depende del volumen de producción. En caso se desee obtener un producto más puro es necesario volver a rectificar.

2.3.9 DIAGRAMA DE FLUJO COMPLETO DE LA OBTENCION DE CICLOHEXANO

En el diseño del proceso podemos apreciar las corrientes de flujo que son Hidrogeno , el catalizador (Ni), y la materia prima esencial que es el benceno, que entran a un mezclador haciendo la mezcla muy exotérmica. En benceno ingresa a 25°c mediante un proceso discontinuo, esta mezcla antes de ingresar al reactor pasa por un intercambiador de calor para llevar el flujo a la temperatura de reacción , en el reactor la mezcla sube la temperatura

(210 °C – 300°C aprox) pasando luego por un enfriador , para

posteriormente llevarlo a una columna de purificación , el flujo de vapor pasa por el divisor donde existe la purga de desechos y lo restante de la corriente flujo se va al compresor para regresar al mezclador. En la columna de purificación se da la expulsión de gases (purga), y la corriente rica de ciclohexano como producto. 2.4. DEMANDA DEL CICLOHEXANO Y APLICACIONES Uno del principal uso del ciclohexano en el mundo es para la producción ácido adípico que sirve para la elaboración del nylon-66, específicamente se usa el 54% de ácido adípico para producir el nylon 66; un 39 % para caprolactama y un 7% para productos tales como los disolventes; insecticidas y/o plastificantes. (Gutiérrez, 2016, p. 5) Según la empresa Henan Haofei Chemical, (2018). “Los mayores consumidores del ciclohexano en el mercado para la fabricación del ácido adípico serían: Estados Unidos, Europa Occidental y China”. Actualmente la demanda de nylon en el mercado, y a la vez también del ciclohexano, en la ingeniería de termoplásticos, está creciendo de manera favorable en un 6% anual. La ingeniería de termoplásticos se denota por sus propiedades sobresalientes de alta fuerza tensilla y abrasión excelente, y resistencia tanto química como al calor.

Según estadísticas la demanda anual del ciclohexano ascendería a la suma es de 18.000 millones de galones de los cuales la capacidad de Estados unidos es sobre 600 millonesde galones con la producción anual americana de Chevron Philips de 205 millones de galones. 

Se usa en la elaboración de caprolactama y hexametilendiamina...