Proyecto estireno

Introducción

El estireno es un líquido transparente e incoloro, que puede obtenerse como derivado del petróleo y del gas natural, hidrocarburo (compuesto constituido solo por hidrogeno carbono), importante para la producción del poliestireno. Su fórmula es C6H5CH=CH2.

El estireno ayuda a producir materiales plásticos utilizados en miles de productos que se caracterizan por su bajo peso, su flexibilidad y su extraordinaria resistencia, y que son vitales para nuestra salud y bienestar. El estireno se utiliza para casi todo: desde envases alimentarios hasta componentes de automóviles, barcos y ordenadores.

El estireno empleado en esos productos es sintético y se fabrica en plantas petroquímicas. Sin embargo, el estireno también aparece en la naturaleza como componente natural de numerosos alimentos comunes, como son el café, las fresas o la canela.

El estireno funde a -30,5 °C y hierve a 145,15 °C. Se obtiene a partir del benceno (C6H6). Industrialmente, la aplicación más importante del estireno es como producto de partida del poliestireno, que es el resultado de su polimerización.

La manufactura del Estireno se realiza principalmente por el método de la deshidrogenación del etilbenceno. Este proceso es simple en concepto:

C6H5CH2CH3 C6H5CHCH2 + H2

La deshidrogenación del etilbenceno a estireno toma lugar en un reactor de lecho fijo a una temperatura entre 550 – 680 °C en presencia de vapor y a baja presión, dado que bajas presiones favorecen el avance de la reacción.

Los principales subproductos que se obtienen en el reactor de deshidrogenación son tolueno y metano.

Diagrama simplificado para el analisis de materia para una planta de producción de estireno.

Relaciones Adicionales

(1) Conversión de la reacción al 80%

(2) X_(H_2)^4* F_4=X_(H_2)^6*F_6

(3) X_(〖CH〗_4)^4* F_4=X_(〖CH〗_4)^6*F_6

(4) X_(H_2)^4* F_4=X_(H_2)^6*F_6

(5) F_9 ≤0.02 F_10

(6) X_EST^10 〖*F〗_(10 )≥ 〖0.98*X〗_EST^5* F_5

(7)En base molar hay de 6 a 12 partes de vapor de H_2 O por cada mol de etilbenceno

(6 a 12)* F_(H_2 O)^2= F_EST^1

(8 Y 9)Destilador Flash (f_i^L ) ̂= (f_i^V ) ̂ ;i=etilbenceno,estireno,tolueno

Reactor

(10) k_eq/P=(y_est* y_(H_2 ))/y_etil

(11) S_R=E_2/(〖2E〗_1+E_2 )

Ecuaciones de Balance de Materia

Mezclador

Total∶ F_1+F_2+F_11=F_(3 ) … (12)

Etilbenceno: X_EtBen^1 〖*F〗_1+ X_EtBen^11 〖*F〗_11=X_EtBen^3* F_3 …(13)

Estireno: X_Est^11 〖*F〗_11=X_Est^3* F_3 …(14)

Tolueno: X_T^11 〖*F〗_11=X_T^3* F_3 …(15)

Agua: X_(H_2 O)^2 〖*F〗_2=X_(H_2 O)^3* F_3 …(16)

Reactor

Ecuaciones químicas de las reacciones que se llevan a cabo:

C_6 H_5 〖CH〗_2 〖CH〗_(3 )⟺ C_6 H_5 〖CHCH〗_2+ H_2 …(1)

C_6 H_5 〖CH〗_2 〖CH〗_(3 )+ H_2⟺ C_6 H_5 〖CH〗_3+ 〖CH〗_4 …(2)

Ecuaciones de balance

Etilbenceno: X_EtBen^4 〖*F〗_4=X_EtBen^3*F_3-E_1-E_2 …(17)

Estireno: X_Est^4 〖*F〗_4=X_Est^3*F_3+E_1 …(18)

Tolueno: X_T^4 〖*F〗_4=X_T^3*F_3+E_2 …(19)

Hidrógeno: X_(H_2)^4 〖*F〗_4=∅+E_1-E_2 …(20)

Metano: X_(〖CH〗_4)^4 〖*F〗_4=∅+E_2 …(21)

Agua: X_(H_2 O)^3 〖*F〗_3=X_(H_2 O)^4* F_4 …(22)

Flash

Total: F_4=F_5+F_6+F_7 …(23)

Etilbenceno: X_EtBen^4*F_4=X_EtBen^5*F_5+X_EtBen^6*F_6 …(24)

Estireno: X_Est^4*F_4=X_Est^5*F_5+X_Est^6*F_6 …(25)

Tolueno: X_T^4*F_4=X_T^5*F_5+X_T^6*F_6 …(26)

Hidrógeno: X_(H_2)^4*F_4=X_(H_2)^6*F_6 …(27)

Metano: X_(〖CH〗_4)^4*F_4=X_(〖CH〗_4)^6*F_6 …(28)

Agua: X_(H_2 O)^4*F_4=X_(H_2 O)^7*F_7 …(29)

Columna de separación de Tolueno

Total: F_5=F_8+F_9 …(30)

Etilbenceno: X_EtBen^5*F_5=X_EtBen^8*F_8+X_EtBen^9*F_9 …(31)

Estireno: X_Est^5*F_5=X_Est^8*F_8 …(32)

Tolueno: X_T^5*F_5=X_T^8*F_8+X_T^9*F_9 …(33)

Columna de separación de Estireno

Total: F_8=F_10+F_11 …(34)

Etilbenceno: X_EtBen^8*F_8=X_EtBen^10*F_10+X_EtBen^11*F_11 …(35)

Estireno: X_Est^8*F_8=X_Est^10*F_10+X_Est^11 F_11 …(36)

Tolueno: X_T^8*F_8=X_T^11*F_11 …(37)

Estrategia de cálculo:

El problema se encuentra correctamente especificado, por lo que se podrá resolver. Sin embargo ninguna unidad tiene cero grados de libertad, por lo que se recurrirá a un corte en el flujo 24 en nuestro será el flujo 11.

Tomando como la primera iteración para el flujo de corte de entrada, un valor de 0 tonmol/año en la corriente 11 (sin recirculación), se estimarán los nuevos grados de libertad en cada unidad del proceso.

Se quitará la base de cálculo impuesta en la corriente 29, y se colocará en la corriente 1: 1x105 tonmol/año.

Con cero grados de libertad se comenzó con mezclador, en donde únicamente se determinará: N2, N3, XH2O2 y Xetil2.

Actualizando los grados de libertad quedará especificado el reactor, obteniéndose: N7, N4, Xetil4, Xesti4, Xtol4, Xmeta4, Xhidro4 y XH2O4. Se pasarán las composiciones de los reactivos y productos en base seca.

Al especificarse el flash, se procederá a determinar: N5, N6, Xetil5, Xesti5, Xtol5, Ymeta6, Yetil6, Yesti6, Ytol6 e Yhidro6.

En el tren de separación se comenzará con el balance en la columna de tolueno, obteniendo: N8, N9, Xetil8, Xesti8 y Xtol8.

Por último se resolverá la columna de estireno, encontrándose: N10, N11, Xetil11, Xesti11, Xtol11.

Se procederá con el método de convergencia en el caso del flujo de corte, se iniciará como valor inicial de entrada el flujo calculado en el paso 8 para la corriente de recirculación.

A partir de varias iteraciones (por lo menos 5), se obtendrá un valor constante en la corriente de salida (10) y en la entrada (2).

Determinando los valores de las demás corrientes.

Corriente de corte

De corriente 11:

Flujo inicial: 2552.66 tonmol/año

Datos iniciales:

Compuesto Composición (Fracción mol)

Etilbenceno 0.33

Estireno 0.581

Tolueno 0.092

Problemas presentados

Una vez realizado el balance del proceso señalado, se procedió a determinar la corriente de

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