12. PROCESO DEL ETIL BENCENO

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1 12. PROESO DEL ETIL BENENO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, el proceso de Síntesis del Etil Benceno a partir de Benceno y Etileno, asistido por HYSYS Analizar el sistema de reacción con sistemas de separación en serie Dimensionar válvulas de control y columnas de destilación mediante la asistencia de HYSYS 2. INTRODUIÓN En la práctica se analiza otro proceso complejo de múltiples unidades, que se caracterizan por tener varias operaciones unitarias: dos corrientes de reciclo. Hay una sección de reacción que consiste en dos reactores STR en serie y dos columnas de destilación para recircular los reactivos no convertidos y los subproductos formados para favorecer formación del Etilbenceno. En el reactor se alimenta la materia prima con un gran exceso de benceno de modo que la concentración del etileno sea pequeña. Esto se realiza con el objetivo de evitar una segunda reacción que produce Dietilbenceno que resulta en una gran corriente de reciclo de benceno en el proceso. A pesar del gran exceso de benceno, se produce una cantidad apreciable de Dietil benceno en el reactor y tiene que separarse del etil benceno y reciclarse a la sección de reacción. 3. PROESO ESTUDIADO En el proceso considerado en esta práctica se produce etil benceno a partir de benceno y etileno. El etil benceno se utiliza para la producción de estireno, ana materia prima que se utiliza ampliamente en la producción del plásticos. El proceso se caracteriza por utilizar equipos de gran capacidad. Las materias primas etileno y benceno se producen en las refinerías de petróleo por medio del cracking térmico y catalítico. El proceso que se estudia es una versión simplificada del proceso real para facilitar su simulación. Sin embargo, ilustra las características esenciales de una simulación dinámica de una planta global. Hay dos reactores, dos columnas de destilación y dos corrientes de reciclo PAQUETE FLUIDO OMPONENTES: Benceno, Etileno, EtilBenceno, DietilBenceno, Nitrógeno EUAIÓN: Peng-Robinsón REAIONES: Tipo: inético Estequiometría: La reacción química básica es:

2 Reacción 1: Benceno (B) + Etileno (E) Etilbenceno (EB) Sin embargo, hay reacciones adicionales del etileno con el etil benceno para producir componentes de mayor orden. La principal es: Reacción 2: Etilbenceno (EB) + Etileno (E) Dietilbenceno (DEB) Seguida por : Reacción 3: Dietilbenceno (DEB) + Benceno (B) 2 Etilbenceno (EB) Base: Para las tres reacciones la Base es concentración ; el componente base es etileno; la fase de la reacción es Vapor y las unidades básicas son Kgmol/s-m 3 para las velocidades de reacción, Kgmol/ m 3 para las concentraciones y las temperaturas en Kelvin Parámetro inético: Las ecuaciones cinéticas usadas para estas tres reacciones se dan a continuación. Estos parámetros se seleccionaron para dar conversiones y rendimientos típicos de los reactores comerciales. R1 = B E e RT R2 = E EB e RT R3 = DEB e RT Donde las velocidades de reacción están en Kgmol/s-m 3, las concentraciones en Kgmol/ m 3 y la energías de activación en Kcal/moL 3.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROESO La Figura 1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de síntesis del Etil Benceno DESRIPION La sección de reacción consiste de dos grades reactores STR en serie, los alimentos de benceno y Etileno y una corriente de Reciclo se alimentan al primer reactor (Reactor_1) que opera a 160 º y 9 bar. El calor exotérmico de la reacción se elimina generando vapor 120

3 de agua de baja de baja presión. El Etileno experimenta una conversión casi completa en el primer reactor. El efluente del primer reactor y una corriente de reciclo de DEB se alimentan al segundo reactor (Reactor_2) que opera adiabáticamente. La composición del efluente del segundo reactor (LiqDos) es aproximadamente de Benceno, de Etil Benceno, de DiEtil Benceno, y el resto es Nitrógeno y Etileno que no reacciona. La figura 1 muestra el diagrama de flujo. El efluente del segundo reactor (Reactor_2) se alimenta, por el plato 12, a una columna de destilación (olumna_1)de 24 platos que opera a 4.5 bar en el condensador y 4.6 en el rehervidor. El reciclo de Benceno sale por la cima (DestUno) y la mezcla EB/DEB por el fondo (FondUno). Esta columna tiene una razón de reflujo de 1.2 y especificaciones de las corriente de salida de 0.1% molar de Etilbenceno en el destilado y 0.1% molar de Benceno en el fondo. El producto de fondo de la columna (olumna_1)se alimenta a una segunda columna de destilación (olumna_2) que produce un destilado con alta pureza de Etilbenceno (DestDos). El producto de fondo (FondDos) es en gran parte DEB que se recicla al segundo reactor (Reactor_2), esta columna de 30 platos opera a 2 bar en el condensador y 2.2 bar en el Rehervidor. Y tiene una razón de reflujo de 1.04 y especificaciones de las corriente de salida de 0.1% molar de Dietilbenceno en el destilado y 0.1% molar de Etilbenceno en el fondo, considere un condensador total. 4. SIMULAION EN ESTADO ESTAIONARIO Alimentación: Instale una corriente de Etileno puro, y asígnele como especificaciones 50 º, 11 bar, Kgmol/h, y conéctela a una válvula V1 que descarga a la corriente Sale_V1 con una caída de presión de 2 bar. Instale la corriente NitroUno y asígnele las especificaciones de 50 º, 12 bar, 5 Kgmol/h y composición molar de 100 % en Nitrógeno, conecte esta corriente a una válvula V11 que descarga a la corriente Sale_V11 con una caída de presión de 2 bar. Instale una corriente Benceno, que igual que las dos anteriores, es benceno puro, y asígnele especificaciones de 50 º, 11 bar y 642 Kgmol/h, conecte esta corriente a la válvula V2 que descarga a la corriente Sale_V2 con una caída de presión de 2 bar. Instale la corriente RecicloUno y suponga las siguientes especificaciones: 90º, 9 bar, 600 Kgmol/h y fracciones molares de benceno de , etil benceno de y dietil Reactor 1: Instale un reactor STR con nombre Reactor_1 y coloque como corrientes de entrada Sale_V1, Sale_V11, Sale_V2 y RecicloUno, además, coloque la corriente de energía QRreactor_1 y descárguelo con las corrientes de salida VapUno y LiqDos. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca la dimensión de 200 m 3 de volumen, luego haga clic en Basis y desactive las reacciones inversas. omo el Reactor_1 trabaja a 9 bar y 160º, usted debe asignar estas especificaciones a las corrientes de salida del Reactor_1. Instale la válvula V12 con una caída de presión de 2 bar y corriente de entrada VapUno y de a la que descarga a la corriente Sale_V12, de igual manera instale 121

4 una válvula V3 conéctela con la corriente LiqUno y descárguela con la corriente Sale_V3 con una caída de presión de 1 bar. Reactor 2: Instale primero las siguientes corrientes: RecicloDos con las especificaciones supuestas de 222 º, 8 bares,172 Kgmol/h, y fracciones molares de etilbenceno de y dietilbenceno de y la otra con nombre NitroDos con especificaciones de 50 º, 10 bar y 3 Kgmol/h y composición molar de 100 % en Nitrógeno, conecte esta última corriente a una válvula denominada V21 que descarga a la corriente Sale_V21 con una caída de presión de 2 bar. Instale ahora otro reactor STR de nombre Reactor_2 aliméntelo con las corrientes RecicloDos, Sale_V21 y sale_v3 y como corrientes de salida VapDos y LiqDos, este reactor es adiabático y no tiene corriente de energía. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca la dimensión de 200 m 3 como volumen del reactor. Haga clic en Basis y desactive las reacciones inversas. onecte la corriente VapDos a la válvula V22 que descarga a la corriente Sale_V22 y asígnele una caída de presión de 1 bar, de igual manera conecte la corriente LiqDos a la válvula V4 que descarga a la corriente Sale_V4 con una caída de presión de 4.7 bar. olumna de destilación olum1: Instale una columna de destilación con el nombre de olum1, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 24 platos y condensador parcial, conéctela con la corriente de entrada Sale_V4 y corrientes de salida VenteoUno, DestUno y FondUno y corrientes de energía QondUno y QRebUno. La corriente Sale_V4 entra por el plato 12. Asigne presiones de 4.5 bar y 4.6 bar en el ondensador y Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 1.2. Haga clic sobre el botón Done del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic sobre el botón Add para añadir una especificación de como fracción molar de Etilbenceno y fase líquida en el condensador, repita lo mismo pero para añadir una especificación de como fracción molar de Benceno y fase vapor en el rehervidor. Debe añadir también una especificación Ovhd Vap Rate en la corriente de venteo de 10 Kgmol/h. ierre las ventanas, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas el Ovhd Vap Rate en la corriente de venteo y las fracciones molares de etilbbenceno y de benceno en el condensador y en el rehervidor. La columna debe converger satisfactoriamente. Bomba de Destilado 1: Instale una bomba con nombre de Bomba1, que succione la corriente DestUno y descargue como Sale_Bomba1. La corriente de energía nómbrela como HPBomba1. Asígnele un incremento de presión de 7.5 bar. Instale una válvula V9 cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba1 y su corriente de salida sea Sale_V9; asígnele una caída de presión de 3 bar. Botón de reciclo 1: Instale un botón de reciclo con nombre, RY-1, conéctelo con Sale_V9 como corriente de entrada y RecicloUno como corriente de salida. El lazo de reciclo RY-1 convergerá satisfactoriamente. 122

5 Figura 1. Diagrama de flujo para la Producción de Etil Benceno a partir de Benceno y Etileno olumna de destilación olum2: Instale una columna de destilación con el nombre de olum2, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 30 platos y condensador total, conéctela con la corriente de entrada FondUno; corrientes de salida DestDos y FondDosy corrientes de energía QondDos y QRehDos. La corriente FondUno entra por el plato 21. Asigne presiones de 2 bar y 2.2 bar en el ondensador y Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de Haga clic sobre el botón Done del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic sobre el botón Add para añadir una especificación de como fracción molar de Dietilbenceno y fase líquida en el condensador, repita lo mismo pero para añadir una especificación de como fracción molar de Etilbenceno y fase vapor en el rehervidor. ierre las ventanas, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas las fracciones molares de dietilbenceno y de Etilbenceno en el condensador y en el rehervidor. La columna debe converger satisfactoriamente. Bomba de Destilado 2: Instale una bomba con nombre de Bomba2, que succione la corriente FondDos y descargue como Sale_Bomba2. La corriente de energía nómbrela como HPBomba2. Asígnele un incremento de presión de 7.8 bar. Instale una válvula V6 cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba2 y su corriente de salida sea Sale_V6; asígnele una caída de presión de 2 bar. 123

6 Botón de reciclo 2: Instale un botón de reciclo con nombre, RY-2, conéctelo con Sale_V6 como corriente de entrada y Reciclo2 como corriente de salida. El lazo de reciclo RY-2 convergerá satisfactoriamente. 5. RESULTADOS La Figura 2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo. Figura 2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes 6. ASOS DE ESTUDIO 6.1 Qué cambios sugiere usted para obtener que la corriente DestDos alcance una concentración mayor? 124