PRODUCCIÓN DE ACETONA A PARTIR DE ISOPROPILBENCENO (CUMENO)

INTRODUCCION

La acetona o conocida también como propanona es un compuesto químico cuya fórmula química es CH3(CO)CH3 perteneciente al grupo de las cetonas, que se encuentra naturalmente en el medio ambiente. A temperatura ambiente se presenta como un líquido incoloro de olor característico. Se evapora fácilmente, es inflamable y es soluble en agua.

La acetona sintetizada tiene diversos usos como ser:

Fabricación de plásticos

Fibras

Medicamentos

Disolvente de otras sustancias químicas.

Otros productos químicos

La acetona puede producirse mediante una oxidación en fase líquida del cumeno hacia hidroperóxido de cumeno, seguida por una descomposición catalítica, lo que comúnmente se conoce como ‘vía cumeno’

La producción de la acetona a partir del cumeno es caracterizado por descomponer hidroperóxido de cumeno catalizada por ácido sulfúrico a una temperatura aproximada de 50ºC a 65.5°C.

A continuación se describen las reacciones:

1º Reaccion:

2º Reaccion:

Mecanismo de Reaccion:

Etapa 1: Iniciación:

Etapa 2: Propagación

ANTECEDENTES

Antes de la segunda guerra mundial la acetona fue sintetizada por destilación seca de acetato de calcio. Hacia los años 1950 nuevos métodos aparecieron entre los que se destacan los procesos de hidroperóxido de cumeno a fenol y la deshidrogenacion de alcohol isopropilico, en 1985 se impone el método de hock que implica la obtención de acetona y fenol como subproducto a bajos costos por via cumeno

La síntesis a escala industrial de la acetona se realiza mayoritariamente (90% de la capacidad en los EEUU) según el proceso catalítico de hidrólisis en medio ácido del hidroperóxido de cumeno, que permite también la obtención de fenol como sub-producto, en una relación en peso de 0,61:1

Un segundo método de obtención (6% de la capacidad de los EE. UU. en 1995) es la deshidrogenación catalítica del alcohol isopropílico.

Otras vías de síntesis de acetona:

Biofermentación

Oxidación de polipropileno

Oxidación de diisopropilbenceno

Aplicaciones industriales

La acetona es uno de los disolventes generales que más empleo tienen en la técnica industrial y profesional, ya que a sus excelentes propiedades disolventes se une la ausencia de toxicidad. Es un eficaz quitamanchas y es muy utilizado para quitar el esmalte de las uñas.

Metil metacrilato (MMA) 28%

Bisfenol A 28%

Disolventes 33%

Varios 14%

OBJETIVOS

Objetivo general:

Producir acetona a partir de isopropilbenceno

Objetivos específicos:

Comprender el proceso de producción de acetona vía cumeno

Diseñar los equipos que serán utilizados en el proceso

Realizar un análisis económico para verificar la rentabilidad del proyecto

JUSTIFICACION

La petroquímica es la más joven de las industrias que a base de los hidrocarburos produce una gran variedad de productos y subproductos, uno de esos subproductos es el cumeno; de ahí surge la idea de aprovechar este subproducto mediante la implementación de una planta productora de acetona ya que continúa demandando productos químicos que satisfagan sus necesidades y contribuyan a hacer más fácil la vida. En Bolivia no se cuenta con una fábrica productora de acetona, que es un producto bastante utilizado pero si contamos con materia prima cruda por eso surge la idea de industrializar productos finales y exportar en vez de importar aprovechando al máximo los recursos naturales de Bolivia.

MATERIA PRIMA

1.- Cumeno

Punto de ebullición: 152°C

Punto de fusión: -96°C

Punto de inflamación: 31°C

Punto de autoignición: 420°C

2.- Aire

3.- Acido sulfúrico

Punto de ebullición: 340°C

Punto de fusión: 10°C

Punto de autoignición: 420°C

6 UBICACIÓN Y EMPLAZAMIENTO

Se consideraron dos alternativas para la implementación de la planta que fueron la ciudad de Santa Cruz y Cochabamba.

Alternativa A COCHABAMBA

Alternativa B SANTA CRUZ

FACTORES PESO RELATIVO PUNTOS

(0 – 10) ALTERNATIVA A PUNTOS

(0 – 10) ALTERNATIVA B

Disponibilidad materia prima 0.25 0 0 0 0

Transporte 0.2 5 1.0 9 1.8

Mercado 0.2 7 1.4 8 1.6

Servicios Basicos 0.2 8 1.8 9 1.8

Mano de obra 0.15 8 1.05 8 1.o5

Peso Total 1 5.2 6.25

De acuerdo a un análisis de mercado se optó por la ciudad de Santa Cruz como mejor alternativa.

7 INGENIERIA DEL PROYECTO

7.1 DIAGRAMA DE BLOQUES

El diagrama de obtención de acetona es el siguiente:

Figura 7.1 diagrama de bloques para la obtención de acetona

7.2 SIMULACIÓN DEL PROCESO

La corrida realizada en Hysys v8.0 es el siguiente:

Figura 2: simulación del proceso en hysys

7.3 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

7.3.1 Oxidación del cumeno

Aire impulsado mediante un compresor, que incrementa la presión desde 1 atm hasta 1.85 atm, y cumeno que previamente se mezcla con un reflujo caliente de cumeno, ingresan al reactor donde se da la reacción de oxidación del cumeno para formar hidroperóxido de cumeno.

La reacción es exotérmica y en el reactor oxidador se alcanza una conversión del 25% debido a que a mayores conversiones el hidroperóxido puede volverse inestable y explotar.

Figura 3: Reactor de oxidación del cumeno

7.3.2 Concentración de hidroperóxido

Al salir del reactor la corriente 4, que contiene cumeno que no ha reaccionado e hidroperóxido de cumeno, pasa por una válvula de vacío donde se reduce su presión para luego ir a una torre de destilación simple donde la mayor parte del cumeno se va como vapor por la parte superior, quedando HCP concentrado en un 85% en la fase liquida.

Figura 4: Destilación del cumeno y concentrado del CHP

La corriente 20 que tiene casi cumeno puro en fase de vapor es impulsada mediante un compresor hacia un intercambiador de calor para condensar el cumeno a la fase liquida y mandarlo como reflujo.

Diseño del intercambiador de calor

Se usara un intercambiador de doble tubo.

Datos Cumeno

T inicial CHP 161 C 322 F

T final CHP 60 C 140 F

Flujo másico 5592 kg/h 12302.4 lb/h

X cum 0.99

X CHP 0.01

Cp cum 0.44 btu/lb-F

Cp CHP 0.45 btu/lb-F

Cp mezcla 0.44 btu/lb-F

Densidad mezcla 3.507 kg/m3 0.2189 lb/ft3

Velocidad 92.88 m/s 305 ft/s

Tabla 6.1: Datos del cumeno en fase de vapor

Datos H2O de enfriamiento

T inicial h2o 25 C 77 F

T final h2o 40 C 104 F

Cp h2o 1 Btu/lb-F

Tabla 6.2: Datos del agua usada para el enfriamiento

Con los datos anteriores y realizando un balance de energía podemos obtener la cantidad necesaria de agua para el enfriamiento, la media logarítmica de temperaturas y el calor necesario.

〖∆T〗_ml=((T_f-T_o h20 )-(T_o-T_fh2o))/(Ln ((T_f-T_o h20 ))/((T_o-T_fh2o)))=112 F

Q=985400 btu/h

Coeficiente de transferencia de calor tubo interno

Datos flujo interior

Di 0.957 plg 0.07975 ft

D2 1.32 plg 0.11 ft

Cp mezcla 0.44 Btu/lb-F

K cum 0.78 Btu-plg/ft2-lb-F

K CHP 1.048 Btu-plg/ft2-lb-F

K mezcla 0.78268 Btu-plg/ft2-lb-F 0.065223 Btu/ft2-lb-F

Viscosidad 0.00813 cp 0.019668 lb/ft-h

Tabla 6.3: Datos del cumeno en el tubo interior

Se usara 1 IPS para los diámetros del tubo interior y exterior del intercambiador de calor. En la tabla 6.4 pueden verse los diámetros y las características de las tuberías ISP.

Gráfica 6.1: Curva de transferencia de calor lado tubos (Adaptada de Sieder y Tate)

Coeficiente transferencia de calor en el tubo exterior

Datos flujo exterior

Viscosidad agua 8.94E-04 Kg/m-s 2.162765 lb/ft-h

K agua 0.58 W/m-K 0.335182 lb/ft-h-F

Tabla 6.4: Dimensiones de tubería de acero IPS

Al salir del intercambiador de calor, el cumeno en fase liquida a 60 grados centígrados se manda a reflujo y se mezcla con el flujo inicial de cumeno que está ingresando

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