PROYECTO DE APLICACIÓN DE PROCESOS QUIMICOS

PROYECTO DE APLICACIÓN DE CONTROL DE PROCESOS QUÍMICOS

INTERCAMBIADORES EN SERIE EN LA PRODUCCIÓN DE CICLOHEXANO

YEIMI LORENA BARAJAS RUEDA 2123758

JANNER LEONARDO CARRILLO 2123756

MARTHA LIZETH PINZÓN MARTÍNEZ 2103555

WENDY YERALDYN RUIZ TAMAYO 2113108

SAMY SARAVIA SANTAMARIA 2123624

Prof. GIOVANNI MORALES MEDINA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

BUCARAMANGA

2017

INTRODUCCIÓN

Todos los procesos en Ingeniería son dinámicos, es decir, están en constante cambio, esto representa un inconveniente para la finalidad de los mismos puesto que para obtener un producto deseado es necesario que los procesos se mantengan es un estado definido. Es por esto que es necesario aplicar el control de procesos cuyo objetivo es mantener en determinado valor de operación las variables del proceso tales como: temperaturas, presiones, flujos y composiciones con el fin de que la producción cumpla con las condiciones del diseño. La obtención de Ciclohexano se basa principalmente en la hidrogenación del benceno, esta reacción es altamente exotérmica y se lleva a cabo en fase vapor. Lo cual el uso de los intercambiadores en serie es para adecuar el fluido a una temperatura alta para entrar en los reactores subsecuentes en el debido proceso de reacción. Estos intercambiadores trabajan a una presión (P) y una temperatura (T) indicada, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior de los equipos. En este trabajo se estudia dos intercambiadores en serie, se plantea el modelo matemático que describe el comportamiento del sistema para controlar las condiciones del Ciclohexano que sale, con el fin de que el proceso sea más seguro.

OBJETIVOS

Objetivo general

Dar un panorama sobre el comportamiento dinámico del proceso y analizar lo que se lleva a cabo con la aplicación de herramientas teóricas y experimentales en el modelo de simulación para dos intercambiadores en serie para la producción de Ciclohexano.

Objetivos específicos

• Aplicar conceptos adquiridos en la asignatura para el desarrollo del proyecto.
• Realizar los balances necesarios en el dominio del tiempo.
• Desarrollar el lazo de control para el proceso analizando las variables controladas, manipuladas y perturbadoras de éste.
• Representar cada uno de los elementos del lazo de control.
• Analizar la dinámica del proceso.

MARCO TEÓRICO

Materias Primas

Con respecto a las materias primas necesarias para la fabricación de Ciclohexano en la línea de proceso diseñada son benceno e hidrógeno. Se requiere esta materia prima tan pura como sea posible, sin embargo, estos reactivos llegan a Refinería con un porcentaje de tolueno y metano, respectivamente. La reacción que caracteriza este proceso es la siguiente:

[pic 1]

Benceno

Fórmula Química: C6H6

Estructura Química:[pic 2]

Propiedades físicas y químicas

El benceno es un líquido incoloro e inflamable, de amplia utilización como disolvente y como reactivo en operaciones industriales. Es prácticamente insoluble en agua, pero completamente soluble en alcohol, éter y numerosos líquidos orgánicos.

A continuación se presentan las principales propiedades del benceno:

• Peso molecular 78,1 g·mol-1
• Presión de vapor a 20 ºC 10000 Pa
• Presión crítica 48,9 bar
• Densidad a 20 ºC 879,4 kg·m-3
• Densidad relativa de vapor (aire=1) 2,7
• Solubilidad en agua a 25 ºC 0,18 g·ml-1
• Punto de ebullición 80 ºC
• Punto de fusión 5,5 ºC
• Temperatura crítica 26,6 ºC
• Calor de fusión 9,95 kJ·mol-1
• Calor de vaporización 30,72 kJ·mol-1
• Calor de combustión -3275,3 kJ·mol-1
• Calor de formación 82,93 kJ·mol-1

El benceno es térmicamente estable y su formación está, cinética y termodinámicamente favorecida a temperaturas de 773 K o mayores. Requiere por lo tanto temperaturas elevadas para su descomposición térmica o para que se lleven a cabo reacciones de condensación o deshidrogenación.

Usos

Este compuesto aromático es ampliamente utilizado como disolvente, si bien por sus características carcinogénicas, el benceno está explícitamente prohibido en muchas formulaciones, existiendo algunos reparos en cuanto al tolueno y ciertas prevenciones respecto a los xilenos. De hecho, se está verificando una paulatina reducción de la demanda, más o menos acusada en los sectores de las pinturas, los adhesivos, los productos fitosanitarios, que hace unos años lo empleaban masivamente.

Hidrógeno

Fórmula química: H2

Estructura: H-H

En la naturaleza, se generó como el “gas de la gran explosión” que dio lugar al origen del Universo.

Propiedades físicas y químicas

El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo, formando parte del gas interestelar, y sin embargo, en la Tierra rara vez se encuentra en estado libre, es necesario obtenerlo empleando algún tipo de energía primaria. En este sentido, debe de ser considerado como “un portador de energía” al igual que sucede con la energía eléctrica: ambos proceden de una fuente de energía primaria y son limpios en el punto de consumo.

El hidrógeno se encuentra mayoritariamente en la naturaleza en forma molecular formando parte de gases, de la molécula de agua y de multitud de compuestos orgánicos. Este hecho se debe fundamentalmente, a su elevada reactividad prácticamente en cualquier entorno.

Se trata del elemento más ligero y su minúsculo tamaño le permite situarse dentro de cualquier átomo o tipo de enlace destacando dentro de este último su tendencia a formar puentes de hidrógeno.

Entre algunas de sus propiedades más relevantes, se destacan las siguientes:

• Peso molecular 2,016 gmol
• Presión de vapor ( medida a 23 K) 209 Pa
• Presión crítica 1316900 Pa
• Temperatura crítica 33,2 K
• Densidad 2,447 kg·m-3
• Densidad relativa del vapor (respecto al aire=1) 0,07 kg·m-3
• Solubilidad en agua (medida a 293,15 K) 1,7 mg·l-1
• Punto de ebullición 20,268 K
• Punto de fusión 14,025 K
• Calor de fusión 0,11736 kJ·mol-1
• Calor de vaporización 0,904 kJ·mol-1
• Calor de combustión -285,84 kJ·mol-1
• Calor de formación 0 kJ·mol-1

Usos

El hidrógeno puede emplearse dentro de dos vertientes bien diferenciadas:

1. En los procesos de obtención de productos industriales tales como la síntesis de amoniaco y fundamentalmente en las instalaciones de una refinería. En esta última, además, hay que distinguir entre el consumo de hidrógeno en reacciones propiamente dichas y el de aportación a las unidades como materia prima de proceso.

2. El papel del hidrógeno como fuente de energía alternativa y renovable, tanto por medio de una conversión directa de su energía química en electricidad a través de la pila combustible, como la combustión directa en motores alternativos o turbinas de gas. En este sentido, está previsto que se convierta en uno de los posibles sustitutos de los combustibles fósiles en el sector transporte.

Producto principal: Ciclohexano

Fórmula Química: C6H12

Estructura Química:

[pic 3]

Propiedades físicas y químicas

El Ciclohexano es un líquido incoloro y transparente. Es altamente inflamable, de olor penetrante similar al del petróleo.

A continuación se destacan las propiedades más importantes del compuesto:

• Peso molecular 84,18 g·mol-1
• Punto de ebullición 80,7ºC
• Punto de fusión 6,47ºC
• Temperatura crítica 280ºC
• Punto de inflamación -18ºC
• Temperatura de autoignición 260ºC
• Densidad a 20ºC 0,778 kg·m-3
• Solubilidad en agua Insoluble
• Presión de vapor a 20ºC 12,7 kPa
• Presión crítica 40,73 bar
• Calor de vaporización 778,4 kJ·kg-1
• Calor de combustión 3,922·106 J·mol-1
• Calor de formación -123,22·103 J·mol-1

El Ciclohexano normalmente es estable aún bajo exposiciones al fuego. Se trata de un compuesto insoluble en agua.

Usos

Alrededor del 98% del Ciclohexano producido es empleado para la fabricación de intermedios de nylon: ácido adípico, caprolactama, y hexametilendiamina, los dos primeros consumen alrededor del 95%. El primero de los intermedios se utiliza para la elaboración de nylon 6.6, mientras que el segundo de ellos es un monómero del nylon 6.

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