Obtención de etilbenceno

1. DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO:
Características de Etilbenceno

Es un líquido inflamable, incoloro, de olor similar a la gasolina.
El uso principal del etilbenceno es para fabricar otro producto químico, estireno. Otros usos incluyen como solvente, en combustibles, y en la manufactura de otros productos químicos.

Riesgos de Etilbenceno

 El etilbenceno pasa fácilmente al aire del agua y suelo.En el aire, el etilbenceno se demora aproximadamente 3 días en degradarse a otros productos químicos.
 El etilbenceno puede ser liberado al agua por desagües industriales o por escapes de tanques de almacenaje subterráneos.
 En aguas superficiales, el etilbenceno se degrada al reaccionar con otras sustancias químicas que ocurren normalmente en el agua.
 En el suelo, el etilbenceno es degradado por bacterias del suelo.

Hay poca información acerca de los efectos del etilbenceno sobre la salud de seres humanos. En gente expuesta a altos niveles de etilbenceno en el aire, la información disponible describe mareo, irritación a la garganta y los ojos, opresión en el pecho, y una sensación de ardor en los ojos.Eletilbenceno se absorbe con facilidad por vía oral o cutánea o por inhalación. En el ser humano, se ha descrito su acumulación en el tejido adiposo. El etilbenceno se transforma casi completamente en metabolitos solubles, que se excretan rápidamente por la orina. Su toxicidad aguda por vía oral es baja.

Requerimiento de calidad del producto
Pureza: 95.95% Min
Clientes potenciales:
Dow Química, Cartagena, mayor productor depoliestireno en el país.

2. .DESCRIPCIÓN Y ACCESIBILIDAD DE MATERIAS PRIMAS:

Debido a la fácil adquisición de benceno y etileno dentro de Colombia se decide tomar como materias primas estas dos.

2.1. Benceno:

El Benceno comercial 535 refinado es libre de sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre, pero contiene un máximo de 1 ppm de tiofeno y un máximo de 0.15% de no aromáticos. El Benceno de grado de nitración es libre de sulfuro de hidrógeno y dióxido de azufre. También se encuentra disponible comercialmente libre de tiofeno, 99% molar, 99.94% molar y de calidad de nanogrado.
Principal Proveedor: IMPORTEX S.A. Cobertura Suramérica y el Caribe. Son suplidores de Benceno en Colombia.


Proveedor secundario: Ecopetrol

2.2. Etileno :

La mayor parte del etileno producido mundialmente se obtiene por craqueo con vapor (steam cracking) de hidrocarburos de refinería (etano, propano, nafta y gasóleo, principalmente). También se obtiene el etileno a partir del reformado catalítico de naftas o a partir de gas natural (OxidativeCoupling of Methane, OCM).mik
También puede obtenerse en laboratorios de Química Orgánica mediante la oxidación de Alcoholes.

Características de Etileno
El etileno es un gas que se almacena y transporta con dificultad en condiciones criogénicas, por lo que su producción y consumo se realiza dentro de grandes complejos industriales en los que se encuentra integrada la refinería de tipo petroquímico y las plantas de producción de derivados.
Es un producto altamente reactivo participando en reacciones de oxidación,polimerización, halogenación, alquilación, etc.
Principal Proveedor: Ecopetrol.


3. MÉTODOS DE SÍNTESIS DE ETILBENCENO:

Síntesis a partir de la hulla:

Se puede obtener del alquitrán de hulla (líquido negro y viscoso producido en la destilación destructiva del carbón para fabricar coque y gas), cuando éste se ha formado a temperaturas muy altas (>900sC), pero esto implica un costoso proceso de separación para obtener muy reducidas cantidades de EB.
Alquitrán de hulla → Etilbenceno (T > 900sC)

Alquilación:

La producción comercial de EB se lleva a cabo mediante la alquilación de benceno con etileno, descrita por la siguiente reacción:
Benceno + Etileno →Etilbenceno
Este proceso es bastante versátil y permite ser llevado a cabo en fase líquida, fase vapor o en equilibrio líquido-vapor. Consta de dos etapas principales: la de reacción y la de purificación.
a. Cuando se lleva a cabo en fase líquida se utiliza un catalizador de cloruro de aluminio, que es altamente corrosivo e involucra un complejo proceso de recuperación y altos costos de tratamiento de residuos contaminados con aluminio.
b. El proceso en fase gaseosa se lleva a cabo en un reactor PBR con zeolitas como catalizador que garantizan alta selectividad del proceso y menores costos en lo referente al catalizador. En la literatura se reportan condiciones de operación de 425sC y presiones entre 1 y 2 atm, usando benceno en exceso.
Dadas las características anteriores se considera ésta última como la alternativa de producción más favorable. Para la alquilación se puedenutilizar diversas materias primas en conjunto con benceno para la obtención de etilbenceno tales como:
Benceno + Etanol →Etilbenceno
Benceno + Cloroetano→Etilbenceno + HCl
Benceno + Oxalato de dietilo→Etilbenceno
Benceno + Carbonato de dietilo→Etilbenceno

4. PROCESO ESTUDIADO:

En el proceso considerado en este trabajo se produce etil benceno a partir de benceno y etileno. El etil benceno se utiliza para la producción de estireno, una 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. Hay una sección de reacción que consiste en dos reactores CSTR 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 deDietil benceno en el reactor y tiene que separarse del etil benceno y reciclarse a la sección de reacción .


5. MECANISMOS DE REACCIÓN:

La producción comercial de EB se lleva a cabo mediante la alquilación de benceno con etileno, descrita por la siguiente reacción:

C6H6 + C2H4 C6H5C2H5 (R1)

Este proceso es bastante versátil y permite ser llevado a cabo en fase líquida, fase vapor o en equilibrio líquido-vapor. Consta de dos etapas principales: la de reacción y la de purificación, esta última mediante un arduo sistema de destilación.
Además de la reacción principal (r1) se pueden presentar otras reacciones secundarias dentro del sistema:

El EB puede reaccionar con el etileno para producir dietilbenceno:

C6H5C2H5 + C2H4 C6H4(C2H3)2 (R2)

Y este puede seguir alquilándose para producir otros polietilbencenos:

C6H4(C2H3)2 + C2H4 C6H3(C2H3)3 (R3)
C6H3(C2H3)3 + C2H4 C6H2(C2H3)4 (R4)

Además el etileno puede polimerizarse para producir polietileno o descomponerse en metano y coque:

nC2H4-(C2H4)-n (R5)
C2H4 CH4 + C(s) (R6)

La producción de etilbenceno por alquilación de benceno con eteno está acompañada por varios sitios de reacción los cuales se alquilarán consecutivamente, tendiendo a la formación de polietilbencenos. Estos pueden ser reciclados y convertidos en etilbenceno por transalquilación.

C6H6 + C6H4(C2H3)2 C6H5C2H5 (R7)

Sin embargo en el sistema reactivo la reacción (r5) no es factible, dado que se requiere de altas presiones (>1000 atm) y temperaturas (>200°C) para la obtención de polietilenoy de la presencia de un iniciador de la polimerización. Sin embargo, es bien conocido que las reacciones que se presentan son la r1, r2 y la r7 que son las correspondientes a la alquilación y transalquilacion respectivamente. La alquilación es una reacción exotérmica y termodinámicamente favorecida por bajas temperaturas y elevadas presiones. La transalquilación es virtualmente independiente de la temperatura y la presión.

De forma más general, se observa en la figura (1) el mecanismo seguido por la reacción:



6. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO:

Una vez que tenemos las materias primas en las condiciones recomendadas de almacenamiento, (E) y (B) se adecuan para que se lleve a cabo la reacción en el primer reactor de alquilación, donde suceden las reacciones R1 y R2 ya mostradas, para dicha adecuación o pretratamiento, las materias primas se calientan hasta 160°C por separado y luego ingresan al reactor ya mencionado, el cual opera a una temperatura y una presión de 160°C y 9 bar respectivamente, la fase en la que ocurre es gaseosa y se consume totalmente el etileno. El producto de este reactor se mezcla con la corriente de fondos de la segunda columna destilación para luego ingresar a nuestro segundo reactor donde se lleva a cabo la R7 con una conversión del 66% para el dietilbenceno (DB). Este segundo reactor opera a 222°C y 9 bar, también en fase gaseosa.

Los productos del segundo reactor se llevan a una batería de columnas de destilación donde en la primera se separa el B, EB y DB, obteniéndose una corriente de cima de B y EB, la cual serecircula para el primer reactor. La columna es de 20 etapas, con un reflujo de 5.07 y una relación de destilado-alimentación de 0.41 y se alimenta en el plato 12. Los fondos de ésta columna, está conformada por DB y EB, los cuales son separados en una segunda columna de destilación, y en la cima se obtiene un destilado de EB y un producto de fondos de DB y EB, que son recirculados al segundo reactor. La segunda torre de destilación está compuesta por 30 etapas, un reflujo de 0.565 y una relación de destilado-alimentación de 0.975 y se alimenta en el plato 16.

En la figura 10 se presenta el esquema del proceso para producción de etilbenceno, el cual se simulo en aspen para las condiciones óptimas dadas en la zona de reacción de acuerdo al análisis termodinámico y para un flujo de reactivos tal que se pueda suplir el 10 % de la producción mundial de etilbenceno.

Figura 10. Esquema del proceso de producción de etilbenceno.

La sección de reacción consiste de dos reactores un primer reactor de lecho empacadodonde ocurre la alquilación para producir etilbenceno, la cual consiste de dos reacciones en serie donde se obtiene como coproducto di-etilbenceno, los alimentos son benceno y etileno.Las reacciones ocurren en fase gaseosa y este reactor opera a una temperatura de 160sC y presión igual a 9bar, por tratarse de exotérmica libra gran cantidad de energía que puede ser utilizada en otra unidad. El benceno no convertido se separa en una columna de destilación para ser recirculada a este primer reactor y el dietilbenceno pasa a un segundo reactor donde serealiza la trans-alquilación del di-eteitilbenceno donde se obtiene más etilbenceno y el flujo de salida de este reactor pasa por otra columna de destilación donde se separa el etilbenceno purificándose el producto deseado, etlibenceno. Durante este proceso las corrientes reciben varios acondicionamientos de temperatura para los cuales se utilizan dos intercambiadores de calor previos al primer reactor, donde cada intercambiador de calor acondiciona cada uno de los dos reactivos y un tercer intercambiador que acondiciona la entrada de los reactivos al segundo reactor.

Juntos reactores son de lecho empacado para los cuales se utilizaron reactores estequiométricos con una conversión fijada de acuerdo a la conversión obtenida en un reactor a las condiciones de presión y temperatura óptimas.

Las recirculaciones se realizaron para obtener conversiones globales del proceso altas, que sin duda no se alcanzarían sin ellas, a menos de que se usaran reactores de grandes longitudes, lo cual implica un elevado costo de capital y mayores caídas de presión que involucran mayor potencia en las bombas.


7. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO:

La Figura 1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de síntesis del Etil Benceno

7.1. DESCRIPCION:

La sección de reacción consiste de dos grades reactores CSTR en serie, los alimentos de benceno y Etileno y una corriente de Reciclo se alimentan al primer reactor (Reactor_1) que opera a 160 sC y 9 bar. El calor exotérmico de la reacción se elimina generando vaporde agua de baja de baja presión. El Etilenoexperimenta 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 0.433 de Benceno, 0.442 de Etil Benceno, 0.1216 de DiEtil Benceno, y el resto es Nitrógeno y Etileno que no reacciona. La figura 1 muestra el diagrama de flujo.




Figura 1. Diagrama de flujo para la Producción de Etil Benceno a partir de Benceno y
Etileno




El efluente del segundo reactor (Reactor_2) se alimenta, por el plato 12, a una columna de destilación (Columna_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 (Columna_1)se alimenta a una segunda columna de destilación (Columna_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 la 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.


8. USO DECATALIZADORES:

En la literatura se encuentran los catalizadores SPW para la alquilacion de benceno, siendo un catalizador muy activo y selectivo a la alquilación y trans-alquilación. Zeolitas también son usadas para este tipo de reacciones y parece una buena alternativa debido a sus costos. HZSM-5 con Si/Al es un catalizador que le da a la reacción altas conversiones y es además selectivo.


9. ANÁLISIS TERMODINÁMICO:

Con el análisis termodinámico de la reacción en fase gaseosa lo que se pretende encontrar las condiciones óptimas de operación, en las cuales se vea favorecida las reacciones de estudio.

En la figura 1 se observa que tanto la reacción 1 y 2 son exotérmicas y que su exotermicidad aumenta con el aumento de la temperatura, por lo que para el diseño del reactor se debería considerar la remoción de este calor liberado para poder ser aprovechado en otra parte del proceso.

La reacción 1 a condiciones estándar posee una energía libre de Gibbs de -16,0619kcal/mol y la reacción 2 de -14.6799kcal/mol, lo que indica que se dan espontáneamente.

La constante de equilibrio disminuye con el aumento de la temperatura como se muestra en la figura 2, volviéndose menos favorable la reacciona altas temperaturas cuando se encuentra en fase líquida. También se observan valores muy cercanos a 1 lo que indica que las dos reacciones, directa e inversa se dan a una velocidad especifica similar, lo cual indica que para que la reacción ocurra en la dirección deseada se requiere de un catalizador a la aplicación del principio de Le’ Chatelier paradesplazar la reacción en el sentido deseado, por ejemplo usando un reactor de membrana.

En la figura 3 se presenta como el grado de avance disminuye con el aumento de la temperatura obteniéndose los mejores grados de avance con las relaciones de alimentación de 5 y 6, que dan muy similares por lo que solo sería necesario una relación de alimentación de 5.

En la reacción 2 también se observa la disminución del grado de avance con la temperatura y esto debido al comportamiento visto con las constates de equilibrio con la temperatura, sin embargo en la reacción 2, contrario a la reacción 1, se observa que a relaciones de alimentación de 1 y 2 se presentan los mayores grados de avance. Ahora bien, de las dos reacciones toca favorecer un más que la otra debido a que se comportan diferente con las relaciones de alimentación, pero esto podría cambiar con el uso de un catalizador selectivo.

El análisis termodinámico de esta reacción se realizó en fase gas, debido a justificaciones bibliográficas y a que se evidencio en los resultados de las dos primeras reacciones que en fase líquida las conversiones son bajas y la constante de equilibrio tiende a 1. En la figura 5 se observa que la reacciones ligeramente exotérmica en fase gas, liberando su mayor cantidad de energía cerca de los 950 °C. A temperaturas altas (900-1100 °C) el grado de exotermicidad es mayor que a temperaturas bajas (600-750 °C) por lo que sería ideal diseñar el reactor a estas bajas temperaturas, desde el punto de vista energético.

En la figura 6 e presenta la variación de laenergía libre de Gibbs respecto a la temperatura, observándose que con el aumento de la temperatura se hace más favorable, sin embargo en el rango de temperaturas evaluada, la reacción es favorable.
En la figura 7 se observa como varia la constante de equilibrio al variar la temperatura y se observan valores relativamente alejados de la unidad lo que indica que la reacción de equilibrio se desplaza hacia la reacción directa. Sin embargo este valor de la constante de equilibrio disminuye con el aumento de la temperatura, es decir que a mayor temperatura de operación la reacción deja de ocurrir menso hacia el sentido de la reacción directa.

En la figura 8 se presenta la variación de la conversión en el equilibrio respecto a la temperatura, e diferentes relaciones de alimentación, observándose que a mayores valores de relación de alimentación (5 y 6). Entre mayor sea la temperatura la conversión decrecerá.

10. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO:

Mediante un análisis previo de las variables de diseño del proceso de obtención de etilbenceno a partir de etileno y benceno, se puede concluir que se tiene un objetivo de optimización relacionado con todos las demás variables que es la conversión, por lo cual se decide optimizar esta, de forma que se obtenga el mejor potencial económico para el proceso descrito en los numerales anteriores del presente trabajo.

Se optimizara un sistema de reacción separación/reciclo mostrado en la figura siguiente. Se realizan los respectivos balances para luego ser reemplazados en la función de potencial económico.