Simulación de Nitrobenceno

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHIHUAHUA
SIMULACIÓN DE PROCESOS
SIMULACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE NITROBENCENO VÍA NITRACIÓN DIRECTA DE BENCENO USANDO EL SIMULADOR DE PROCESOS CHEMCAD®
Campos Ramírez-Iván Armando1, García Acosta-David Asael1, González Ramos-María Fernanda1, Lozoya Lomeli-Isabel1, Zárate Rodríguez-Elpidio2
Filiación de los Autores
Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Chihuahua. Avenida Tecnológico No. 2909, Colonia 10 de Mayo, C. P. 31310, Chihuahua, Chihuahua, México.
1Estudiantes del programa educativo de Ingeniería Química, Simulación de Procesos.
2Catedrático del programa educativo de Ingeniería Química, Simulación de Procesos.
Autor de contacto: David.Asael.GA@Gmail.com, mfgonzalezramos@gmail.com, isalozoyag@gmail.com , ivan.armandocampos@gmail.com 
RESUMEN
Se realizó una simulación del proceso de obtención de nitrobenceno a partir de benceno y una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico utilizando la versión 7.0.1 del simulador CHEMCAD ® con la intención de conocer las variables que influyen en la producción de nitrobenceno, tales como temperatura y presión para optimizar la conversión, el rendimiento y la selectividad de la reacción.
Palabras clave: CHEMCAD, Nitrobenceno, Producción, Rendimiento, Simulación.
ABSTRACT
A simulation of the process of obtaining nitrobenzene from benzene and a mixture of nitric and sulfuric acid was performed using version 7.0.1 of the CHEMCAD ® simulator with the intention of knowing the variables that influence the production of nitrobenzene, such as temperature and pressure to optimize conversion, performance and reaction selectivity.
Keywords: CHEMCAD, Nitrobenzene, Production, Simulation, Yield.
INTRODUCCIÓN
SIMULACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE NITROBENCENO VÍA NITRACIÓN DIRECTA DE BENCENO USANDO EL SIMULADOR DE PROCESOS CHEMCAD ®
2
El nitrobenceno es un compuesto químico de fórmula C6H5NO2, su peso molecular es de 123.1094, con número de registro CAS: 98-95-3, también se le conoce como Esencia de Mirbane; Esendica de Myrbane; Aceite de Mirbane; Nitrobenceno; Nitrobenzol; Aceite de Myrbane; NCI-C60082; Rcra waste number U169; UN 1662; NSC 9573. (NIST, 2018)
El nitrobenceno es un líquido aceitoso de color amarillo con un cierto olor a almendras. Su apariencia puede ser de un marrón amarillento pálido. El nitrobenceno es soluble fácilmente en la mayoría de los solventes orgánicos y es miscible en todas las proporciones con éter dietílico y benceno. El nitrobenceno es solo ligeramente soluble en agua con una solubilidad de 0.19 partes por 100 partes de agua a 20 ° C y 0.8 pph a 80 ° C. El nitrobenceno es un buen solvente orgánico y, debido a que el cloruro de aluminio se disuelve en él, se usa como solvente en las reacciones de Friedel-Crafts. (Wiley, n.d.)
El nitrobenceno se sintetizó por primera vez en 1834 mezclando benceno con ácido nítrico humeante, y se produjo por primera vez comercialmente en Inglaterra en 1856. La relativa facilidad de nitración aromática ha contribuido significativamente a las grandes y variadas aplicaciones industriales de nitrobenceno, otros compuestos nitro aromáticos, y sus derivados. (Wiley, n.d.)
Los factores que afectan los aspectos económicos para la fabricación de nitrobenceno están estrechamente relacionados con el proceso que se utiliza y la recuperación del ácido gastado: sin embargo, el costo de las materias primas generalmente representa al menos el 85% del costo de fabricación. (Wiley, n.d.)
El valor anual en dólares del nitrobenceno vendido varió de un mínimo de $ 656,000.00 en 1960 a un máximo de $ 868,000.00 en 1963 En enero de 1980. (Mark, et al., n.d.)
El precio del nitrobenceno doblemente destilado en tanques era de $ 0.68 / Kg. Los principales fabricantes de nitrobenceno en los Estados Unidos son American Cyanamid Company: E. I. du Pont de Nemours & Company, Inc: First Mississippi Corporation: Mobay Chemical Corporation: y Rubicon Chemicals, Inc. (Wiley, n.d.)
Las industrias que usan el nitrobenceno liberan pequeñas cantidades de esta sustancia química al aire y en cuerpos de agua. Sin embargo, se descompone en otras sustancias químicas pocos días después de su liberación. En la mayoría de las áreas, el agua y el aire no contienen nitrobenceno o, si lo contienen, es en cantidades tan pequeñas que no se pueden medir. (Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades, 2016)
El nitrobenceno puede causar una amplia variedad de efectos perjudiciales en la salud de las personas expuestas. Una pequeña cantidad de nitrobenceno puede causar una leve irritación si entra en contacto directo con la piel o con los ojos. Las exposiciones repetidas a concentraciones altas de nitrobenceno pueden causar una enfermedad hematológica denominada metahemoglobinemia. Esta afección afecta la capacidad de la sangre de transportar oxígeno. (Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades, 2016)
Después de la exposición, la piel se vuelve de un color azulado. Este cuadro puede estar acompañado de náusea, vómito y dificultad para respirar. También puede causar otros efectos como dolor de cabeza, irritabilidad, mareos, debilidad y sueño. Si el nivel de exposición es extremadamente alto, el nitrobenceno puede causar coma y posiblemente la muerte a menos que se reciba tratamiento médico de inmediato. El consumo de bebidas alcohólicas durante la exposición al nitrobenceno puede aumentar los efectos perjudiciales del mismo. En estudios en animales de laboratorio se observó que la administración de una dosis única de nitrobenceno a ratas de sexo masculino produjo daño en los testículos y redujo los niveles de espermatozoides. Esto indica que los seres humanos también podrían verse afectados por una disminución de la fertilidad. Hay muy poca información disponible sobre las consecuencias de la exposición prolongada al nitrobenceno en seres humanos o animales y no se sabe si puede causar cáncer. (Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades, 2016)
El método usual para la manufactura comercial del nitrobenceno es la nitración directa de benceno usando una mezcla de ácido sulfúrico y ácido nítrico. Los reactores Vessel son especialmente hechos de hierro fundido o hervidores de acero equipados con agitación eficiente. En un proceso típico batch, el reactor es alimentado con benceno y una mezcla acida de 53-60% de H2SO4, 32-39% HNO3, y 8% de H2O. Los flujos de los reactivos son expresados de diferentes maneras de planta a planta, el flujo másico de la mezcla acida-benceno es usualmente una relación 2.5:1, la temperatura de la reacción se debe mantener en 50-55 °C, ajustando el flujo de alimentación de la mezcla acida, el flujo de intercambio de calor y la agitación de la mezcla, generalmente se eleva la temperatura a 90 °C para promover la completa nitración. La mezcla de reacción se dirige luego a un separador donde se deposita el ácido y se extrae del fondo de la unidad. Este ácido usado se recupera o se usa como ácido de ciclo para comenzar las ejecuciones posteriores después de la extracción con vapor para eliminar el material de fijación. El nitrobenceno crudo se extrae de la parte superior del separador, el producto se lava con agua y carbonato de sodio diluido, luego se destila. Basado en un rendimiento de una tonelada de nitrobenceno, los requisitos para este proceso son los siguientes: (Mark, et al., n.d.).
Tabla 1. Cantidad de reactivos para obtener 1000 lb de nitrobenceno.
	Compuesto 
	Cantidad (lb)
	Benceno 
	1300
	Ácido sulfúrico 
	1442
	Ácido nítrico
	1060
	Agua
	218
	Carbonato de sodio
	20
El rendimiento habitual es 95-98%, existen pérdidas de aproximadamente 0,5% del rendimiento debido a la separación incompleta de nitrobenceno-ácido, Se producen pequeñas pérdidas adicionales en los lavados con agua y son proporcionales al número de lavados y la cantidad de agua utilizada por lavado. El proceso por lotes se puede adaptar a un proceso semicontinuo utilizando una serie de reactores. En el primer reactor, se agrega benceno al ácido mixto y, después deque se completa la reacción, se deja que la mezcla se asiente mientras se realiza una reacción en el segundo nitrador y así sucesivamente. Por lo tanto, en cualquier momento hay un nitrador cargado con ácido mixto, uno con una nitración en curso, otro con la mezcla de reacción sometida a separación, y uno de nitrobenceno y ácido agotado. El producto se lava y neutraliza de la manera habitual. (Mark, et al., n.d.)
La planta más nueva utiliza un proceso continuo, como lo tipifica el proceso Biazzi, para la producción de nitrobenceno. La secuencia de operaciones es esencialmente la misma que en el proceso por lotes, pero las principales diferencias son el uso de recipientes de reacción más pequeños, menor concentración de ácido nítrico y mayores velocidades de reacción. Una nitración continua típica de 30 gal tiene una capacidad de producción igual a un nitrador por lotes de 1500 gal. El ácido mixto de baja concentración de ácido nítrico y el benceno suficiente para reaccionar con todo el ácido nítrico se mezclan en el pequeño nitrador de acero inoxidable equipado con un agitador de alta velocidad (600 rpm) y una bobina de enfriamiento helicoidal. El tiempo de reacción es de 15-20 min debido a la agitación rápida y eficiente. La mezcla de reacción se extrae del lado del nitrador y se deja separar durante 10-20 minutos en un decantador. (Mark, et al., n.d.)
Los lavados se llevan a cabo en recipientes pequeños similares al nitrador utilizando agitación mecánica de alta velocidad y el ácido se reconcentra y se reutiliza, las pérdidas de benceno se mantienen en 1-2%, es decir, 20-40% lb / tonelada de nitrobenceno. (Mark, et al., n.d.)
En un proceso típico, se deja que el ácido nítrico al 60-68% reaccione con benceno a 72-78 °C en una columna de destilación. El producto superior de la torre es una mezcla de benceno y agua, después de eliminar el agua, el benceno se recicla. El nitrobenceno y el ácido nítrico se eliminan del fondo de la columna y se separan en otra columna. El ácido nítrico de esta etapa (60-68%) se recicla y el nitrobenceno crudo recibe un tratamiento adicional según lo requiera su uso eventual. Un factor importante para hacer este proceso económicamente factible en la eliminación del ácido sulfúrico del procedimiento. (Mark, et al., n.d.) 
El nitrobenceno se produce en grandes cantidades para uso industrial. Aproximadamente el 98% del nitrobenceno que se produce en Estados Unidos se utiliza para elaborar una sustancia química conocida como anilina. El nitrobenceno también se utiliza para producir aceites lubricantes como los que se usan en motores y maquinarias. Una muy pequeña cantidad de nitrobenceno se utiliza para la elaboración de pinturas, medicinas, pesticidas y caucho sintético. (Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades, 2016)
Modelación y simulación del proceso
Las Tecnologías de la Comunicación y la Información (TIC) son herramientas indispensables en los procesos de enseñanza/aprendizaje (E/A) en general, y de la química en particular. (Perez & P., 2009)
En las décadas de 1970 a 1990 se introducen los microcomputadores y ordenadores personales, que dan inicio a la era digital y a la Internet (1990 – actualidad), con el desarrollo de software y recursos digitales que ofrecen varias opciones para motivar en los estudiantes el aprendizaje de la química, con el objetivo de aliviar la crisis que afronta la enseñanza de las ciencias desde hace tiempo. Los sistemas educativos deben proporcionar a los estudiantes los elementos necesarios para poder interactuar y desempeñarse satisfactoriamente en la sociedad actual. (Perez & P., 2009)
El uso de las TIC en el aula permite que los alumnos complementen otras formas de aprendizaje utilizadas en la clase, mejoren la comprensión de conceptos difíciles o imposibles de observar a simple vista o en los laboratorios escolares, usen representaciones para desarrollar proyectos escolares. (Perez & P., 2009)
El objetivo en el uso de simulaciones es el desarrollo de habilidades de pensamiento como el análisis, la deducción y la elaboración lógica de conclusiones. La interactividad es el elemento distintivo de las simulaciones, y puede definirse como la relación activa que se establece entre el usuario y la computadora. (Perez & P., 2009)
Los simuladores comerciales han evolucionado considerablemente en las últimas décadas, convirtiéndose hoy en herramientas de aplicación cuyo uso resulta esencial tanto en el ámbito industrial como en el área educativa. En general, puede decirse que un estudiante que ha alcanzado un cierto nivel de formación en su carrera o un profesional de ingeniería podrá respaldar considerablemente sus capacidades desarrollando habilidades para el análisis, síntesis y evaluación de procesos si cuenta con el apoyo de esta poderosa herramienta y se afianza en su manejo. Sin embargo, el usuario de un simulador de tales características debe tener un conocimiento acabado del proceso que es objeto de estudio, ser capaz de evaluar y seleccionar el modelo termodinámico que mejor se ajuste al sistema, comprender las ventajas y limitaciones del modelo de simulación con el que representa al proceso, además de entender acerca de los métodos que utiliza el software para su resolución. (Toselli, et al., 2019)
Ampliando las capacidades de los ingenieros químicos en todas partes con un software de simulación de proceso mejorado, CHEMCAD está diseñado para ayudarlo a impulsar la productividad, realizar las tareas diarias y abordar los modelos de procesos químicos más exigentes. CHEMCAD es un conjunto integrado de software intuitivo de simulación de procesos químicos que se adapta al flujo de trabajo de ingeniería química y sobrealimenta la eficiencia de un ingeniero. (Chemstations Inc., 2018)
MATERIALES Y MÉTODOS
Descripción del proceso
El nitrobenceno se elabora industrialmente por nitración directa del benceno usando la mezcla ácida de ácido nítrico más ácido sulfúrico. Dado que se forman 2 fases en la mezcla en reacción y los reactivos están distribuidos entre ellas, se controla el avance de la reacción mediante la transferencia de masas entre las fases y la cinética química.
Se alimentan benceno y la mezcla ácida consistente en 56-65% en peso de ácido sulfúrico, 20-26% de ácido nítrico y 15-18% de agua dentro del reactor. 
Usualmente un leve exceso de benceno se usa para asegurar que poco a ningún ácido nítrico quede en el ácido gastado.
Se mantiene la temperatura del reactor entre 50-100°C mediante el caudal de enfriamiento.
La duración de la reacción es generalmente de 2 a 4 horas y los rendimientos típicos son de 95-98% basados en el benceno cargado.
Sistema de reacción
Las reacciones de nitrobenceno implican la sustitución en el anillo aromático y las reacciones que implican el grupo nitro. En condiciones electrofílicas, la sustitución se produce a una velocidad menor que la del benceno, y el grupo nitro promueve la sustitución meta. El nitrobenceno puede sufrir halogenación, sulfonación y nitración, pero no experimenta reacciones de Friedel-Crafts. En condiciones nucleofílicas, el grupo nitro promueve la sustitución orto y para. La reducción del grupo nitro para producir anilina es la reacción más comercialmente importante del nitrobenceno. Usualmente, la reacción se lleva a cabo mediante la hidrogenación catalítica de nitrobenceno, ya sea en fase gaseosa o en solución, o mediante el uso de perforaciones de hierro y ácido clorhídrico diluido, por ejemplo, en el proceso Bechamp. Dependiendo de las condiciones, la reducción de nitrobenceno puede conducir a una variedad de productos.
Nitrosobenceno, N-fenilhidroxilamina y anilina son productos de reducción primaria. El azoxibenceno se forma por la condensación de nitrosobenceno y N-fenilhidroxilamina en soluciones alcalinas, y el azoxibenceno se puede reducir para formar azobenceno e hidrazobenceno. 
Sistema de separación
Se utilizan separadores de fases, la fase acuosa o ácido gastado sedimenta y se retira por el fondo a un concentrador de ácido sulfúrico, o bien serecircula al mezclador donde se mezcla con ácido nítrico y sulfúrico, inmediatamente antes de su ingreso al reactor.
El nitrobenceno crudo fluye a través de varios separadores en serie donde el ácido residual se retira por lavado con una solución de carbonato de sodio seguida por un enjuague final con agua.
Es característico de este tratamiento que el exceso de benceno sin reaccionar se separe del nitrobenceno en una destilación final después del lavado y se reutilice en la reacción de nitración como benceno reciclado, que también comprende compuestos orgánicos no aromáticos de bajo punto de ebullición (denominados bajos calderas).
Intercambiadores
A lo largo del proceso se utilizan diferentes intercambiadores con el propósito de controlar la temperatura en ciertas corrientes en específico, de acuerdo a las condiciones de operación y/o con el propósito de cumplir con algunas normativas ambientales.
La función de estos es transferir el calor de un fluido a otro de menor temperatura. 
Sistema de unidades de ingeniería
Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones de todos los instrumentos de medida, y a las que están referidas a través de una cadena ininterrumpida de calibraciones o comparaciones.
El sistema internacional de unidades (SI) es el sistema de unidades seleccionado. Está constituido por siete unidades básicas: amperio, kelvin, segundo, metro, kilogramo, candela y mol.
La presión es una de las magnitudes físicas derivadas, la cual se maneja en pascales. Una atmosfera equivale a 101,325 Pascales.
 
Figura 1.Seleccion del sistema de unidades.
Sustancias involucradas
Para llevar a cabo el proceso de producción de nitrobenceno, el proceso se alimenta de benceno como el reactivo principal, junto a una mezcla de ácidos compuesta por una fracción de ácido nítrico, ácido sulfúrico y agua. Existen algunos productos secundarios que para fines prácticos no fueron contemplados en la simulación del proceso. 
Figura 2. Componentes de acuerdo al orden de volatilidad. 
Reacción química
La reacción de interés, corresponde a la nitración del benceno por medio del uso de una mezcla de ácidos. El benceno reacciona con la mezcla de ácidos nítrico-sulfúrico adicionando grupos nitro como radicales del anillo aromático sustituyendo al hidrogeno.
 El electrófilo de esta reacción es el catión nitronio. NO2+. Las concentraciones de este catión en el ácido nítrico son muy bajas para nitrar el benceno, por ello es necesario añadir ácido sulfúrico.
Modelos termodinámicos
Peng-Robinson
Peng y Robinson fijaron varios objetivos para la derivación de la Ecuación de Estado que recibió su nombre en 1976. 
En principio decidieron desarrollar una ecuación de estado de dos parámetros y de tercer grado respecto al volumen que cumpliera lo siguiente: 
1. Los parámetros deberían ser expresados como funciones de Pc (presión crítica), Tc (temperatura crítica). 
2. Debería obtenerse una mejor aproximación de las propiedades en las proximidades del punto crítico, especialmente en la densidad de la fase líquida. 
3. Las reglas de mezcla no deberían utilizar más de un parámetro de interacción binaria, el cual debería ser independiente de la temperatura, presión y composición. 
Descripción del proceso 
Reactores
Se utilizaron 4 reactores de Gibbs en serie (R-101, R-102, R-103, R104) ya que nos permite calcular las composiciones de las corrientes de salida correspondiente, se realiza aplicando la condición termodinámica de que el cambio de energía libre de Gibbs de un sistema reaccionante debe ser mínimo en el estado de equilibrio químico y que el equilibrio de fases se alcanza con un cambio mínimo en el cambio de energía libre de Gibbs entre las fases. Estos cuatro reactores operan de manera isotérmica a 393K, 227K, 238K y 250K respectivamente.
El primer reactor es alimentado por medio de las corrientes 3 y 19. La corriente 3 se compone de benceno puro en estado líquido a una temperatura de 298K y presión atmosférica. La corriente 19 contiene la mezcla ácida compuesta por ácido nítrico y ácido sulfúrico a 298K y presión atmosférica. La corriente 4 que sale del primer reactor a una temperatura de 339K alimenta al reactor R-102, junto con la corriente 6 de alimentación de ácido nítrico. La corriente numero 5 sale de este reactor compuesta de benceno, nitrobenceno, agua y ácido sulfúrico a una temperatura de 227K alimentando al tercer reactor añadiendo una alimentación de ácido nítrico proveniente de la corriente 8. La corriente 7 que sale del reactor R-103 con una mayor proporción de productos a una temperatura de 238K, alimenta al cuarto y último reactor añadiendo nuevamente una alimentación de ácido nítrico por medio de la corriente 10. La corriente 9 sale del reactor R-104 a una temperatura de 250K todo en estado líquido.
Separadores
La etapa de separación se compone por 4 flash en serie y un CSEP. El primer flash se alimenta del corriente número 9 a una temperatura de 250K y una atmosfera de presión. La corriente de salida superior 12 contiene una mezcla de nitrobenceno en mayor proporción, ácido nítrico, ácido sulfúrico y agua. La corriente intermedia 17 contiene una mezcla de nitrobenceno, ácido sulfúrico y agua con pequeñas trazas de ácido nítrico y benceno sin reaccionar. La corriente 17 alimenta al segundo flash con una temperatura de 983K y una atmosfera de presión.
La corriente superior del segundo flash con el numero 14 está compuesta por una mezcla de nitrobenceno, ácido sulfúrico y agua con pequeñas trazas de ácido nítrico y benceno sin reaccionar a una temperatura de 883K. La corriente 26 que sale de la parte intermedia del segundo flash contiene una mezcla de nitrobenceno, ácido sulfúrico y agua, que alimenta al 3 separador flash a una temperatura de 883K. 
La corriente superior que sale del 3 separador flash nitrobenceno ácido sulfúrico y agua a 800K. La corriente 18 que salde de la parte intermedia de dicho separador y alimenta al 4 y último separador flash se compone de una mezcla de ácidos y agua.
La corriente superior que sale del 4 separador flash a 750K transporta una mezcla de nitrobenceno ácido sulfúrico y agua. Esta corriente junto con el resto de corrientes provenientes de la parte superior de cada uno de los separadores flash se mezcla alimentando al separador CSEP en el cual se logra cumplir con la separación de nitrobenceno del resto de componentes de la corriente de alimentación del separador (mezcla de ácidos, agua y pequeñas trazas de benceno sin reaccionar). El nitrobenceno que sale por la parte superior del separador a la corriente 27 tiene una temperatura de 974K y una atmosfera de presión. La corriente 25 que proviene de la salida inferior del separador que contiene la mezcla de ácidos, agua y pequeñas trazas de benceno sin reaccionar sale a una temperatura de 974K y de igual manera, una atmosfera de presión.
La corriente con el numero 21 sale del ultimo separador flash que contiene el nitrobenceno que no se logró ser separado, ácido sulfúrico agua y pequeñas trazas de benceno sin reaccionar.
Cada una de las corrientes que provienen de la parte inferior de cada uno de los separadores flash (11, 13, 15 y 20) contienen el agua pura producida durante el proceso.
Mezcladores y divisores
A lo largo del proceso se utilizan 2 mezcladores. El primero con el fin de juntar las corrientes superiores de salida de los separadores flash para alimentar el último separador. El segundo separador mezcla todas las corrientes de salida de agua de los 4 separadores flash en la corriente resultante número 23.
Intercambiadores 
La simulación del proceso no contempla ningún intercambiador de calor por fines prácticos, pero con el propósito de cumplir con las reglas medioambientales y/o una fácil manipulación de las salidas del proceso se sugiere la utilización de intercambiadores de calor para disminuir las temperaturas de salida a 298 K. 
Simulación del proceso
Figura 3. Diagrama de flujo de la producción de nitrobenceno obtenido mediante el simulador CHEMCAD®
Diagrama de proceso
Figura4. Diagrama de proceso de la producción de nitrobenceno.
Corrientes, unidades, subsistemas.
Las corriente numero 3 corresponde a la alimentación de benceno. El ácido nítrico se alimenta por medio de las corrientes 6,8,10 que corresponden a las entradas de los reactores 2,3 y 4. La corriente 1 de ácido nítrico y la corriente 2 de ácido sulfúrico conforman la corriente resultante 19 que corresponde a la mezcla acida.
Las salidas de nitrobenceno se obtienen mediante las corrientes 27 en un 100% y 21 en una mezcla de nitrobenceno, ácido sulfúrico y agua, estas corrientes a una temperatura de 974K y 750K respectivamente. Las salidas de recuperación de ácido sulfúrico corresponden a las corrientes número 25 y 21 del proceso. Por medio de la corriente 23 se obtiene el agua 100% pura producida durante el proceso, El resto de agua producida sale por las corrientes 21 y 25 como una mezcla ácido nítrico-ácido sulfúrico-agua y nitrobenceno-ácido sulfúrico-agua.
Tabla 2. Caracterización de corrientes de proceso1-7
	Stream No.
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	Temp K
	298.15
	298.15
	298.15
	393
	227.7778
	298.15
	238.8889
	Pres Pa
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	Enth MJ/h
	-1740.6
	-1220
	2455.8
	329.88
	-7598
	-2611
	-12405
	Vapor mass frac.
	0
	0
	0
	0.70855
	0
	0
	0
	Total kmol/h
	9.9979
	1.4988
	49.991
	61.4878
	76.4847
	14.9969
	91.4816
	Total kg/h
	630
	147
	3905
	4681.9902
	5626.9746
	945
	6571.96
	Benzene
	0
	0
	3905
	3124.0212
	1952.553
	0
	781.0848
	Nitrobenzene
	0
	0
	0
	1230.856
	3077.1399
	0
	4923.4238
	Nitric Acid
	630
	0
	0
	0
	0
	945
	0
	Water
	0
	0
	0
	180.1128
	450.282
	0
	720.4512
	Sulfuric Acid
	0
	147
	0
	147
	147
	0
	147
Tabla 3. Caracterización de corrientes de proceso 8-14
	Stream No.
	8
	9
	10
	11
	12
	13
	14
	Temp K
	298.15
	250
	298.15
	983.2418
	983.2418
	883.1112
	883.1112
	Pres Pa
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	Enth MJ/h
	-2611
	-16560
	-2611
	-9500.4
	8038.8
	-470.11
	522.8
	Vapor mass frac.
	0
	0
	0
	0
	1
	0
	1
	Total kmol/h
	14.9969
	106.4785
	14.9969
	46.0397
	53.2392
	2.1296
	4.3197
	Total kg/h
	945
	7516.9497
	945
	829.4046
	6069.4438
	38.3647
	518.1941
	Benzene
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	Nitrobenzene
	0
	6154.4468
	0
	0
	5619.5942
	0
	489.2961
	Nitric Acid
	945
	314.9144
	945
	0
	314.9144
	0
	0
	Water
	0
	900.5885
	0
	829.4046
	26.9077
	38.3647
	1.1183
	Sulfuric Acid
	0
	147
	0
	0
	108.0273
	0
	27.7797
Tabla 4. Caracterización de corrientes de proceso 15-21
	Stream No.
	15
	16
	17
	18
	19
	20
	21
	Temp K
	800.6197
	800.6197
	983.2418
	800.6197
	298.15
	750.9701
	750.9701
	Pres Pa
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	Enth MJ/h
	-46.113
	2.2742
	470.16
	-35.87
	-2960.7
	-9.1216
	-19.411
	Vapor mass frac.
	0
	1
	0
	0
	0
	0
	0
	Total kmol/h
	0.1982
	0.3751
	7.1996
	0.1769
	11.4967
	0.038
	0.0716
	Total kg/h
	3.5713
	44.199
	618.101
	13.7719
	777
	0.6854
	5.4155
	Benzene
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	Nitrobenzene
	0
	37.4324
	534.852
	8.1235
	0
	0
	2.7175
	Nitric Acid
	0
	0
	0
	0
	630
	0
	0
	Water
	3.5713
	0.0457
	44.2762
	1.1762
	0
	0.6854
	0.4863
	Sulfuric Acid
	0
	6.7208
	38.9727
	4.4722
	147
	0
	2.2117
Tabla 5. Caracterización de corrientes de proceso 22-27
	Stream No.
	22
	23
	24
	25
	26
	27
	Temp K
	750.9701
	1208.7178
	974.1543
	974.1543
	883.1112
	974.1543
	Pres Pa
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	101325
	Enth MJ/h
	-9.2522
	-10026
	8554.7
	-1721.1
	-53.852
	10276
	Vapor mass frac.
	1
	1
	1
	1
	0
	1
	Total kmol/h
	0.0672
	48.4056
	58.0013
	8.0323
	0.7502
	49.969
	Total kg/h
	7.6711
	872.026
	6639.5083
	487.779
	61.5421
	6151.7285
	Benzene
	0
	0
	0
	0
	0
	0
	Nitrobenzene
	5.406
	0
	6151.7285
	0
	45.5559
	6151.7285
	Nitric Acid
	0
	0
	314.9144
	314.9144
	0
	0
	Water
	0.0046
	872.026
	28.0762
	28.0762
	4.7932
	0
	Sulfuric Acid
	2.2605
	0
	144.7883
	144.7883
	11.193
	0
Variables críticas del proceso
Las variables son la temperatura y la presión, ya que el proceso se controla a temperaturas alrededor de 110-350 °C, mientras que en todo el proceso se mantiene una presión de 1 atmosfera (101325 Pa). 
Es importante el control de la temperatura ya que el nitrobenceno es explosivo a altas temperaturas, y a temperaturas demasiado bajas no se favorece la reacción. 
Análisis de sensibilidad
El análisis de sensibilidad se aplicó a los cuatro reactores de Gibbs, las gráficas se muestran a continuación en los anexos.
RESULTADOS
Tabla 6. Balance de masa.
	BALANCE DE MASA
	
	Entrada (kg/h)
	Salida (kg/h)
	Benceno
	3905
	0
	Nitrobenceno
	0
	6154.447
	Ácido nítrico
	3465
	314.915
	Agua
	0
	900.589
	Ácido sulfúrico
	147
	147
	
	
	
	Total
	7517
	7516.951
Para la obtención del rendimiento del proceso se dividió el Producto (Nitrobenceno) entre el reactivo limitante que en este caso es el ácido nítrico, para esto se sumó el ácido extra que se adiciono a cada reactor más el primero que entra.
· Entrada de Ácido nítrico (kmol/h)
· Salida del nitrobenceno (kmol/h)
Nitrobenceno =0.05
· Rendimiento
Tabla 7. Balance de energía.
	BALANCE DE ENERGÍA
	
	Entrada
	Salida
	Feed Streams
	-8337.74
	
	Product Streams
	
	-1490.58
	Total Heating
	16403.2
	
	Total Cooling
	-9556.03
	
	Power Added
	0
	
	Power Generated
	0
	
	
	
	
	Total
	-1490.57
	-1490.58
Dimensión de los equipos
Tabla 8. Dimensiones de los separadores utilizados en el proceso.
	1er Separador Flash
	Longitud
	2.3934 m
	Diámetro
	6.2649 m
	2do Separador Flash
	Longitud
	1.9788 m
	Diámetro
	8.5644 m
	3er Separador Flash
	Longitud
	1.8523 m
	Diámetro
	7.5046 m
	4to Separador Flash
	Longitud
	1.8364 m
	Diámetro
	7.3759 m
Análisis de sensibilidad 
Véase en la sección de anexos al final del documento.
DISCUSIÓN
En comparación con otros procesos de producción de nitrobenceno en la industria, se observa que en el que se presenta en este documento tiene diferencias significativas, especialmente en las temperaturas utilizadas en los reactores, ya que como se mencionó con anterioridad el simulador de procesos CHEMCAD ® tiene algunas restricciones en las simulaciones cuando los procesos cuentan con electrolitos.
Otra diferencia significativa radica en el uso de torres de destilación, así como extractores y evaporadores como medios de separación de componentes.
Interpretación del análisis de sensibilidad
Los análisis de sensibilidad que se realizaron en esta simulación son una comparación entre la temperatura de cada uno de los reactores y la corriente de salida de cada uno de ellos, a fin de encontrar temperaturas de operación que permitan maximizar la cantidad de nitrobenceno en el proceso.
Como se muestra en las gráficas (ver sección de anexos) los reactores 2, 3 y 4 no muestran ser sensibles a la temperatura para obtener una mayor conversión de la reacción, quedando como único reactor sensible a la temperatura el reactor 1.
CONCLUSIONES
Se logró cumplir el objetivo de producir la mayor cantidad de nitrobenceno, para alcanzar esta meta fue necesario omitir anexar al simulador CHEMCAD ® los subproductos que se forman en las reacciones (M-dinitrobenceno, O-dinitrobenceno, P-dinitrobenceno, 1, 3, 5-Trinitrobenceno y anilina), debido a que el simulador tiene problemas con las reacciones electrolíticas.
 Al omitir estos subproductos se logró que el CHEMCAD ® respetara únicamente la reacción principal, donde el benceno más el ácido nítrico en presencia del catalizador en este caso el ácido sulfúrico se produjera el Nitrobenceno lo más puro posible y agua.
Aún con la eliminación de los subproductos, surgieron discrepancias entre el comportamiento del simulador y lo mencionado en la bibliografía existente del proceso, la cual mencionaba que a en un rango de temperatura de 50-55 °C se producía la mayor cantidad de nitrobenceno; sin embargo, se tuvo que trabajar con temperaturas relativamente elevadas para obtener una producción óptima de nitrobenceno. 
Se hizo necesaria la utilización de cuatro reactores de Gibbs ya que no se encontraron las condiciones de equilibrio para la reacción.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Available at: https://ddd.uab.cat/pub/trerecpro/2009/hdl_2072_13546/PFC_NIBE_v.3-4.pdf
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Berney, N., Fortes, V., Garcia, S. & Garcia, L., 2007. Planta de produccion de nitrobenceno V.1-2. [En línea] 
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[Último acceso: 2019].
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Available at: https://patents.google.com/patent/US20150166460A1/en
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Perez, D. & P., E., 2009. Experiencias de enseñanza de la química con el apoyo de las TIC. SciELO Analystics, 20(3), pp. 320-329.
Toselli, L. A., Guerrero, M. P., Monesterolo, V. M. & Beltrán, R. A., 2019. Aplicación del Simulador ChemCAD en la Enseñanza en Carreras de Ingeniería. SciELO Analystic, 2(3), pp. 19-24.
Wiley, J., n.d. Nitrobenzene and Nitrotoluenes. In: Enciclopedia of Chemical Technology. THIRD ed. s.l.:BOARD, pp. 916-923.
ANEXOS
· 
· Análisis de sensibilidad para el primer reactor
· 
· Análisis de sensibilidad para el segundo reactor
· Análisis de sensibilidad para el tercer reactor
· 
· 
· Análisis de sensibilidad para el cuarto reactor