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V er si ó n 1 .1 : 2 0 d e ab ri l d e 2 0 2 0 Diseño de procesos en ingeniería química Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Facultad de Ing. Química Actualización de la planta de clorobenceno con capacidad de 15,000 toneladas anuales. Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Ing. Michell Herrera García Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Actualización a capacidad de 15,000 ton/año Ing. Michell Herrera García || 1 Tabla de contenido 1. Resumen ................................................................................................................................... 2 2. Abstract .................................................................................................................................... 2 3. Descripción del proceso ........................................................................................................... 3 3.1 Áreas de proceso .................................................................................................................... 3 3.2 Diagrama de bloques .............................................................................................................. 5 Referencias ....................................................................................................................................... 6 Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Actualización a capacidad de 15,000 ton/año Ing. Michell Herrera García || 2 1. Resumen El propósito principal de este trabajo es el diseño de una planta que produzca mono clorobenceno, mediante la cloración de benceno, usando al cloruro férrico como un catalizador. El proyecto parte del trabajo propuesto en Planta de producción de clorobenceno (Alba González, Aynes Riba, González Lafita, Martínez Rabert, & Santos López, 2017), ajustando la meta productiva a ¼ de la capacidad original establecida, es decir, de 60,000 a 15,000 toneladas anuales con una pureza del 90% en peso. En el progreso se contempla el diseño de los equipos empleados desde el acondicionamiento de la materia prima, la producción y purificación de monoclorobenceno; hasta el diseño de su almacenamiento en cada etapa, provisión de servicios auxiliares y sistemas de control. Como una herramienta fundamental, se utilizará el ambiente de simulación de HYSYS V9 para obtener los resultados de diseño y producción, basando el desarrollo de los programas en las condiciones de operación ya preestablecidas. Finalmente se hará un análisis de la productividad de la planta y su viabilidad. 2. Abstract The main purpose of this work is to design a plant that produces monochlorobenzene, by chlorinating benzene, with ferric chloride as a catalyst. The project starts from the work proposed in Planta de producción de clorobenceno (Alba González, Aynes Riba, González Lafita, Martínez Rabert, & Santos López, 2017), adjusting the production goal to ¼ of the original established capacity, that is, from 60,000 to 15,000 tons per year with a purity of 90% by weight. Progress includes the design of the equipment used from the conditioning of the raw material, the production and purification of monochlorobenzene; up to the design of its storage at each stage, provision of auxiliary services and control systems. As a fundamental tool, the HYSYS V9 simulation environment will be used to obtain the design and production results, basing the development of the programs on the pre-established operating conditions. Finally, an analysis will be made of the productivity of the plant and its viability. Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Actualización a capacidad de 15,000 ton/año Ing. Michell Herrera García || 3 3. Descripción del proceso El proceso de producción monoclorobenceno (MCB), se basa en una reacción de halogenación electrofílica, para añadir cloro (Cl2) como sustituyente a un anillo de benceno (Bz) utilizando cloruro férrico como catalizador (FeCl3). 3.1 Áreas de proceso En la fabricación del MCB se reconocen secciones que son fundamentales en el proceso, siendo las siguientes: Almacenamiento de reactivos: zona donde se mantienen los reactivos, en condiciones óptimas, desde su recepción hasta que pasan a una parte del proceso. Purificación de benceno: se eliminan las impurezas de tolueno contenidas antes de empezar el proceso de producción mediante destilación, donde se purifica al 100%, luego la corriente se va a un mezclador. Evaporación de cloro: del almacenamiento a presión de cloro líquido, pasa a un intercambiador de calor para vaporizarlo, se acondiciona y regula la presión antes de inyectarlo a los reactores. Cloración de benceno: el catalizador se dosifica al mezclador de benceno, y posteriormente, éstos y el cloro ya acondicionados se guían a reactores CSTR en paralelo que operan a 2.4 bar y 55 °C, como la reacción es isotérmica, los reactores cuentan con un sistema de refrigeración. Se obtienen dos corrientes, una líquida y otra gaseosa. Absorción de orgánicos: la corriente gaseosa que sale de los reactores, contiene HCl principalmente, y otros orgánicos que se vaporizaron además de cloro sin reaccionar. Se absorbe en una columna de relleno con una corriente de recirculación interna de MCB +DCB + Bz que proviene de una corriente de salida de la destilación de benceno. Se obtiene una corriente gaseosa y otra líquida que absorbió los componentes orgánicos. La corriente gaseosa se envía a un separador líq-gas, donde se eliminan en su mayoría los compuestos orgánicos, la corriente líquida se lleva a la entrada de un separador líq-gas para purificar aún más el contenido de HCl. Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Actualización a capacidad de 15,000 ton/año Ing. Michell Herrera García || 4 Absorción de HCl: la corriente gaseosa obtenida en el último separador mencionado, se divide para poder enfriar y así poder absorber totalmente el HCl en agua. Ambas divisiones pasan a un sistema de absorción compuesto por una columna de pared húmeda y luego a una de relleno. La corriente final de gas en esta etapa está formada por cloro y trazas de orgánicos, la líquida regresa a la absorción de orgánicos. Tratamiento de gases: se tratan las corrientes de gas obtenidas en las columnas de absorción, pasa a un lavador de gases con sol. 30% Wt de NaOH como absorbente. Luego pasa a un recipiente que disminuye la velocidad del gas y se separan las 2 fases, el gas va a un reactor térmico que elimina los orgánicos por oxidación. Finalmente se eliminan los residuos sólidos y se ventean los gases fríos. 1ra Destilación de MCB: La salida líquida de los reactores en la etapa de cloración, se pasa a una columna de destilación de platos y la corriente líquida obtenida (DCB/FeCl3) se envía al tratamiento del catalizador. El destilado contiene principalmente benceno, trazas de DCB, Cl2 y HCl. Tratamiento del Catalizador: la corriente de fondos de la destilación primaria de MCB se lleva a un reactor con NaOH al 10% Wt, donde se precipita cloruro férrico en forma de hidróxido de hierro (III) y se forma NaCl. También se obtiene una corriente líquida que elimina el Fe(OH)3 en una centrifuga. Asimismo se forma la corriente de agua + NaCl + DCB que termina en un separador de fases gravitacional que divide agua y DCB. Del último separador, la corriente de NaCl/agua se almacena como subproducto. La otra corriente de DCB se recircula a los fondos de la destilación de benceno. Recuperación del HCl: La salida gaseosa de la 1ra destilación de MCB se mezcla con la corriente procedente de la absorción de gases después de la cloración para entrar a un separador líq-gas donde se disminuye el HCl de la corriente líquida y la fase gas se envía a la etapa de absorción de orgánicos. Destilación de Bz: la corriente líquida de la etapa anterior se envía ala columna de destilación de relleno, el benceno destilado se recircula al inicio del proceso productivo. Los fondos de la columna (MCB, DCB y Bz) en su mayoría MCB, se integra con la corriente de DCB que sale del ultimo separador de la etapa de tratamiento del catalizador y una parte de esta corriente nueva se dirige a la etapa de absorción de orgánicos como recirculación (ya mencionada). Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Actualización a capacidad de 15,000 ton/año Ing. Michell Herrera García || 5 2da Destilación de MCB: la fracción restante que proviene de los fondos de la purificación del benceno + DCB, pasa a la última columna de relleno para purificar totalmente al MCB y los fondos son DCB con un 99.7% de pureza. Finalmente el MCB se enfría y el otro se cristaliza para así almacenarlos y comerciarlos. 3.2 Diagrama de bloques Para un mejor entendimiento del proceso explicado, se muestra un diagrama de bloques con las principales tareas en el proceso. Figura 3.2.1 Diagrama de bloques del proceso de producción de monoclorobenceno. Proyecto: Planta de producción de clorobenceno Actualización a capacidad de 15,000 ton/año Ing. Michell Herrera García || 6 Referencias Alba González, A., Aynes Riba, A., González Lafita, Ó., Martínez Rabert, E., & Santos López, J. (2017). Planta de producción de clorobenceno. Bellaterra, Barcelona: Grall. Obtenido de https://classroom.google.com/u/0/c/NjU5MjUyOTYwNjJa/a/NzE3OTA4MDMwNzJa/det ails Wade, L. (2011). Química Orgánica (7ma ed., Vol. 1). México: Pearson Educación. Obtenido de https://es.slideshare.net/mariaguzman75/qumica-orgnica-wade-vol1-7ma-edicion
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