DESCRIPCION DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ESTIRENO

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL
PERÚ
UN INGENIERO QUIMÍCO, UNA EMPRESA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA,
INGENIERIA Y TECNOLOGÍA
DESHIDROGENACION
CATALITICA DEL ETIL BENCENO
PARA PRODUCIR ESTIRENO
PRESENTADO A: Ing. INGARUCA ALVAREZ EVER FLORENCIO
POR: ALIAGA RIVERA, Javier
CRISTOBAL CARDENAS, Blademir
HUAMAN PECHO, Henrry
JURADO DE LA CRUZ, Juan Carlos
MENDOZA SOOLANO, Walter
ALUMNO DEL: XIII
SECCION: “A”
Huancayo, Julio del 2 009

2. ÍNDICE
CARATULA i
INDICE ii
NOTACIÓN iii
INTRODUCCION iv
RESUMEN v
OBJETIVOS vi
I. MARCO TEORICO 1
II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Materiales
2.2 Reactivos
2.3 Procedimiento
III. CÁLCULO Y RESULTADOS
IV. DISCUSION DE RESULTADOS
V. CONCLUSIONES
VI. RECOMENDACIONES
VII. BIBLIOGRAFIA
VIII. ANEXOS

3. INTRODUCCION
El estireno es una de las sustancias más importantes como materia prima de
polímeros. En Japón, produce 1,5 millones de toneladas de estireno por año, esto
es comercialmente producido por deshidrogenación del etilbenceno (reacción 2) en
el cual es hecho desde el benceno y etileno (reacción 1).
C6H6 + C2H4 C6H5-C2H5………………… (1)
C6H5-C2H5 C6H5 –C2H5 + H2………… (2)
La formación del etilbenceno es una reacción exotérmica. La alquilacion con
etilbenceno en fase liquida es la mas común. El catalizador que se utiliza es el
AlCl3.
La producción de estireno a partir de etilbenceno es una reacción endotérmica en
fase gas, y el H2 formado se puede quemar para aportar calor al reactor. El
catalizador más usado esta constituido por una mezcla de Fe2O3 más Cr2O3.
La producción de estireno esta favorecida por temperaturas altas y bajas presiones
de H2. La deshidrogenación es liberada a calor en presencia de H2O (vapor de
agua) el cual es una fuente de calor.
Aunque las elevadas temperaturas alcanzadas con la adición de H2O (v) favorece la
conversión a Estireno.

4. RESUMEN
OBJETIVOS
NIVEL 0:
INFORMACION DE ENTRADA
I. INFORMACION BASICA
I.1. LAS REACIONES Y SUS CONDICIONES DE OPERACIÓN
I.1.1. INFORMACION DE LAS REACCIONES
Esta información se obtuvo de la literatura de principal de paper y
internet, la cual es:
N Minura, I.Tarahara, M. Saito, T.Hattori, K. Ohkuma, M. Ando, Appl.
Caltas.45 (1998)61-64.
a). Estequiometria de todas la reacciones que tiene lugar
La reacción principal es la reversible y endotérmica conversión de
etilbenceno a estireno e hidrogeno.
C6H5-C2H5 C6H5-C2H3 + H2
Al tratarse de una reacción en fase gas, en la que se producen dos
moles del producto por un mol de reactante reaccionando, bajar la
presión favorece la mezcla de la reacción.
Se trata de una reacción que catalíticamente puede alcanzar altos
rendimientos, dándose otra reacción secundaria.
C6H5-C2H3 + 2H2 C6H5CH3 + CH4
b). El rango de temperaturas y presiones parciales para las
reacciones
Se da en la siguiente tabla 1:
Parámetros básicos para un proceso comercial.
Temperatura de reaccióna. 630ºC
Presión Presión atmosféricab.
Component of feed gas H2O/EB = 9
Temperature of starting materials 25ºC
Temperatude of products and of gas. 40ºC
Reacction pathruay Deshidrogenacion simple
Yield of styrene R1:35%;R2:35%;total:70%
Selectivity of styrene 100%
Termic efficiency of boiler 90%
Teermic efficiency of heat exchanger and
evaporado. 100%

5. a. Temperatura de la cabeza de R1.
b. La presión es una planta comercial esta alrededor de 0.5
– 0.8 atm.
c). Las fases del sistema de reacción
La fase que se presentan en la reacción del sistema es la fase
gaseosa y liquida.
d). Formación sobre la distribución de producto versus
temperatura.
I.2. VELOCIDAD DE PRODUCCIÓN
Base de calculo 10000 Tn / año
PM estireno = 104 Kg/Kg mol
I.3. PUREZA DEL PRODUCTO.
Tabla Nº 2
Producto Pureza (%) Precio (us$/Tn)
99.00 900
Esterino 99.00 910
99.80 920
99.85 935
Fuente: www.cis.com
Precio del estireno en diferentes continentes (99.8%)
continente Precio (us$/Tn fob)
Norte América 920-935
Europa 930
Asia 930-940

6. I.4. PROPIEDADES FISICAS DE LOS PRODUCTOS Y MATERIAS
PRIMAS.
Constante Etilbenceno Hidrogeno Tolueno Metano Estireno
Formula Empírica C8H10 H2 C7 H8 CH4 C8 H8
Peso Molecular 106.168 2.016 92.141 16.043 104.152
Punto de Fusión 178.2 -259.19 178 90.7 242.5
(ºC)
Punto de 136 -252.72 383.8 111.7 418.3
Ebullición(ºC)
Densidad(g/cm3)ºC 0.9 0.071 0.867 0.425 0.9
Entalpia (Cal/g. 8500 216 7930 1955 8800
mol)
FUENTE: Chemical, prices, wekending March.
I.5. DATOS DE COSTOS
Costos y Precios de venta.
Etilbenceno $ 0.250/ lb Costo
Vapor a 800 K $ 0.022/ lb Costo
Estireno $ 0.310/ lb Precio de Venta
Tolueno $ 0.220/ lb Precio de Venta
Hidrogeno $ 0.104/ lb Precio de Venta
Metano $ 0.043/ lb Precio de Venta
Agua $ 0.002/ lb Costo
I.6. VELOCIDAD DE REACCIÓN
Ecuación cinética.
Donde:

7. I.7. ALGUNAS RESTRIBUCIONES DEL PROCESO
Algunas retribuciones que se pueden presentar en el proceso de obtener
el estireno, se da en una reacción que catalíticamente puede alcanzar
estos rendimientos, aunque reacciones de competencia térmica,
degradan el etilbenceno a benceno y también a carbón. El etilbenceno
también reacciona catalíticamente tolueno.
C6H5 – C2H3 C6H6 + C2H4 ∆H = 101.8 KJ/mol
C6H5 – C2H3 8C + 5H2 ∆H = 1.72 KJ/mol
C6H5 – C2H3 + 2H2 C6H5CH3 + CH4
La producción de carbón mediante estas reacciones secundarias es un
gran problema, ya que se trata de un veneno del catalizador.
Con el uso del vapor de agua nos evitamos en gran parte de este
problema mediante la reacción del carbón en el agua (vapor) para
formar CO2 e H2.
C + 2H2O CO2 + 2H2 H = 99.6 KJ/mol
El vapor del agua en la deshidrogenación de etilbenceno tiene tres
menciones fundamentales.
a. Baja la presión parcial de etilbenceno.
b. Aportar el calor necesario de reacción.
c. Limpiar el catalizador del carbono.
1.8 INFORMACION SOBRE TOXISIDAD, SEGURIDAD E IMPACTO
AMBIENTAL.
1.8.1. ETILBENCENO: Feniletato C8H10/C6H5 – C2H5
a) Toxicidad.
Limites de Exposición.
TLV (Como TWA):100ppm 434 mg/m3 (ACGJH 1995 - 1996)
TLV (Como ESTEL):125 ppm, 543 mg/m3
MAK; 100 ppm; 440mg/m3 (piel) (1996)
Efectos de Exposición
Corta Duración:
La sustancia irrita los ojos, la piel y el tracto respiratorio, la indigestión
del líquido puede dar el lugar a la aspiración del mismo por los

8. pulmones y la consiguiente niumatitis química, la sustancia puede
causar efectos en el sistema nervioso central, la exposición por
encima de LEL podría causar disminución de la coenzima.
b) seguridad
Envasado y etiquetado:
Símbolo: F
Símbolo: Xn
Derramas y fugas:
Ventilar: Recoger el liquido procedente de la fuga en recipientes
tapados, absorber el liquido residual en arena o absorbente inerte y
trasladarlos a un lugar segur. No verterlo al alcantarillado (protección
personal adicional: respirador de filtro par vapores orgánicos).
Almacenamiento:
A prueba de incendio separado de oxidantes fuertes.
Nota: La alerta por el olor es insuficiente.
c) Impacto ambiental
La sustancia es nociva para los organismos acuáticos.
1.8.2. TOLUENO: C7H8
a) Toxicidad.
Nivel de toxicidad:
RQ : 1000
IDLH: 2000ppm.
LDLo (oral): 50 mg/Kg
Nivel de irritación a los ojos: 300ppm.
Estados Unidos: TLV TWA: 375mg/m3 (100ppm)
TLV STEL: 560 mg/m3 (150 ppm)
Alemania: MAX: 375 mg/m3 (100ppm)
Riesgos de salud: Su toxicidad es moderada, su principal mitabolito
es el ácido benzoico, el cual se conjuga con la glicina en el hígado,
pulmones y se excreta por medio de la orina como acido hipúrico.
El abuso d este producto provoca daño al hígado, pulmones y
disfunción cerebral. El consumo de alcohol potencializa los efectos
narcóticos del tolueno.

9. b) Seguridad.
Empaque: Liquido inflamable.
Derrama y fugas:
Usar bata y lentes de seguridad. Dependiendo de la magnitud del
derrame será necesario al uso de otro equipo de seguridad como
botas y equipos de respiración autónoma.
Mantener cualquier punto de ignición alejado del derrame o fuga y
evitar que llegue a fuentes de agua o drenaje.
Si el drenaje es grande deben construirse diques para contenerlo
utilizando tierra, sacos con arena o espuma de poliuretano. Usar en
forma de rocío para bajar o vapores generados almacenándola en un
lugar seguro para su tratamiento posterior. El liquido derramado se
puede absorber con cemento en polvo, arena o algún absorbente
comercial, aplicando algún agente gelante para inmovilizarlo. Si el
derrame es en el agua, utiliza barreras naturales, bombas especiales
para controlar derrame se extienda. Usar agentes surfactantes activos,
como: Detergentes, jabones y alcoholes. También utilizar agentes
gelantes para rodear con un circulo solido de derrame y incrementar la
deficiencia de las bombas.
Si se disuelve con una concentración mayor de 10 ppm, se una carbón
activado en una proporción 10 veces mayor a la cantidad de derrame,
da posteriormente, succionar el material y utilizar palas mecánicas par
eliminar los sólidos contaminantes.
Almacenamiento:
Almacenar en un lugar bien ventilado. Libre de fuentes de ignición y
alejado de productos químicos con los cuales es incompatible, debido
a que tolueno no corroe los metales, en volúmenes grandes puede
almacenarse en recipientes de fierro, acero o aluminio conectado a
tierra.
1.8.3. ESTIRENO: Feneliteleno, Venilbenceno, Cinameno 99.5%
a) Toxicidad:
Toxicidad oral aguda (LD50) ensayado en ratas: 5000 mg/kg
GL50:/ inhal / rata: 11.9 mg/1/4 horas.
Concentración superior a 100 ppm puede producir: Incidencia sobre el
sistema nervioso central.
Producto nocivo por inhalación.

10. Irrita los ojos y la piel.
b) seguridad:
Precauciones individuales: Evitar todo contacto con la piel, ojos y
ropa. Evitar respirar los vapores. Extinguir llamas, evitar chispas, no
fumar.
Usar prendas adecuadas, guantes resistentes a productos químicos,
gafas de seguridad con protección lateral, En caso de sobrepasar el
valor imite establecido, es recomendable la protección de las vías
respiratorias.
Método de limpieza: Encausar grandes cantidades y bombearlas en
recipientes: El resto recoger con material absorbente y eliminar según
las precipitaciones locales y vigentes.
Almacenamiento: Almacenar en un lugar bien ventilado. El producto
debe ser estabilizado por lo menos de 10 ppm de butilpirocateguina
terc (TBC), Debido a la facilidad con que se polimeraliza, se debe al
estireno proteger del calor durante el transporte y también se debe
almacenar en sitios frescos u oscuros.
Limites de explosividad en el aire.
• Inferior: 1.1% Vol.
• Superior: 6.1% Vol.
• Temperatura d ignición: 490ºc
c). Impacto ambiental
Toxicidad en peces (aguda) 10 mg/L
Toxicidad en daphnias (aguda) 4.7 mg/L
Toxicidad en algas 1.4 mg/L
Toxicidad en bacterias 72 mg/L
Inhibición de la actividad respiratoria del lodo activado de una planta
depuradora comunitaria 140 mg/L.
El producto no debe ser vertido al desarrollo general sin un
tratamiento previo (depuradora biológica).
Valoración global:”peligro para el medio ambiente”.
1.8.4. METANO CH4 100%
a) Toxicidad:
No se conocen los efectos toxicológicos de este producto.
b) Seguridad:

11. Envasado y etiquetado: Extremadamente inflamable.
Vertido ambiental:
Precauciones personales: Utilizar equipos de respiración autónoma
cuando entren en el área a menos que este probado que la atmosfera
es seguro. Evacuar el área.
Asegurar la adecuada ventilación de aire.
Eliminar las fuentes de ignición.
Almacenamiento:
Mantener en un lugar seco y fresco. Separa de los gases oxidantes de
otros materiales oxidantes durante el almacenamiento.
Mantener el contenedor por debajo de 50ºC en el lugar bien ventilado.
Manipulación:
Asegúrese que el equipo esta adecuadamente conectado a la tierra.
Debe prevenirse la filtración de agua al interior del recipiente.
c) Impacto ambiental
No se conocen daños ecológicos causados por este producto factor de
calentamiento global (CO2 =: 21 1).
1.8.5. HIDROGENO: H2 99.999% Molar
a) Toxicidad:
El hidrógeno es un asfixiante simple.
Concentración Sistema de exposición
12-16 % Oxigeno Respiración y grado del pulso aumenta, coordinación
muscular es ligeramente alterada.
10-14 % Oxigeno Efectos emocionales, fatiga, anormal, respiración
perturbada,
06-10 % Oxigeno Nausea y vómitos, colapso o perdida de la conciencia.
Abajo 6 % Movimientos convulsivos, colapso respiratorio y posible
muerte.
b) seguridad:
c) impacto ambiental:

12. NIVEL 1: SISTEMAS CONTINUOS VS DISCONTINUOS
Para elegir entre los procesos continuos y discontinuos se procede de la
siguiente manera:
1.1 Velocidad de producción
Para saber cuál será la velocidad de producción se debe hacer un análisis
de mercado.
 Analisis de la demanda
 Analisis de la oferta
 Analissis de la demanda insatisfecha.
Además nuestro producto no es estacionario esto quiere decir que se
requiere todo el año en el mercado.
La velocidad de reacción es rápida e influenciada por la temperatura:
Existen varios operaciones y procesos químicos
Suponiendo que el 10% de la demanda insatisfecha es 1000Tn/año, esta es
la cantidad que pensamos producir.
1.2 SELECTIVIDAD Y CONVERSION
Wenner and Dybdal presentan algunos datos de distribución para la
producción de estireno.
Las reacciones que ellos consideran son:
Dados a temperatura de 1115 ºF y una presión de 25 psia.
Y los puntos leídos de sus gráficos son dados en las tablas 1 y 2.
Tabla 1:

13. Moles de estireno por mol de benceno vs conversión.
0.0 0.005 0.01 0.02 0.03 0.06 0.1 0.14
Conversion X 0.0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275
Elaboración: James M Douglas
B
= 0.333 X − 0.215 X 2 + 2.547 X 3
E
Tabla 1:
Moles de Tolueno por mol de estireno vs conversión.
mol Tolueno 0 0.006 0.015 0.030 0.045 0.070 0.11 0.16
molEstireno
Conversion X 0 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Fuente:R. W.Wenner. E. C Dybdal. Chem. Eng. Prog.44(4):275
Elaboración: James M Douglas
T
= 0.084 X − 0.264 X 2 + 2.638 X 3
E
1.3 CINETICA DE REACCION
La expresión de velocidad de reacción, para la reacción principal es:
EB ← → E + H 2

k 2
 1 1 1  k1
r = k1  EB −
C .CE 2 .CH2 2  KE =
 KE  k2
Donde:
k1 = 383 exp− 20440  −1

 [RT ( º R ) ] hr

k E = 7.734 x10 6 exp− 27170  −1

 [T ( º R )] hr

T = 1115 + 460 = 1575 º R
R = 10.73159 ft 3 .psi .R −1.lb mol −1
1.3 CONVERSION DE EQUILIBRIO
Cuando la velocidad de reacción alcanza el equilibrio r = 0:
Entonces:

14. C E .C H 2 2 −1
KE = ε = =1
C EB 1
EB0 (1 − X ) EB0 (1 − X )
C EB = =
1 + εX 1+ X
EB0 ( X ) EB0 ( X )
CE = =
1 + εX 1+ X
EB0 ( X ) EB0 ( X )
CH2 = =
1 + εX 1+ X
Para una temperatura de 1575 ºR K eq=0.249
Luego
EB0 ( X ) EB0 ( X )
.
1+ X 1 + X = 0.249
EB0 (1 − X )
1+ X
Simplificando:
EB0 ( X )
2
= 0.249
1− X 2
Para una concentración del etil benceno de E0= 1 molar
Xe = 0.446

15. NIVEL 2: ESTRUCTURA DE ENTRADA Y SALIDA
DEL FLOWSHEET
2.1 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO
H2; C2H4; CH4
Estireno
Etilbenceno
Benceno
Tolueno
2.2 Variable de Diseño, Balance de Materia y Costos de Flujos de
Entrada y Salida
2.2.1 Variables de Diseño
X = 0.70 y S = 0.353
Donde:
X: Conversión
S: Selectividad
2.2.2 Balance total de materia
2.2.2.1 Procedimiento de balance de materia
a) Velocidad de producción deseada
PE = 24.885 lb mol E/h
b) Calculo de la selectividad
1
S= = 0.353
1 + 0.417 X − 0.479 X 2 + 5.185 X 3
b.1 Deducción para calcular la selectividad
Dado el mecanismo de reacción
Etilbenceno Estireno + H2
X Etilbenceno Benceno + Etileno
Etilbenceno + H2 Tolueno + Metano

16. No se
convierte Rciclo
(1-x)
1 mol EB Etilbenceno
a b
Conertido B/E = f1(x)
Benceno
c Tolueno T/E = f2(x)
f1(x)=B=(0.333X-0.215X2+2.547X3)E
f2(x)=T=(0.084X-0.264X2+2.638X3)E
Si la conversión (x=a+b+c)
moles de estireno producido
S= = 0.353
moles de etilbencen o convertido
a 24.885
S= =
a+b+c 24.885 + 24.885 * f1 (x) + 24.885 * f 2 (x)
 1 
S =
 1 + f (x) + f (x) 

 1 2 
 1 
S=
 1 + 0.417 X − 0.479 X 2 + 5.185 X 3


 
C) Calculo De flujos de los reactantes, productos y subproductos
c.1) Etilbenceno alimentado (FFEB)
PE
S=
FFEB
PE 24.885
FFEB = = = 70.49 Lbmol EB / h
S 0.353
c.1.1 Etilbenceno alimentado total
FFEB 70.49
FTEB = = = 100.71 Lbmol EB / h
X 0.70
C.2) TOLUENO PRODUCIDO

17. T= (0.084X-0.264X2+2.638X3)PE
T= (0.084(0.7)-0.264(0.7)2+2.638(0.7)3)*(24.885)
T= 20.75 Lb molT/h
c.3) Benceno producido
B= (0.333X-0.215X2+2.547X3)PE
B= (0.333(0.7)-0.215(0.7)2+2.547(0.7)3)*(24.885)
B= 24.91 Lb molB/h
Balance Para El Gas En Subconjunto
Etilbenceno Estireno + H2
Etilbenceno Benceno + Etileno
Etilbenceno + H2 Tolueno + Metano
FV=20(FTEB) =20.1420 Lb mol V /h
C.3.1) Balance Para El Hidrogeno
24.885- Lb mol H2 producidos en la primera reacción
20.75 Lb mol H2 que reacciona en la tercera reacción
4.145 Lb mol H2 que no reacciona.
C.3.2) BALANCE DEL ETILENO (C2H4)
C2H4= (0.333X-0.215X2+2.547X3) PE
C2H4= 24.81 Lb mol E/h
C.2.3) BALANCE PARA EL METANO (CH4)
CH4= (0.084X - 0.264X2 + 2.638X3) PE
CH4=20.75 Lb mol M/h
Entonces; El balance de gas en su conjunto es:
G=m+n+p
G= 4.135+24.91+20.55
G=49.795 Lb mol G/h
2.2.2.2 BALANCE DE MATERIA EN TABLAS
A) VARIABLES DE DISEÑO

18. VELOCIDAD DE PRODUCCION 24.885
CONVERSION DE ETILBENCENO 0.70
COMPOSICION DE HIDROGENO 0.083
COMPOSICION DE ETILENO 0.500
COMPOSICION DE METANO 0.417
B) CALCULO DE LA SELECTIVIDAD
S = 0.353
F5:H2; C2H4; CH4
F2:Estireno
F1:Etilbenceno
F3:Benceno
F4:Tolueno
COMPUESTOS F1 F2 F3 F4 F5
(Lb mol /h)
H2 0 0 0 0 4.135
CH4 0 0 0 0 20.75
C2H4 0 0 0 0 24.91
Tolueno 0 0 0 20.75 0
Benceno 0 0 24.81 0 0
Estireno 0 24.885 0 0 0
Etilbenceno 100.71 0 0 0 0
Temperatura(ºF) 1115 1115 1115 1115 1115
Presion(Psia) 25 25 25 25 25
COSTO DE MATERIA PRIMA Y PRODUCTOS
componente PM US$/Lb US$/Lb US$/ton
mol
A) Materia prima
 Etilbenceno 106.168 26.542 0.250 450
 Agua 18 0.396 0.022 48.51
B) Productos
 Estireno 104.142 32.287 0.310 638.55
FUENTE:

19. VALOR DE LOS PRODUCTOS COMO COMBUSTIBLE
COMPONENTE PM Valor de Valor de
combustible combustible(BTU/Lb
mol)
H2 2.00 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$
CH4 16 4x10-6BTU 0.336 x106 BTU/$
C2H4 28 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$
Tolueno 92.10 4x10-6BTU 1.630x106 BTU/$
Benceno 78 4x10-6BTU
Estireno 104.152 4x10-6BTU 0.123x106 BTU/$
Etilbenceno 106.163 4x10-6BTU
DETERMINACION DE LOS COSTOS
Valor de Materias primas:
 ton  US $  US $
Etilbenceno :  41313.9989  450  = 18591299.5
 año  ton  año
US $
subtotal = 18591299.5
año
Valor del Producto:
3582118.98
2271572.65
6394861.89
 ton  US $  US $
Estireno : 10014.6612  663.550  = 6394861.89
 año  ton  año
Valor del Subproducto:
 ton  US $  US $
Tolueno :  7384.2898  485.10  = 3582118.98
 año  ton  año
 ton  US$  US $
Benceno :  7507.56898  302.571  = 2271572.65
 año  ton  año
US$
Costo total de subproducto = 12248553.5
año
Valor de Purga:

20.  ton  US$  US $
Me tan o : 1282.82993  94.815  = 121631.52
 año  ton  año
 ton  US $  US $
Hidrogeno :  31.9548299  229.32  = 7327.8816
 año  ton  año
 ton  US $  US$
Etileno :  2695.02476 1201.72  = 3238665.16
 año  ton  año
US $
subtotal = 3367624.56
año
PRIMER POTENCIAL ECONOMICO
PE1=Costo del producto + costo de subproducto + costo de purga – costo de
materia prima
US$ US$ US$ US $
PE1= 6394861.89 + 12248553.5 + 3367624.56 − 18591299.5
año año año año
US$
PE1= 2602268.44
año