¡Descarga Biotecnología 03 2017 y más Exámenes en PDF de Biotecnología solo en Docsity!
Producción de ácido tereftálico (TA)
El ácido tereftálico es un intermedio químico de gran demanda como reactivo para la obtención de PET (polietileno tereftalato tan común en embotellado de bebidas) y se obtiene por oxidación de xileno en fase líquida a alta presión y temperatura (más de 200ºC) con un catalizador, según la reacción principal: CH 3
CH 3
COOH
COOH
+ 3 O 2 + 2 H 2 O
Un esquema del proceso es el siguiente:
REACCIÓN FILTRACIÓN SECADO
DESTILACIÓN
Catal
Aire
Xileno
Ac. acético
Ac. tereftálico
Subprod
El xileno se mezcla con disolvente (ácido acético) y se introduce en el reactor donde se produce la reacción si se alcanza una conversión una conversión del cien por cien. El catalizado se recupera a la salida del reactor y se reintroduce en el mismo por lo que podemos suponer que la pérdida es nula. Sin embargo, la selectividad es del 85% ya que se generan otros subproductos de oxidación no deseados. Para simplificar, se considera que el subproducto es mayoritariamente CH 3 ‐C 6 H 4 ‐COOH, cuya fórmula desarrollada se indica al margen.
La salida del reactor contiene el ácido tereftálico insoluble que cristaliza y se separa por filtración. El sólido se seca para eliminar el ácido acético obteniendo el producto libre de impurezas. El líquido de filtración y los vapores de la etapa de secado se llevan a una torre de destilación donde se separa el ácido acético del resto de las impurezas y subproductos. La corriente de subproductos contiene un 0,5% en peso de ácido acético que se pierde.
- Analice el esquema y determine si falta alguna corriente no especificada.
- Determine la cantidad de aire que debe introducirse al proceso por cada tonelada de xileno alimentada si se introduce en relación estequiométrica.
- ¿Qué cantidad de ácido acético se pierde por cada tonelada fabricada de ácido tereftálico?.
CH 3
COOH
SOLUCIÓN
- El diagrama está incompleto. Si analizamos los componentes en cada corriente detectaremos qué flujos pueden faltar. a. En primer lugar, el problema indica que existen pérdidas de disolvente (ácido acético por la salida se subproductos). Por consiguiente debe existir una entrada de disolvente fresco para compensar esa pérdida. b. A la salida del reactor existe una mezcla de: ácido acético, TA, ácido metilbenzoico, que además tiene agua, nitrógeno, algo de oxígeno que sobre y otros subproductos de la oxidación (que pueden ser ignorados ya que el problema nos ayuda a simplificar todos en uno sólo representativo). Esta corriente no sabemos bien donde estará pero debe ser una salida colocada probablemente en el propio reactor. Son aceptables soluciones como una salida en la etapa de cristalización o en la filtración o colocar una etapa de separación de fases en la que sale la corriente de gases. c. El secado debería incluir una corriente de aire y calor, el aire de salida se enfría para condensar los líquidos. Se puede pensar en realizar la evaporación con calor y no se precisa. Se acepta colocar aire o no como alternativas válidas.
REACCIÓN FILTRACIÓN SECADO
DESTILACIÓN
Catal
Aire
Xileno
Ac. acético
Ac. tereftálico
Subprod Ac. Acético fresco
Gases Aire?
- En la planta, el xileno alimentado y el aire se introducen en relación estequiométrica ya que no vuelve xileno por la recirculación. Con una base de cálculo de una tonelada de xileno y con 3 mol O 2 /mol xileno: ܨ ൌ 10݃ ^ ݈݅ݔ ݉ൈ
݉ ଷ ݈
Dado que ܯܲ (^) ௫ ൌ 12 ∗ 8 10 ൌ 106݉݃ ݈ ்ܯ ܲ; (^) ൌ 12 ∗ 8 4 ∗ 16 6 ൌ 166݉݃ ݈ La solución serían 3019 m 3 en condiciones normales. Se puede utilizar otras unidades. En condiciones de proceso, el volumen es muy inferior porque la presión de trabajo es muy elevada.
- Para realizar este cálculo debemos entrar ya un poco más en el proceso. Con una base de cálculo de una tonelada de xileno, la cantidad de TA que sale es: ܶ ܣ (^) ௗ ൌ 10݃݇ ଷ^ ݈݅ݔ ݉݇ൈ
ܵ ܾݑ ௗ ൌ 10݃݇ ଷ^ ݈݅ݔ ݉݇ൈ
݈ ݈݅ݔ ൈ^
Producción de ácido tereftálico
El ácido tereftálico es un intermedio químico de gran demanda como reactivo para la obtención de PET (polietileno tereftalato tan común en embotellado de bebidas) y se obtiene por oxidación de xileno en fase líquida a alta presión y temperatura (más de 200ºC) con un catalizador, según la reacción principal:
Un esquema del proceso es el siguiente:
REACCIÓN FILTRACIÓN SECADO
DESTILACIÓN
Catal
Aire
Xileno
Ac. acético
Ac. tereftálico
Subprod
El xileno se mezcla con disolvente (ácido acético) y se introduce en el reactor donde se produce la reacción si se alcanza una conversión una conversión del cien por cien. El catalizado se recupera a la salida del reactor y se reintroduce en el mismo por lo que podemos suponer que la pérdida es nula. Sin embargo, la selectividad es del 90% ya que se generan otros subproductos de oxidación no deseados. Para simplificar, se considera que el subproducto es mayoritariamente CH 3 ‐C 6 H 4 ‐COOH, cuya fórmula desarrollada se indica al margen.
La salida del reactor contiene el ácido tereftálico insoluble que cristaliza y se separa por filtración. El sólido se seca para eliminar el ácido acético obteniendo el producto libre de impurezas. El líquido de filtración y los vapores de la etapa de secado se llevan a una torre de destilación donde se separa el ácido acético del resto de las impurezas y subproductos. La corriente de subproductos contiene un 1% en peso de ácido acético que se pierde.
- Analice el esquema y determine si falta alguna corriente no especificada.
- Determine la cantidad de aire que debe introducirse al proceso por cada tonelada de ácido tereftálico producida si los reactivos se introducen en relación estequiométrica.
- ¿Qué cantidad de xileno (en t/h) se precisa alimentar para fabricar 90 t/h de ácido tereftálico?.
CH 3
COOH
SOLUCIÓN
- El diagrama está incompleto. Si analizamos los componentes en cada corriente detectaremos qué flujos pueden faltar. a. En primer lugar, el problema indica que existen pérdidas de disolvente (ácido acético por la salida se subproductos). Por consiguiente debe existir una entrada de disolvente fresco para compensar esa pérdida. b. A la salida del reactor existe una mezcla de: ácido acético, TA, ácido metilbenzoico, que además tiene agua, nitrógeno, algo de oxígeno que sobre y otros subproductos de la oxidación (que pueden ser ignorados ya que el problema nos ayuda a simplificar todos en uno sólo representativo). Esta corriente no sabemos bien donde estará pero debe ser una salida colocada probablemente en el propio reactor. Son aceptables soluciones como una salida en la etapa de cristalización o en la filtración o colocar una etapa de separación de fases en la que sale la corriente de gases. c. El secado debería incluir una corriente de aire y calor, el aire de salida se enfría para condensar los líquidos. Se puede pensar en realizar la evaporación con calor y no se precisa. Se acepta colocar aire o no como alternativas válidas.
REACCIÓN FILTRACIÓN SECADO
DESTILACIÓN
Catal
Aire
Xileno
Ac. acético
Ac. tereftálico
Subprod Ac. Acético fresco
Gases Aire?
En la reacción los pesos moleculares cambian y es necesario realizar cálculos en mol. Los pesos moleculares son: ܯܲ (^) ௫ ൌ 12 ∗ 8 10 ൌ 106݉݃ ݈ ்ܯ ܲ; (^) ൌ 12 ∗ 8 4 ∗ 16 6 ൌ 166݉݃ ݈ ܲ ܯ (^) ௧௭ ൌ 12 ∗ 8 2 ∗ 16 8 ൌ 136݉݃ ݈
- En la planta, el xileno alimentado y el aire se introducen en relación estequiométrica. Con una base de cálculo de una tonelada de xileno y con 3 mol O 2 /mol xileno: ܨ ൌ 10݃ ^ ݈݅ݔ ݉ൈ
݈ ݈݅ݔ ൈ^
݉ ଷ ݈ ൌ 3019݉^
ଷ
ܶ ܣ (^) ௗ ൌ 10݃݇ ଷ^ ݈݅ݔ ݉݇ൈ
Por consiguiente se precisan 3019 ݉ ଷ^ ⁄1,409^ ܣ ܶ ݐ ൌ 2143 metros cúbicos de aire en condiciones normales por cada tonelada de TA producida.
- Esta operación ya se ha calculado en el apartado anterior para una base de cálculo luego podemos obtener la respuesta mediante una proporción.
