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HIDROGENACION CATALITICADE NITROBENCENO A

ANILINA

Cervantes – De La Cruz G., Garduza – Sosa J.P., Salvador – Chan J. M., Hernández – Tacú J.

Facultad de Ciencias Químicas y Petrolera, Universidad Autónoma del Carmen, Av. Concordia, Col. Benito Juárez C.P. 24180. Ciudad del Carmen, Campeche, México. Ingeniería de Reactores II, Grupo: 17:00 – 19:00. Correo electrónico: samperjp@hotmail.com

RESUMEN

Es de gran importancia conocer la anilina, Se ha realizado un problema con la finalidad de identificar y comprender por medio de su conversión las variables y variaciones hechas en el proceso de resolución del problema dado y se han ocupado tipos de variables para poder entender el comportamiento de la anilina. 1. INTRODUCCION

La anilina Fue aislada por primera vez a principios del siglo XIX, concretamente en 1826 mediante la destilación seca del añil. En 1840 el mismo líquido aceitoso fue obtenido calentando el añil con potasa, y se obtuvo la anilina actualmente conocida. La estructura de la anilina fue finalmente establecida en 1843 por W. Von Hoffmann con la demostración que podría ser obtenida por la reducción del nitrobenceno1

El primer proceso técnicamente aplicable para la producción de anilina (proceso Bechamp) fue desarrollado en 1854. Durante los siguientes 145 años la anilina ha llegado a ser uno de los bloques de construcción más importantes en la química-

2

La síntesis de anilina más usada comercialmente comienza en el benceno. Existe bibliografía sobre la aminación directa del mismo, pero las altas temperaturas y presiones requeridas así como la necesidad de usar un gran exceso de amonio no han permitido el desarrollo de un proceso económico.2

Hasta ahora, todas las técnicas aplicadas en la síntesis de anilina usan una vía indirecta para su producción a partir del benceno. En todos los casos, una clase de derivación se incluye como paso intermedio. En esta etapa se forma uno de los dos precursores directos de la anilina: nitrobenceno o fenol.2

Actualmente, el principal uso de la anilina es la producción de una clase importante de plásticos llamados poliuretanos.2

Otras importantes aplicaciones como la elaboración de tintes, medicinas (la sulfanilamida, por ejemplo), explosivos y otros muchos productos sintéticos.2

La anilina se usa como intermediario en diferentes campos de aplicación como, por ejemplo, isocianatos, tintes y pigmentos, compuestos químicos agrícolas o farmacéuticos.3

2. MARCO TEORICO

La anilina, también llamada fenilamina o aminobenceno es un compuesto orgánico de formula C6H5NH2, es una molécula perteneciente al grupo de las aminas aromáticas.3

También llamada benzamina, phenylamina, es un líquido aceitoso incoloro que posee un característico olor dulce. La anilina se vuelve marrón a la exposición del aire y de la luz. Es parcialmente soluble en agua y miscible en la mayoría de los disolventes orgánicos como el etanol, la acetona y el benceno.3

La anilina tiene un punto de fusión de -6,2 °C y un punto de ebullición de 184,3 °C.4

El nitrobenceno se fabrica comercialmente por la nitración directa del benceno en fase líquida usando una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico. Hay básicamente dos vías para la nitración del benceno: reacción isotérmica y reacción adiabática.4

3

En el proceso isotérmico, la nitración del benceno tiene lugar en una reacción en cascada en reactores cilíndricos con agitación o bien reactores tubulares, a temperaturas desde 50ºC hasta 100ºC y a presión atmosférica. La temperatura se mantiene mediante un enfriamiento interno y/o externo con agua. Una ventaja del proceso isotérmico es la mínima formación de subproductos, debido a la baja temperatura de reacción. La mezcla ácida necesaria para la nitración está formada por ácido sulfúrico humeante y ácido nítrico concentrado.4

En el proceso adiabático, la nitración tiene lugar en una cascada de reactores agitados a temperaturas de 90 a 100ºC y presión atmosférica. Como mezcla ácida se utiliza un gran volumen con un 65 a 85 % de ácido sulfúrico y también ácido nítrico concentrado. La ventaja de este proceso es que el calor de la reacción de nitración se emplea para reconcentrar el ácido sulfúrico gastado.5

El modo más asequible de preparar la anilina para su uso comercial consiste en reducir el nitrobenceno mediante hierro y ácido clorhídrico. También se puede preparar comercialmente a través de la acción del amoníaco a alta presión sobre el clorobenceno en presencia de un catalizador. En ambos casos la materia prima se obtiene a partir de benceno.5

El nitrobenceno es usado como materia prima para la obtención de anilina, por todos los productores mundiales, a excepción de Mitsui Petrochemicals Ind. (Japón) que además emplea fenol y Aristech Chemical Corp. (U.S) que sólo utilizan fenol.5

3. HIDROGENACIÓN CATALÍTICA DEL NITROBENCENO

La hidrogenación catalítica del nitrobenceno es una reacción altamente exotérmica (ΔH=-544 KJ/mol a 200ºC) que puede llevarse a cabo tanto en fase vapor como en fase líquida, en los procesos usados comercialmente.6

El intercambio y la utilización del calor de reacción es un punto crucial para todos los procesos que emplean el nitrobenceno como materia prima.7

4

Métodos de obtención de la anilina:

1. Hidrogenación catalítica en fase vapor8

2. Hidrogenación catalítica en fase líquida8

3. Reducción del nitrobenceno con hierro y sales de hierro8

4. Aminación del fenol8

4. PROPIEDADES DE LA ANILINA9

5. PRODUCCION DE LA ANILINA

5

La anilina se produce industrialmente en dos pasos, a partir del benceno. En un primer paso, se realiza la nitración usando una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados a una temperatura de 50 a 60ºC, lo que genera nitrobenceno.

En el segundo paso, el nitrobenceno es hidrogenado a 200-300ºC en presencia de varios catalizadores metálicos. Alternativamente, la anilina puede prepararse a partir de fenol y amoníaco.

6. MODELO K-L

ECUACIONES PARA LA RESOLUCION DEL PROBLEMA 20.10

(1) Ubr = 0.711 (g db) 1/2

(1.1) ub = u0 – umf + ubr

(1.2)

(1.3)

Buscamos Ef Y se despeja de la formula y nos queda asi: (1.4)

(1.5)

(1.6)

(1.7)

Velocidad de ascenso de una burbuja en un lecho que está a u

fm

g= aceleración de la gravedad 9.8 m/s2

Velocidad de ascenso de las burbujas en un Lecho de borboteo

Se Comprueba la suposición de burbuja rápida: tomar la relación de velocidades.

Se Calcula la fracción del lecho de burbuja, ᵹ= fracción del lecho en burbujas,

ubum/ Efm

m3burbujasm3lecho

1- ᵹ=1−E f

1−Emf

=Hmf

H f

Utilizando la expresión teórica de Davidson para la circulación nube- burbuja y la teoría de Higbie la difusión nube- emulsión, el intercambio de gas entre la burbuja y la nube resulta ser:

Kbc= 4.50 ( umf

db

)+ 5.85 ( D1/2 g1 /4

db5 /4

) =

(intercambio de volumenentre b y coentre c yb)/ svolumende la burbuja

. s−1

Kce= 6.77 (Emf D ubr

db3 )

1/2=

volumende intercambios/sbolumende laburbuja

, s−1

Y entre la nube-estela y la emulsión

Fb= 0.001� 0.01= volumende solidos en laburbujavolumende lecho

; estimación aproximada partir de experimentos

Fc= ᵹ(1- £mf ) {3 umf /£ mf

ubr−umf /Emf

+∝}=volumende solidos ennube y estelavolumen dellecho

ᵹ=

6

(1.8)

(1.9)

(1.10)

(1.11)

Fe= (1-Emf) (1-ᵹ) - fc - fb= volumende solidos enel restode la emulsionvolumendel leho

Fb + fc + fe = f total= (1- Ef)

Entonces para cualquier sección del lecho se tiene

Teniendo en cuenta estas cinco resistencias en serie- paralelo, eliminando las concentraciones en la nube y en la emulsión e integrando desde el fondo hasta la parte superior del lecho se llega:

7

FIGURA 1. Funcionamiento de un lecho fluidizado en función del tamaño de la burbuja, tal como se calcula en la ec. 1.11

7. RESULTADOS

SOLUCION AL PROBLEMA 20.10 POR EL METODO K-L

Ubr = 0.711 (gdb) 1/2

Ubr = 0.711 (9.8×0.1)1/2 = 0.7038 m/s

Ub = 0.3-0.02+.02+0.7038 =1.0038 m/s

U b

U f

=1.00380.020.6

=30.114

δ¿ 0.3−0.021.0038

=0.2789

εf¿1−(1−0.6 ) (1−0.2789 )=0.71156

Kbc¿4.50 ( 0.020.1 )+5.85[ (9 X 10−5 )

12 (9.8 )

14

(0.1 )54 ]=2.6461 S−1

Kce¿6.77 [ (0.60 ) (9 X 10−5 ) (0.3483 )(0.1 )3 ]

12=1.3198 S−1

8

fb¿0.001 0.01→ 0.001

fC¿0.2789 (1−0.60 )[ 3 (0.2 )0.60

0.7038−0.020.60

+0.33]=0.05345

fe = (1-0.60) (1-0.2789)-0.05345-0.01 = 0.23399

ftotal = (1-0.71156) = 0.28844

lnCa0

ca[ 0.001 (1.2 )+ 1

1(0.2789)(2.6461)

+1

0.05343 (1.2 )+ 11

(0.2789)(1.3198)+

1(0.23399)(1.2)

0.2218][ (0.28)(1.4)

0.3 ]=0.8738

CACA0

=e−0.87=0.4173 Ó XA = 58%

9

8. DISCUSIONES

GRAFICAS

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5580

590

600

610

Grafica 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50.22

0.26

Grafica 2

10

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5590

600

Grafica 3

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.510

30

50

70

Grafica 4

11

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Grafica 5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50.2

0.21

0.22

0.23

0.24

0.25

0.26

0.27

Grafica 6

12

9. ANÁLISIS

En el análisis los objetivos de control son: lograr una conversión adecuada del producto formado, y mantener al sistema operando alrededor de sus condiciones de estado estacionario. Las variables a controlar, por tanto, son la temperatura y el nivel dentro del reactor.

Las salidas medidas son: la temperatura del reactor y el nivel de la mezcla dentro del mismo, ambas corresponden a mediciones primarias, dado que son las variables a ser controladas directamente. Sin embargo, también resulta de interés conocer la dinámica de la concentración del producto y la temperatura de la chaqueta. Como variables manipuladas se consideran el flujo de salida del producto y el flujo de agua que entra a la chaqueta y como se puede apreciar en la gráfica este empieza aumentar después de los primeros segundos.

En cuanto a las entradas, algunas de ellas se considerarán fijas y otras serán perturbaciones al sistema. De acuerdo a la siguiente clasificación se tiene:

Entradas fijas:

− Temperatura de entrada del reactante.

− Temperatura del agua fría a la entrada de la chaqueta.

Perturbaciones:

− La concentración de entrada del reactante.

− El flujo de alimentación del reactante.

En tanto se puede apreciar en la gráfica en particular las temperaturas del reactor-chaqueta se regulan a un valor por debajo del estado estacionario, debido a que la reacción se enfría porque el flujo que circula por la chaqueta no es controlado.

La gráfica de la concentración del producto muestra que la concentración se estabiliza a un valor muy por debajo de su estado estacionario, como consecuencia de la acumulación de reactante dentro del reactor. Esto se debe a que la concentración del reactante se autorregula en un valor por encima del estado estacionario.

En la gráfica se observa las salidas del sistema a lazo abierto y con un incremento en la concentración de entrada, con lo que la temperatura del reactor presenta una respuesta inversa, ya que la temperatura crece hasta alcanzar un sobre pico considerable y luego decrece y se estabiliza a un valor alejado del valor de operación. La desviación notable de

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la temperatura de su valor de operación indica lo problemático de este tipo de respuesta para el control de dicha variable y del reactor en general.

En las gráficas a se observa que existe excelente regulación del flujo y del volumen del reactor y de la chaqueta. Sin embargo, la concentración del producto es más susceptible a los cambios ocasionados en la temperatura del reactor, por lo que llevarla a una condición específica estable implica a su vez la optimización de este control.

También se puede observar observa que ante las dos perturbaciones el proceso es más sensible a los cambios en el flujo de reactante, además las gráficas anteriores también nos indican con claridad la situación que tendría el proceso una vez que alcanzado el estado estacionario se le deje en lazo abierto. En la gráfica de volumen se observa que el nivel dentro del tanque permanece en sus condiciones de estado estacionario de 48.62 pies, mientras que las gráficas de las temperaturas siguen la tendencia de un sistema de segundo orden. En particular las temperaturas del reactor-chaqueta se regulan a un valor por debajo del estado estacionario, debido a que la reacción se enfría porque el flujo que circula por la chaqueta no es controlado.

En conclusión podemos visualizar que las variaciones en el período de muestreo por encima de su valor por defecto originan respuestas sobreamortiguadas, mientras que valores por debajo del mismo causan respuestas su amortiguadas u oscilatorias con la modificación que aumentan el sobrepico de las salidas. Si el período de muestreo dt se aumenta por encima de 100 segundos la respuesta se vuelve inestable.

10. CONCLUSIONES.

El análisis de las gráficas hechas anteriormente, nos pueden dar noción de que manera cambian estas mismas al hacer unas manipulaciones de las variables que se utilizan en dichas graficas; por ejemplo para la primera grafica podemos visualizar que si manipulamos las variables de nivel y la temperatura la concentración aumentara lentamente; en la segunda grafica podemos concluir que tras las perturbaciones la variable temperatura se mantendrá sin cambio, sin embargo en la tercera grafica si se altera la variable de temperatura se desestabilizara la concentración en todo el sistema, esto también lo podemos visualizar en la quinta gráfica, la cual también se relaciona con dicha temperatura y las últimas dos graficas se interrelacionan entre sí, ya que las variables de una dependen de la otra.

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BIBLIOGRAFIA

(Libros y direcciones INTERNET)

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327. http://www.plantasquimicas.com/Procesunit/anilina.htm8. http://www.eeaa.gov.eg/english/NIPP/NCP04/ch02.pdf

Libros:

Synthetic nitrogen products – A practical guida to the products and processes-Gary.R.Maxwell

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Aniline2. http://www.atsdr.cdc.gov/substances/toxsubstance.asp?toxid=793. http://www.chemguide.co.uk/organicprops/aniline/preparation.html#top4. http://www.kbr.com/Newsroom/Publications/brochures/Aniline.pdf5. http://www.chemsystems.com/reports/index.cfm?catID=46. http://es.wikipedia.org/wiki/Flexograf%C3%ADa7. http://www.lonza.com/group/en/company/news/publications_of_lonza.-ParSys-

0002-ParSysdownloadlist-0040-DownloadFile.pdf/Process_Final.pdf8. http://www.geocities.ws/todolostrabajossallo/orgaII_2.pdf9. http://list.emich.edu/~dyers/pdfs/dyeglossary.PDF