Benzaldehido

DISEÑO INTEGRADO DE PROCESOS

JUNIO 2006

APELLIDOS ___________________________________________

NOMBRE __________________

PROCESO: Producción de benzaldehído por oxidación parcial de tolueno en fase vapor
DESCRIPCIÓN:
Se pretende diseñar un proceso para obtener benzaldehído (BA) por oxidación en fase vapor de tolueno
(TOL) con aire:
[1]

TOL + O2 ⎯⎯→ BA
Con la reacción principalcompiten otras reacciones de oxidación:
[ 2]

TOL + O2 ⎯⎯⎯ COx
→
[3]

BA + O2 ⎯⎯⎯ COx
→

Las cinéticas que tienen lugar en el reactor, para el catalizador seleccionado, están descritas en la bibliografía
(Larrondo, S., Barbaro, A., Irigoyen, B., Amadeo, N., “Oxidation of toluene to benzaldehyde over VSb08Ti02O4:
Effect of the operating conditions”, Catalysis Today 64 (2001) 179–187),y obedecen a la expresión:
ri = −

− Eaj

k i k 4 pi pO2
k 4 pO2 + (k1 + 8.11k2 ) pTOL + 7.11k3 pBA

,

k j = k º e RT
j

, donde el subíndice i corresponde al TOL en las reacciones [1] y [2], y al BA en la [3]. Los valores de las
constantes se presentan en la siguiente tabla:
kº
j
3
(kmol/s.Pa.mLECHO )

1
2
3
4

9.211 102
4.224 102
2.750 100
2.461 102

Eaj

(cal/mol)
2.78 104
2.78 104
1.58 104
2.75 104

En los resultados recogidos en la bibliografía se presentan conversiones de TOL de hasta el 40%, y valores de
la selectividad a BA entre el 10 y el 50%, operando con tiempos de residencia del orden de unos pocos segundos.
El intervalo de condiciones de operación que se pueden considerar en el diseño del reactor son: temperatura
entre 300 y500ºC, y presión entre 1 y 5 bar.
El objetivo del presente ejercicio es la elaboración de un diagrama de bloques inicial que sirva como punto de
partida para el diseño del proceso.

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1) Dibujar el esquema del diagrama de flujo propuesto

16

21

15

TOLUENE
BOMBA-1

BOMBA-2

17

GAS-TRAT

CONDNS-2
AGUATR4
7
EBULL-1
14
1819
1

AIRE

2

COMPR-1

3

CALENT-1

4
REACTOR

5
ENFR-1

COMPR-2

CONDNS-1

12

25
CALENT-3

6
EBULL-2

13

20

DECANT-2

AGUATR2
9

10
CALENT-2

11

BA

8
TORRE

ENFR-3

DECANT-1

ENFR-2

22
24
23

AGUATR1

BOMBA-3

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2) Describir el reactor o reactores elegidos y susvariables de operación fundamentales. Justificar razonadamente.
Objetivo: Reacciones competitivas → se debe priorizar la selectividad de la reacción 1, dejando la
conversión como objetivo secundario.
Conversión: Si se analizan las cinéticas:
S13

r
kp
= 1 = 1 TOL = 335e
r3 k3 pBA

−1.2104
RT

pTOL
pBA

S12 =

r1 k1
=
= 2.18
r2 k2

La selectividad S12 es constante: no depende delas condiciones de operación, por lo que no se considera
en el análisis, evaluándose sólo la influencia de las decisiones sobre S13.
Se operará con conversiones bajas (estimación inicial 50%) ya que la relación pTOL/pBA disminuye
rápidamente → tiempo de residencia corto.
Modelo de flujo: Para que S13 sea máxima interesa pTOL máxima (modelo PF, al ser un reactivo), y pBA
mínima (modelo PF, alser un producto) → modelo Plug Flow. La concentración de O2 no aparece en S13 ni
afecta a la relación pTOL/pBA → no afecta a la selectividad.
Concentración: La concentración de TOL afecta a la selectividad, pero la de O2 no → Interesa operar en
exceso de TOL. Además, cuanto menor sea la proporción de aire, menor será la cantidad de N2 en los
gases de salida del reactor, lo que facilitará larecuperación de los volátiles en esta corriente de gas.
Temperatura: La selectividad aumenta exponencialmente con la temperatura:
300º
S13 C = 0.0089

pTOL
pBA

500º
S13 C = 0.1357

pTOL
pBA

→

500º
S13 C
300º
S13 C

= 15.3

Interesa una operación isotérmica a temperatura máxima (500ºC). El problema es que la reacción es muy
exotérmica, y pueden aparecer problemas de...