DISEÑO Y SIMULACION DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ACETATO DE METILO A PARTIR DE ACIDO ACÉTICO Y METANOL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES
Ingeniería de Procesos II Profesores: Álvaro Gómez Peña Carlos Ariel Cardona
PAOLA YULIANA TRUJILLO PAZ (304044) ( 304044) Junio de 2011.
Contenido 1. GENERALIDADES: .................................................................................................................. 4 1.1 Fabricación y uso de acetato de metilo: .................................................................................... 4 1.2 Precauciones y Toxicidad: T oxicidad: ........................................................................................................ 4 1.2.1 Datos físico-químicos básicos:............................................................................................... 4 2. ANALISIS TERMODINAMICO: .................................................................................................. 5 2.1 Caracterización De La Mezcla A Separar..................................................................................... 8 3. ESTRUCTURAS ENTRADA SALIDA: ...................................................................................... 11 3.1 Estructura Entrada Salida Global: ........................................................................................... 11 3.1.1. Alternativa 1 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo. ................................................. 11 3.1.2. Alternativa 2 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo. ................................................. 12 3.1.3. Alternativa 3 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo. ................................................. 12 4. ESTRUCTURAS REACCION SEPARACION: .......................................................................... 13 4.1 Opción 1: ................................................................................................................................. 13 4.1.1 Escogencia del Reactor: ................................................................................................... 13 4.1.2 Estructura de separación: ................................................................................................. 13 4.1.3 Simulación........................................................................................................................ 14 4.1.4 Balances de materia, especificaciones de flujos y equipos en Aspen® Plus.................... 14 4.1.4 Análisis de Sensibilidad: Sensibilidad: .................................................................................................. 16 4.1.5 Integración energética: ..................................................................................................... 17 4.2 Opción 2: ................................................................................................................................. 21 4.2.2 Simulación........................................................................................................................ 23 4.2.3 Análisis de sensibilidad:................................................................................................... 24 4.2.4 Integración energética: ..................................................................................................... 25 5. COMPARACION IMPACTO AMBIENTAL .............................................................................. 28 6. CONCLUSION: ............................................................................................................................ 29 7. BIBLIOGRAFIA: ......................................................................................................................... 29
2
3
1. GENERALIDADES:
1.1 Fabricación y uso de acetato de metilo: Acetato de metilo es un líquido inflamable con un olor no desagradable parecido al de ciertas colas o quitaesmalte de uñas. Sus características son muy similares al del acetato de etilo. El acetato de metilo de alta pureza es usado, en grandes cantidades, como intermediario en la manufactura de gran variedad de poliésteres, como base para películas fotográficas, como materia prima para la producción de acetato de celulosa, plásticos de celulosa, filtros de cigarrillo y, principalmente, en la producción de solventes, colorantes y otros productos análogos.1
1.2 Precauciones y Toxicidad: Acetato de metilo Incendio: Altamente inflamable. Explosión: Las mezclas vapor/aire son explosivas. Exposición: *Inhalación Puede causar tos, pesadez, dolor de cabeza, dolor de garganta, vómitos y pérdida de conocimiento (Síntomas de efectos no inmediatos). *Ingestión Puede provocar dolor abdominal, pesadez, náusea, vómitos y debilidad. *Contacto con la piel Puede producir piel seca, enrojecimiento y aspereza. *Contacto con los ojos Puede causar enrojecimiento, dolor y visión borrosa.
1.2.1 Datos físico-químicos básicos: Acetato de metilo: Aspecto Líquido incoloro Punto/intervalo de ebullición a 101,3 kPa: 57 ºC Límite inferior de explosividad, % vol. 3,1 Presión de vapor a 20 ºC, hPa (mbar) 217 Solubilidad en agua a 20 ºC, g/100ml 24,4 Densidad relativa de la mezcla vapor/aire 1,3 a 20ºC (aire=1) Temperatura de ignición espontánea, 455ºC Peso molecular 74,1 Presión crítica (atm): 46,3
1
Olor Característico Punto de inflamación: 13ºC Límite superior de explosividad, % vol. 16 Densidad relativa del líquido (agua=1) 0,93 Densidad relativa de vapor (aire=1) 2,6 Punto/intervalo de fusión, 98 ºC
Fórmula molecular CH3COOCH3 Temperatura crítica (K): 506.8
http://www.ellaboratorio.co.cc/documentos/iq/acetato_metilo2.pdf
4
Estabilidad y reactividad Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar muy rápidamente una concentración nociva en el aire. El vapor es más denso que el aire y puede extenderse a ras del suelo; posible ignición en punto distante, y puede acumularse en los lugares excavados produciendo una deficiencia de oxígeno. Ignición en punto distante, y puede acumularse en los lugares excavados produciendo una deficiencia de oxígeno.2 Acido Acético: CH3COOH1 Fórmula molecular 3 Densidad (g/cm ): 1.0492 Masa molar 60.05 g/mol 391,2 K (118,05 °C) Punto de ebullición 1,74 D Momento dipolar Presión crítica (atm): 57,1 Metanol: CH4O Fórmula molecular Masa molar 32,04 g/mol 337,8 K (64,7 °C) Punto de ebullición Acidez (pKa) ~ 15,5 Momento dipolar 1,69 D Presión crítica (atm): 79,9 Agua: Formula molecular: Índice de refracción: 1.333 Punto de fusión 0 °C Temperatura crítica (K): 647,3
Propiedades físicas Índice de refracción: 1.3716 Punto de fusión 290 K (16,85 °C) Acidez (pKa) 4,76 Temperatura crítica (K): 594,4
791,8 kg/m3; 0.7918 g/cm3 Densidad Punto de fusión 176 K (-97,16 °C) Viscosidad 0,59 mPa·s a 20 °C. Solubilidad en agua totalmente miscible. Temperatura crítica (K): 512,6
Densidad (g/cm3): 0,9999 Masa molar 60.05 g/mol Punto de ebullición 100 °C Presión crítica (atm): 217,6
2. ANALISIS TERMODINAMICO: Por medio del análisis termodinámico se puede predecir los rangos de las condiciones de operación de la reacción de esterificación para la producción de Acetato de Metilo. Esta reacción se lleva a cabo haciendo reaccionar el ácido acético con el metanol, para producir 1 molécula de acetato de metilo y 1 mol de agua, como se muestra a continuación: Reacción reversible en fase líquida:
⇔ 2
http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/132198-ACETATO_DE_METILO.pdf
5
Tomando: A: C:
B: D: ⇔
La ecuación de velocidad con respecto al reactivo A:
Si es la constante de equilibrio: La ecuación de velocidad queda:
[ ] ( ) ( )
Donde la temperatura esta en Kelvin3
Para poder predecir las condiciones de operación del reactor, se realizaron las graficas del cambio de la entalpia de reacción (ΔHrxn) y el cambio de la energía libre de Gibbs (ΔGrxn) respecto a la
temperatura. Según la literatura, el reactor debe operar a 60 °C Y 1 bar4: INFLUENCIA DE T SOBRE EL CALOR DE REACCION 2000
1500
l o m K / J K , n x r H a t l e d
1000
500
0
-500
-1000 240
260
280
300 320 340 Temperatura K
360
380
400
Ilustración 1. Fig. 1. ΔHrxn Vs. Temperatura para la reacción 3
Reactive distillation for methyl acetate production. Robert S. Huss, Fengrong Chen, Michael F. Malone, Michael F. Doherty *Department of Chemical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003, USA. Received 6 December 2002; accepted 12 June 2003 4 http://www.diquima.upm.es/docencia/modysim2000/docs/proyecto_intro_acetato.pdf
6
INFLUENCIA DE T EN LA ENERGIA LIBRE DE GIBBS 80
60
l o m K / J K , n x r G a t l e d
40
20
0
-20
-40 240
260
280
300 320 340 Temperatura K
360
380
400
Ilustración 2. ΔGrxn Vs. Temperatura para la reacción
INFLUENCIA DE T SOBRE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO 1.0002 1.0002 1.0001 1.0001
q e K
1.0001 1.0001 1.0001 1 1 1 240
260
280
300 320 340 Temperatura K
360
380
400
Ilustración 3. Keq Vs. Temperatura para la reacción
Como se puede observar en las figura 1, el calor de reacción es menor que cero, para valores de temperatura menores a 300 K para los cuales las reacción tendría un comportamiento exotérmico. Mediante las figura 2, se puede observar que la energía libre de Gibbs es negativa para un intervalo de temperatura entre 260 K y 340 K , lo cual indica que es muy probable que la reacción sea factible en dicho intervalo de temperatura. Lo cual corrobora los datos obtenidos en la literatura para las condiciones de operación del reactor Como las reacciones son reversibles, ocurren en fase liquida, y a temperaturas relativamente bajas, se debe utilizar un reactor CSTR. 7
2.1 Caracterización De La Mezcla A Separar A continuación se muestran, los diagramas de equilibrio, para las mezclas ternarias.
T e r na r y M a p ( M o le B a s i s ) 1 . 0
56,66 0 C . 9
2 . 0
0 . 8
3 .
0 . 7
0 C 53,62
1 0 A H T E M
4 . 0
M E T H Y - 0 1
0 . 6
5 . 0
0 . 5
6 . 0
0 . 4
7 . 0
0 . 3
8 . 0
0 . 2
9 . 0
0 . 1
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
WATER
Ilustración 4. Diagrama ternario Agua-Acetato de Metilo-Metanol
Componente Agua Acetato de Metilo Metanol Ácido Acético
T (°C) 100,02 57,05
Clasificación Saddle Saddle
64,53 118,01
Saddle Stable node
Tabla 1.Componentes puros
T (°C)
Clasificación
Tipo
56,66 53,62
Saddle Unstable Node
Homogeneous Homogeneous
No. Comp. 2 2
Agua 0,085 0
Acetato de Metilo 0,915 0,6682
Metanol 0 0,3318
Tabla 2. Azeótropos de la mezcla
8
T (°C)
Clasificación
100,02 57,05 64,53 118,01 56,66 53,62
Saddle Saddle Saddle Stable node Saddle Unstable Node
Tipo
No. Comp.
Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous Homogeneous 2 Homogeneous 2
1 1 1 1
Agua 1 0 0 0 0,085 0
Acetato de Metilo 0 1 0 0 0,915 0,6682
Metanol
Ácido Acético
0 0 1 0
0 0 0 1
0 0,3318
0 0
Tabla 3. Puntos singulares
Ilustración 5. Equilibrio Líquido Vapor Acetato de Metilo-Metanol
Ilustración 6. Equilibrio Liquido Vapor Metanol-Acido Acético
9
Ilustración 7.Equilibrio Liquido Vapor Ácido Acético-Agua
Ilustración 8. Equilibrio Líquido Vapor Acetato de Metilo-Ácido Acético
Ilustración 9. Equilibrio Liquido Vapor Metanol-Agua
10
Ilustración 10. Equilibrio Liquido Vapor Acetato de metilo-Ag ua
3. ESTRUCTURAS ENTRADA SALIDA: 3.1 Estructura Entrada Salida Global: Para poder plantear las diferentes alternativas posibles de las estructuras Entrada – Salida del proceso, primero es necesario determinar las corrientes de entrada y salida globales. Ácido acético
Metanol
Acetato de metilo PROCESO
Agua Ácido acético Metanol
Ilustración 11.Estructura Entrada – Salida Global.
Conocidas las sustancias involucradas en las corrientes de entrada y salida, ahora se procede a determinar si se puede presentar un exceso de reactivos y si existe un reciclo de un reactivo o un subproducto para favorecer la reacción para de esta forma contribuir a la ganancia económica global del proceso. También se debe analizar la conversión, la cual está limitada por la conversión en el equilibrio Xeq debido a la reversibilidad de las reacciones involucradas en el proceso, que será la máxima conversión posible que puede alcanzar el sistema.
3.1.1. Alternativa 1 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo. Ácido acético Metanol
PROCESO
Ácido acético Agua Acetato de Metilo Metanol
Ilustración 12.Estructura Entrada – Salida con recirculación del Metanol.
11
Esta estructura permite recircular el metanol, es conveniente recircular este r eactivo debido a que puede generar un mayor rendimiento del proceso y evitar desperdiciar una materia prima, y así generar menos costos en la obtención de este reactivo.
3.1.2. Alternativa 2 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo. Ácido acético Metanol
Ácido acético PROCESO
Agua Acetato de Metilo Metanol
Ilustración 13. Alternativa 2 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo.
Esta estructura permite recircular el ácido acético, el cual debe ingresar en exceso al proceso para favorecer la reacción directa y así tratar de convertir los reactivos más valiosos que este, como el metanol, en forma total, es decir, favorecer la producción del acetato de metilo. También es conveniente recircular este reactivo debido a que puede generar un mayor rendimiento del proceso y evitar desperdiciar una materia prima, y así generar menos costos en la obtención de este reactivo.
3.1.3. Alternativa 3 de Estructura Entrada – Salida con Reciclo.
Ácido acético Metanol
Ácido acético PROCESO
Agua Acetato de Metilo Metanol
Ilustración 14. Estructura Entrada – Salida con recirculación de Ácido acético y el Metanol.
Tanto el metanol como los Ácido acético son los reactivos involucrados en las reacciones. La recirculación de estos dos reactantes, permite favorecer el equilibrio de las reacciones hacia la producción de Acetato de metilo es decir, favorece las reacciones directas. Esta estructura es factible, debido a que se están recuperando dos materias primas y se generan menos costos en su adquisición, aunque se debe tener en cuenta el costo energético necesario para la recirculación de estos dos reactivos. El exceso de Ácido acético es con el fin de favorecer las reacciones directas, es conveniente solo recircular este para mejorar la conversión y/o la selectividad de las reacción; además, teniendo en cuenta que el metanol es reactivo limite, aquellas moléculas que salen como productos, es decir, los que no reaccionaron, se presentan en menor proporción que el ácido acético presente en los productos de la reacción, por ende, recircularlos no sería conveniente, ya que implicaría un mayor costo en su recirculación para una cantidad pequeña de metanol. 12
En conclusión, la alternativa 1 donde se recircula el Acido Acético, sería la más apropiada para el proceso ya que pude generar un mayor rendimiento; además, considerando que su conversión no es completa, es más efectivo reincorporar el Acido Acético al proceso que dejarlo como residuo.
4. ESTRUCTURAS REACCION SEPARACION: 4.1 Opción 1:
Ilustración 15. Estructura Reacción separación, opción 1
Debido a que la reacción es en fase liquida, para poder determinar el grado de separación de las corrientes de salida, es necesario basarse en las volatilidades de las sustancias para así obtener un buen esquema de separación con el fin de obtener una buena calidad de producto deseado (Acetato de metilo), aprovechando la materia prima y los subproductos generados y poder recircular los reactivos escogidos para favorecer al proceso tanto en a nivel operacional, económico y ambiental.
4.1.1 Escogencia del Reactor: Debido a que la reacción es reversible, y de acuerdo al análisis termodinámico ya realizado a la misma se encontró que existe una temperatura optima de reacción a la cual se debe llevar a cabo para garantizar una máxima conversión (conversión de equilibrio). De acuerdo a lo investigado en la literatura los reactores que más se emplean en este tipo de reacciones (esterificación), son los reactores de tanque agitado (CSTR)5 del tipo de operación continua y del tipo semibatch, isotérmico de manera que al retirar el calor de reacción de la mezcla reaccionante se prevenga el calentamiento de la misma y una posible disminución de la conversión del equilibrio. 4.1.2 Estructura de separación: La corriente saliente del reactor está compuesta por metil acetato, agua, metanol y ácido acético sin reaccionar. Para la separación de dicha mezcla se utilizan dos torres de destilación. 5
Análisis del comportamiento de los reactores CSTR y PFTR en la producción de acetato de metilo. Javier.F.A. Miguel.G.
13
En la primera torre, que recibe la corriente que sale del reactor, se destila el azeótropo (metanolacetato de metilo) como producto de cabeza en la cual se saca todo el acetato presente en la mezcla, esta corriente tiene una concentración de 0.92 de acetato de metilo por tanto no se requiere de otra torre de destilación para purificar el acetato. El producto de los fondos contiene metanol, agua y ácido acético. Esta corriente pasa a una segunda torre de destilación con el objetivo de separar el ácido acético del metanol para una posterior recirculación del ácido.
4.1.3 Simulación Para evaluar el desempeño de los procesos, se usó del Software Aspen® Plus en el cual se encuentra una base de datos de las propiedades de algunos de los componentes utilizados en el proceso. El esquema de producción de Acetato de Metilo contiene principalmente un CSTR, un mezclador, dos torres de destilación, y 7 intercambiadores de calor como se muestra en el siguiente diagrama.
4.1.4 Balances de materia, especificaciones de flujos y equipos en Aspen® Plus
1
A-METILC
A-METILO
IC-5 COLUM1
IC-5
LIQUID
LIQUID
AC-ACET
AGUA-C
MIX
IC-6
LIQUID
AGUA-F
AL-METAN CSTR
COLUMN-2
IC-6
BOMBA-3
LIQUID
LIQUID
LIQUID
Mass Flow kg/sec WATER
0,0371592
0,0371592
0,0373459
0,210279
0,210279
0,0371594
METHY-01
0,711106
0,711106
0
0
0
0
METHA-01
0,0268546
0,0268546
0
4,41E-10
4,41E-10
0,3344349
ACETI-01
6,80E-07
6,80E-07
0,7095734
0,1331826
0,1331826
0
WATER
0,0479399
0,0479399
0,05
0,6122337
0,6122337
0,1
METHY-01
0,9174135
0,9174135
0
0
0
0
METHA-01
0,0346457
0,0346457
0
1,29E-09
1,29E-09
0,9
ACETI-01
8,77E-07
8,77E-07
0,95
0,3877653
0,3877653
0
0,0125
0,0125
0,0138888
0,01389
0,01389
0,0125
0,7751205
0,7751205
0,7469194
0,3434619
0,3434619
0,3715943
Total Flow cum/sec
8,65E-04
8,19E-04
7,07E-04
3,83E-04
3,48E-04
4,86E-04
Temperature K
329,0157
293,15
293,15
374,8643
293,15
333,1622
Pressure N/sqm
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,10E+05
Enthalpy Watt
-5,07E+06
-5,17E+06
-5,99E+06
-4,27E+06
-4,35E+06
-3,04E+06
-5569,265 -5966,072 -4208,922 -6344,959 -6979,368 Tabla 4. Resultados de la simulación en Aspen® Plus para los Flujos másicos.
-7222,12
Mass Frac
Total Flow kmol/sec Total Flow kg/sec
Entropy
J/kg-K
14
2
ALIMEN
IN-COL2
IN-CSTR
IN-IC3
INCOLUM1
MET-HOT
IC-1
COLUMN-2
CSTR
IC-3
COLUM1
BOMBA-3
MIX
BOMBA-2
IC-1
COLUM1
BOMBA-1
IC-7
LIQUID
LIQUID
LIQUID
LIQUID
LIQUID
LIQUID
Mass Flow kg/sec WATER
0,0373672
0,2103004
0,0373672
0,2103004
0,2474596
0,0371594
METHY-01
0
1,61E-16
0
1,61E-16
0,711106
0
METHA-01
0
4,41E-10
0
4,41E-10
0,0268546
0,3344349
0,9448394
0,36838
0,9448394
0,36838
0,3683807
0
0,0380442
0,3634137
0,0380442
0,3634137
0,1827888
0,1
METHY-01
0
2,79E-16
0
2,79E-16
0,5252663
0
METHA-01
0
7,63E-10
0
7,63E-10
0,0198364
0,9
0,9619558
0,6365863
0,9619558
0,6365863
0,2721085
0
0,0178077
0,0178077
0,0178077
0,0178077
0,0303077
0,0125
0,9822067
0,5786804
0,9822067
0,5786804
1,353801
0,3715943
9,26E-04
5,81E-04
9,60E-04
6,46E-04
1,39E-03
4,86E-04
Temperature K
293,1548
293,1666
323,15
377,5237
298,1537
333,15
Pressure N/sqm
1,00E+05
1,10E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,11E+05
1,00E+05
Enthalpy Watt
-7,78E+06
-6,14E+06
-7,74E+06
-6,03E+06
-1,16E+07
-3,04E+06
-4159,173 -5699,59 -4139,236 -5289,455 -6446,143 Tabla 5.Resultados de la simulación en Aspen® Plus para los Flujos másicos.
-7222,246
ACETI-01 Mass Frac WATER
ACETI-01 Total Flow kmol/sec Total Flow kg/sec Total Flow cum/sec
Entropy
J/kg-K
3
METANOL
OUT-CSTR
OUT-IC2
OUT-IC3
OUT-IC4
RECICLO
IC-7
IC-2
BOMBA-1
BOMBA-2
MIX
IC-4
CSTR
IC-2
IC-3
IC-4
COLUMN-2
LIQUID
LIQUID
LIQUID
LIQUID
LIQUID
LIQUID Mass Flow kg/sec WATER
0,0371594
0,2474596
0,2474596
0,2103004
2,14E-05
2,14E-05
METHY-01
0
0,711106
0,711106
1,61E-16
0
0
METHA-01
0,3344349
0,0268546
0,0268546
4,41E-10
0
0
0
0,3683807
0,3683807
0,36838
0,2351974
0,2351974
0,1
0,1827888
0,1827888
0,3634137
9,12E-05
9,12E-05
METHY-01
0
0,5252663
0,5252663
2,79E-16
0
0
METHA-01
0,9
0,0198364
0,0198364
7,63E-10
0
0
0
0,2721085
0,2721085
0,6365863
0,9999121
0,9999121
0,0125
0,0303077
0,0303077
0,0178077
3,92E-03
3,92E-03
0,3715943
1,353801
1,353801
0,5786804
0,2352181
0,2352181
ACETI-01 Mass Frac WATER
ACETI-01 Total Flow kmol/sec Total Flow kg/sec
15
Total Flow cum/sec
4,58E-04
1,46E-03
1,39E-03
5,81E-04
2,18E-04
2,49E-04
293,15
333,15
298,15
293,15
293,15
390,722
Pressure N/sqm
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
1,00E+05
Enthalpy Watt
-3,09E+06
-1,12E+07
-1,16E+07
-6,14E+06
-1,79E+06
-1,76E+06
-7648,155 -5558,458 -6446,266 -5699,667 -4020,44 Tabla 6. Resultados de la simulación en Aspen® Plus para los Flujos másicos.
-3949,566
Temperature K
Entropy
J/kg-K
4.1.4 Análisis de Sensibilidad: El análisis de sensibilidad planteado está definiendo el flujo de salida del reactor (corriente OUTCSTR) variando el tiempo de residencia, se obtiene:
Ilustración 16. Variación del flujo de Ácido Acético contra el tiempo de residencia.
En esta grafica se encuentra un máximo en 5,75 horas. El análisis de sensibilidad en la primera columna de separación, presenta los siguientes comportamientos:
Ilustración 17. Variación composición másica de Acetato de metilo vs Plato de ali mentación
16
En la gráfica (17) se observa que el intervalo óptimo para escoger un punto de alimentación de la columna es entre los platos 15 a 22.
4.1.5 Integración energética: Se utilizó la herramienta Hint para el diseño de la red de intercambio de calor. El esquema del proceso de obtención de Acetato de Metilo presenta 7 intercambiadores de calor los cuales son los encargados de adecuar la temperatura de la corriente de alimentación al reactor y de acondicionar las corrientes de salida, sin embargo debe tenerse en cuenta que la red de intercambio de calor también puede ser establecida a partir de las corrientes de entrada y salida de cada una de las unidades. Para el diseño de la red de intercambio de calor es necesario establecer los tipos de corriente involucrados en el proceso definiendo su tipo si es caliente o fría, sus temperaturas de entrada y salida, también los fluidos de servicio. Las correlaciones que se han empleado para estimar coeficientes de transmisión de calor son las siguientes:
Corriente
Tipo Correlación
Forma Correlación
1
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
2
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
3
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
4
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
5
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
6
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
7
Convección forzada en el interior de tubos
Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33
Tabla 7. Estimación de los coeficientes de transferencia de calor.
17
Corriente
Descripción
Tipo
Tipo calor
T1 (K)
T2 (K)
H (kW)
mcp (kW/K)
1 MET-HOT
Fría
Sensible
293,15
333,15
3037,8
75,945
2 ALIMEN
Fría
Sensible
293
333
5951,8
148,795
3 OUT-CSTR COLUM14 CONDENSADOR
Caliente
Sensible
333
298,15
-1
2,87E-02
Fría
Sensible
298
329
5072
163,6129
5 A-METILC
Caliente
Sensible
329
293
-5169
143,5833
6 REHERVIDOR1
Fría
Sensible
298,15
377,52
6032,4
76,00353
7 IN-IC3 IN-COLUM28 CONDENSADOR
Caliente
Sensible
377
293
-6139,4
73,0881
Fría
Sensible
293
374,86
4268,3
52,14146
9 AGUA-C IN-COLUM210 REHERVIDOR
Caliente
Sensible
374,8643
293
-4351,1
53,15015
Fría
Sensible
293
390,72
1
1,02E-02
11 RECICLO
Caliente
Sensible
390,72
293,15
-1788,3
18,32838
Tabla 8. Descripción de corrientes T min 10 308. 298. 3037.8
5951.8
-1.
3
5
7
4268.3
-4351.1
9
1.
-1788.3
333.
293.
333.
298.15
11
298.
1
75.945
2
148.795
2.86944e-002
4
329.
377.52
6032.4
-6139.4
293.15
329.
5072.
-5169.
333.15
163.613 293.
298.15
143.583
6
76.0035
377.
293.
374.86
293.
374.864
293.
390.72
293.
390.72
293.15
73.0881
8
52.1415
53.1502
10
1.02333e-002
18.3284
308. 298.
Ilustración 18. Diagrama de trama lado caliente/ lado frío ΔTmin=10
18
Ilustración 19. Diagrama de curvas compuestas ΔTmin=10
Ilustración 20. Diagrama de cascada ΔTmin=10
19
Ilustración 21. Curva Grand Compuesta Coste ($) 1.9e+006 1.7e+006 1.5e+006 1.3e+006 1.1e+006 9.e+005 7.e+005 5.e+005 3.e+005 1.e+005 0.
5.
10.
15.
20.
25.
30.
35.
40.
45.
50. DT min K
Ilustración 22.Variacion de los costos totales mínimos con DT mínima A(m2) 1999.9
1799.9
1599.9
1399.9
1199.9
999.92
799.92 10.
15.
20.
25.
30.
35.
40.
45.
50. DTmínimo(K)
Ilustración 23. Variación del área mínima de intercambio con La diferencia mínima de temperatura
20
Del cálculo de la cascada de energía, se obtienen los siguientes resultados:
Necesidades de Calefacción: 9861.22 kW Necesidades de refrigeración: 2946.72 kW Temperatura pinch: 303 K.
Área y Costes mínimos En el cálculo del área y coste mínimos de la red de intercambio, se han obtenido los siguientes resultados:
Numero de intercambiadores mínimos: 11 Área mínima de intercambio de calor: 1708.63 m2
Los costos mínimos requeridos para este proceso son: De operación: 54740. $/año. De inmovilizados totales: 524100 $ De inmovilizado anuales: 52410. $. Totales anuales: 107150 $.
4.2 Opción 2: DESTILACION REACTIVA: [6] [7] [8] La destilación reactiva es un proceso combinado, utilizando principalmente para aquellas reacciones químicas en las que el equilibrio de reacción limita la conversión. Este es el procedimiento más usado actualmente ya que sus características presentan ciertas ventajas siendo una de las más importantes la disminución en el consumo de energía y la r educción del costo de mantenimiento de los equipos. Por llevarse a cabo la reacción química y la destilación en un mismo equipo, un paso del proceso es eliminado, en asocio con las bombas, válvulas e instrumentación. La destilación reactiva se lleva a cabo en una columna de reacción a contracorriente. La reacción ocurre en la zona media de la columna o sección de reacción, en una serie de etapas de evaporación a contracorriente. En la superior, el agua es extraída con ácido acético en la zona de destilación extractiva en la que se ubica la alimentación de ácido acético. El ácido acético y el acetato de metilo 6
Comparative control study of ideal and methyl acetate reactive distillation. MuhammadA. Al-Arfaj, William L. Luyben. Department of Chemical Engineering, Lehigh University, Bethlehem, PA 18015 , USA 7 Destilación Reactiva: Análisis y diseño básico. C.A. Cardona. Agroindustria Rural sin misterio. Arcano. 8 Process alternatives for methyl acetate conversion using reactive distillation. 1. Hydrolysis. Yu-Der Lin, Jun-Hong Chen, Jian-Kai Cheng, Hsiao-Ping Huang, Cheng-Ching Yu . Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, Taipei 106-17, Taiwan
21
son separados por encima de la alimentación de ácido acético, en la sección de rectificación. En la sección de agotamiento el metanol es despojado del agua. Dentro del marco conceptual y teórico se encuentran las diferentes bondades que la destilación reactiva presenta en lo referente a la eliminación de algunas limitaciones impuestas en los procesos convencionales, tales como restricciones de pureza y limitaciones del equilibrio químico. En algunas ocasiones es necesaria la ayuda de un solvente para poder obtener las indicaciones de pureza establecidas, cuando esto es indispensable es común nombrarlos como procesos de destilación reactiva extractiva. Dentro de los procesos que reportan tal comportamiento esta la producción de acetato por destilación reactiva, entre los que se encuentran la producción de acetato de metilo que es producido por la reacción entre el ácido acético y el metanol, utilizando un catalizador acido, la mezcla reaccionante presenta la formación de azeótropo entre el acetato de metilo-Agua y acetato de metilo-metanol. El ácido acético es utilizado como agente extractivo y como reactivo. Las etapas de análisis y diseño de un sistema reactivo para determinar la viabilidad operacional con el fin de realizar un proceso por destilación reactiva se muestran a continuación: 1. Estudio de la compatibilidad de los componentes de reacción y separación. La reacción debe darse en la fase líquida, para cumplir con las condiciones mínimas de la operación de destilación. 2. Las condiciones de temperatura y presión óptimas de la reacción deben ser compatibles con las condiciones de alta actividad del catalizador. 3. Análisis de la influencia del componente de separación sobre la reacción. Termodinámica topológica y análisis de la estática (numeral 4.2). 4. Trayectoria de operación. Diagrama de flujo simplificado. 5. Modelamiento matemático. 6. Simulación. 7. Experimentación física. Lo mínima posible 105 El problema básico en el diseño de la destilación reactiva consiste en la estimación de la posibilidad de obtener los estados estables con máxima conversión y selectividad. La etapa principal para el diseño de una tecnología en la producción de sustancias orgánicas es la síntesis del diagrama de flujo óptimo que asegure la calidad del producto requerida. Para esto lo más adecuado es partir de una metodología que permita establecer la secuencia de síntesis de esquemas tecnológicos de procesos realizados por destilación reactiva. Para tal fin se destaca el análisis de la estática que permite determinar el esquema tecnológico más apropiado para procesos realizados por destilación reactiva. Este método tiene las siguientes ventajas sobre otros métodos conocidos.
22
Necesita pocos datos iniciales: parámetros del modelo del equilibrio fásico y químico, y la estequiometría de la reacción. Es aplicable a mezclas multicomponentes y multirreactivas. Es aplicable a mezclas altamente no ideales, como azeotrópicas y con solubilidad limitada. Permite seleccionar los estados estables límites factibles. Puede ser fácilmente formalizado como algoritmo. Reduce el tiempo computacional y simplifica laboriosos y extensos experimentos a gran escala. El método ha sido utilizado satisfactoriamente en el diseño de muchos procesos industriales.
El análisis de la estática posee un fundamento científico para realizar la síntesis cualitativa del esquema tecnológico que precede al modelamiento matemático y experimental, lo cual permite una disminución de tiempo y capital en el diseño de los procesos realizados por destilación reactiva.9
4.2.2 Simulación 1
COLUM-DR
LIQUID
B2
B2 COLUMDR
LIQUID
LIQUID
COLUMDR3
LIQUID
B1
B1 COLUMDR
LIQUID
LIQUID
Mass Flow kg/sec WATER
0
0,2215196 0,2215196
0
1,41E-04
1,41E-04
0,9174697
0,1673538 0,1673538
0
0,0112258
0,0112258
METHY-01
0
0,3086095 0,3086095
0
0,602868
0,602868
METHA-01
0
0,0507679 0,0507679
0,44503
1,36E-05
1,36E-05
WATER
0
0,2960499 0,2960499
0
2,30E-04
2,30E-04
ACETI-01
1
0,2236601 0,2236601
0
0,0182757
0,0182757
METHY-01
0
0,4124412 0,4124412
0
0,981472
0,981472
METHA-01 Total Flow kmol/sec
0
0,0678488 0,0678488
1
2,21E-05
2,21E-05
0,0152777
0,0208333 0,0208333
0,0138888
8,33E-03
8,33E-03
Total Flow kg/sec
0,9174697
0,7482508 0,7482508
0,44503
0,6142488
0,6142488
ACETI-01
Mass Frac
Temperature K
298,15
293,15
338,694
298,15
293,15
330,6956
Pressure N/sqm
1,01E+05
1,00E+05
1,01E+05
1,01E+05
1,00E+05
1,01E+05
Enthalpy Watt Entropy J/kmolK
-6,97E+06
-7,02E+06 -6,94E+06
-3,31E+06
-3,71E+06
-3,66E+06
-2,41E+05
-2,20E+05 -2,09E+05
-2,41E+05
-3,90E+05
-3,73E+05
Entropy
J/kg-K
-4020,812
-6133,826 -5807,989
-7518,514
-5293,796
-5064,793
Density
kg/cum
1072,524
970,8041
792,9208
940,8992
888,9204
912,3895
Average MW 60,05256 35,91604 35,91604 32,04216 73,70986 Ilustración 24.Resultados de la simulación en Aspen® Plus para los Flujos másicos. 9
73,70986
http://www.bdigital.unal.edu.co/2358/9/johnalexanderposadaduque.2008_Parte9.pdf
23
4.2.3 Análisis de sensibilidad: El análisis de sensibilidad en la columna de destilación reactiva, presenta los siguientes comportamientos:
Ilustración 25. Análisis de sensibilidad Composición de metilo vs Plato de alimentación de ácido acético
En esta gráfica se puede observar que para una alta composición de salida de acetato de metilo la etapa óptima a la cual se debe alimentar ácido acético es la etapa 4.
Ilustración 26. Análisis de sensibilidad Composición de metilo vs Plato de alimentación de Metanol
En esta gráfica se puede observar que para una alta composición de salida de acetato de metilo la etapa óptima a la cual se debe alimentar el metanol es la etapa 15.
24
4.2.4 Integración energética:
Corrient 1 2 3 4
Descripción ACIDACE METHANOL METHYL-H METHYL-H
Tipo Fría Fría Caliente Caliente
Tipo calor T1 (K) T2 (K) H (kW) Sensible 293 330,69 473,4671 Sensible 293 338,69 6935 Sensible 330,69 293,15 -7020 Sensible 330,69 293,15 -3709,3
mcp (kW/K) 12,56214 151,7838 187,0005 98,80927
Tabla 9.Descripción de corrientes
Delta de Tmin= 10
330.69320.69
73.467
935.
330.69
293.
338.69
293.
-7020.
3
-3709.3
4
330.69
293.15
330.69
293.15
1
12.5621
2
151.784
187.001
98.8093
330.69320.69
Ilustración 27. Diagrama de trama lado caliente/ lado frío ΔTmin=10
25
Ilustración 28.Diagrama de cascada ΔTmin=10 T (K) 399.98 379.98 359.98 339.98 319.98 299.98 279.98 259.98 239.98 219.98 199.98 0.
2000. 4000. 6000. 8000. 10000. 12000 14000 16000 18000 20000 H(kW)
Ilustración 29.Diagrama de curvas compuestas ΔTmin=10 T (K) 399.98 379.98 359.98 339.98 319.98 299.98 279.98 259.98 239.98 219.98 199.98 0.
1000.
2000.
3000.
4000.
5000.
6000.
7000. H (kW)
Ilustración 30. Curva Grand Compuesta
26
Coste ($)
9.3e+005 8.3e+005 7.3e+005 6.3e+005 5.3e+005 4.3e+005 3.3e+005 2.3e+005 1.3e+005 30000 0.
5.
10.
15.
20.
25.
30.
35.
40.
45.
50. DT min (K)
Ilustración 31. Variación de costes totales mínimos con Dt mínima
Del cálculo de la cascada de energía, se obtienen los siguientes resultados:
Necesidades de Calefacción: 2857.73 kW
Necesidades de refrigeración: 6178.56kW
Temperatura pinch: 325.69 K
Área y Costes mínimos En el cálculo del área y coste mínimos de la red de intercambio, se han obtenido los siguientes resultados:
Numero de intercambiadores mínimos: 6
Área mínima de intercambio de calor: 6178.56 m2
Costes mínimos: De operación: 92.1905 $/año. De inmovilizado total: $ 962232 De inmovilizado anual: $ 96223.2 Total anual: $ 96315.4 o o o o
27
5. COMPARACION IMPACTO AMBIENTAL
Ilustración 32. Potencial de impacto ambiental total de salida-Análisis de productos
Análisis de la gráfica: Se observa que el potencial de impacto ambiental de salida total por segundo es mayor para el método convencional con un valor de 39 (PEI/sec), mientras que para la destilación reactiva es de 13 (PEI/sec). Por tanto se puede inferir que la DR es un proceso amigable ambientalmente puesto que tiene poca generación y salida de Potencial de impacto ambiental. Dicho potencial se relaciona directamente con el consumo energético de los procesos por tanto el procesos convencional muestra un mayor consumo de energía en comparación a la DR.
Ilustración 33.
Análisis de la gráfica: El proceso convencional triplica la contaminación producida por el proceso con DR por kilogramo de acetato producido, se puede afirmar que es inviable frente a la DR.
28
6. CONCLUSION: La opción más apropiada para la obtención de acetato de metilo es la Destilación reactiva, esto se infiere comparando los resultados de cada uno de los Análisis realizados donde se observa que:
En la integración energética es la mejor alternativa en cuanto a menor costo total Anual, se necesita de menos cantidad de intercambiadores de calor y simplifica muchas unidades en cuanto a la opción 1 (Estructura con reacción CSTR) esto disminuye los gastos energéticos. En el análisis de impacto ambiental se observa que la destilación reactiva genera un menor impacto sobre el ambiente puesto que reduce la subproductos, facilitando la recirculación de los reactivos que no se convierten (esto se planteará en un trabajo posterior). Comparado con proceso tradicional obtención de Acetato de metilo se reducen ostensiblemente los equipos utilizados, proyectándose como una tecnología más amigable con el medio ambiente. Se observa en los resultados que la Destilación Reactiva género un aumento en la conversión del Reactivo Limite y una mayor selectividad.
7. BIBLIOGRAFIA: [1] http://www.ellaboratorio.co.cc/documentos/iq/acetato_metilo2.pdf [2] http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/132198-ACETATO_DE_METILO.pdf [3] Robert S. Huss, Reactive distillation for methyl acetate production. Department of Chemical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003, USA. 2003 [4] http://www.diquima.upm.es/docencia/modysim2000/docs/proyecto_intro_acetato.pdf [5] Gómez. M. Análisis del comportamiento de los reactores CSTR y PFTR en la producción de acetato de metilo. 1999 [6] Al-Arfaj MuhammadA Comparative control study of ideal and methyl acetate reactive distillation. Department of Chemical Engineering, Lehigh University, Bethlehem, PA 18015, USA [7] Cardona C.A.Destilación Reactiva: Análisis y diseño básico. Agroindustria Rural sin misterio. Arcano. [8]Lin Y.D. Process alternatives for methyl acetate conversion using reactive distillation. 1. Hydrolysis. Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, Taipei 106-17, Taiwan [9] http://www.bdigital.unal.edu.co/2358/9/johnalexanderposadaduque.2008_Parte9.pdf
29
