Instituto Institut o Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Diseño básico de procesos PROPUES! DE DISE"O DISE"O DE U# PRO$ESO PRO$E SO P!R! P!R! %!&RI$!R '()((( O#E*!D!S DE +$IDO !$,I$O -rupo. /I0'1 E2uipo. 3 Integrantes. 4uáre5 $asildo 6aleria 0orelos Que5ada *uis #ápoles #ápoles 7aren 7aren Olmedo -on5ále5 4orge Prudente -arcía Diana *aura Sánc8e5 $ort9s &renda Ivonne • • • • • •
Dr: Enri2ue !rce 0edina %ec8a de entrega. 1/ de Diciembre de ;(1< =#DI$E Resumen>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> Resumen>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>3 >>>>3 Introducci?n>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> Introducci?n>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>::/ ::/ 1
$!P=U*O 1: E6!*U!$I@# DE *!S RU!S DE RE!$$I@# 1:1 Rutas Rutas de de sínte síntesis sis para la obtenci obtenci?n ?n de ácid ácidoo ac9t ac9tico> ico>>>> >>>>>> >>>>>> >>>>>> >>>>>> >>>:' :' 1:; Propied Propiedades ades Aísicas Aísicas de los product productos os B reac reactiv tivos>> os>>>>> >>>>:> >:>>>> >>>>> >>>>> >>>>>: >>::C :C 1:3 1:3 Preci Precios os de react reactiv ivos os B produc producto tos> s>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>>> >>:1 :111 1:/ Potenci Potencial al econ?mi econ?mico:: co::::: ::::::> :::>>>> >>>>>> >>>>>> >>>>>> >>>>>> >>>>> >>>>> >>>>>> >>>>:: >:::1; :1; $!P= $!P=U U*O *O ;: PRO$ PRO$ES ESO O DE PROD PRODU$ U$$I $I@# @# DE +$ID +$IDO O !$,I $,I$O $O POR O OID ID!$ !$I@ I@# # DE E!#O*: ;:1 Diagrama del proceso>>>>>>>>>>>>>>>> proceso>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>:::13 >>:::13 ;:; Descripci?n del proceso>>>>>>>>>>>>>>>>> proceso>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>:::1/ >>>>>>>>>>:::1/ ;:3 &alance de materiales>>>>>>>>>>>>>> materiales>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>:::1< >>>>:::1< $!P=U*O 3: SE*E$$I@# DE *! RU! DE RE!$$I@# 0+S %!$I&*E !0&IE#!*0E#E: 3:1 09todo E*E$RE>>>>>>>>> E*E$RE>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>1 1 $!P=U*O /: DISE"O DE* RE# DE SEP!R!DORES: SEP!R!DORES: /:1 09todo de #adgir *iu B reglas 8eurísticas>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>:::;3 /:1:1:Secuencia de separaci?n 1 por m9todo de #adgir *iu>>>>>>>>>>>>>>>::;/ /:1:;Secuencia de separaci?n ; por Reglas Feurísticas::>>>>>>>>>>>>>>>>:::;< $!P=U*O <: &!*!#$E DE 0!ERI!*ES 0!ERI!*ES E# E* RE!$OR E# SI0U*!DOR PRO II <:1 Descripci?n de balance balan ce de materiales en el e l simulador>:>>>>>>>>>>>>>>>:;' simulador>:>>>>>>>>>>>>>>>:;' <:;: Diagrama de proceso en simulador Pro II:::>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>;C $!P=U*O G: DISE"O DE *! RED DE I#ER$!0&IO ,R0I$O E# E* PRO$ESO DE PRODU$$I@# DE +$IDO !$,I$O: G:1 !nálisis Pinc8>>>>>>>>>>> Pinc8>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>::::3( >>>>>>>>>::::3( G:; Diseño de la red de cambiadores de calor mediante el diagrama de reHa>:>>>>>:>>:::33 $!P=U*O ': SI0U*!$I@# DE* PRO$ESO E# SI0U*!DOR PRO II $O# !RRE-*O DE I#ER$!0&I!DORES DE $!*OR: ':1 Diagrama de proceso con arreglo de intercambiadores de calor>>>>>>>>>>>:::::::3< ':; !nálisis del proceso con arreglo de intercambiadores de calor>>>>>>>>>>>>>3G ':3 Diagrama de proceso con arreglo de cambiadores en Pro II>>>>>>>>>>>>>::::3 $onclusiones:::>>:>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>:::3C $onclusiones:::>>:>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>:::3C &ibliograAía>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> &ibliograAía>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> >>>>>>>>>>>>>>::/( >>>::/( !p9ndice1. $álculos de Potencial Econ?mico>:>>>>>>>>>> Econ?mico>:>>>>>>>>>>>>>>>>>>>:::/1 >>>>>>>>>:::/1 !pendice;. $álculos del &alance de materiales>:>>>>>>>>>>>>>>>>>>>:// materiales>:>>>>>>>>>>>>>>>>>>>://
RESUMEN 2
El ácido ac9tico es un compuesto mundialmente empleado como materia prima para la elaboraci?n de productos Ainales en casi todas las industrias 8aciendo 2ue su producci?n sea muB importante) sin embargo en 09xico no se reali5a una Aabricaci?n potencial de este producto 2uímico 2ue cumpla con la cantidad cantidad demandada) vi9ndose vi9ndose en la necesidad de importarlo importarlo a precios elevados) elevados) es por ello 2ue en este trabaHo trabaHo se presenta la propuesta propuesta de diseño de un proceso para la elaboraci?n elaboraci?n de '()((( '()((( toneladas por año de este producto: En el presente proBecto se exponen los m9todos más comunes industrialmente para la producci?n de ácido ac9tico a nivel mundial) abordando la 8istoria de la producci?n del mismo con el Ain de anali5ar anali5ar c?mo 8a cambiado B evolucionado evolucionado su Aorma de producci?n: Se reali5a un breve análisis análisis econ?mico B de mercado de los principales productores de este compuesto en diAerentes años así como la cantidad producida: !unado a lo anterior) se aborda una explicaci?n breve sobre seis diAerentes rutas de reacci?n para la síntesis de ácido ac9tico) de las 2ue es evaluado el potencial econ?mico) siendo este un indicador 2ue permitirá determinar 2ue ruta pudiera ser la más rentable: Posteriormente) basados en el m9todo de Douglas) se presenta la descripci?n del proceso en el 2ue con base a una ruta elegida previamente previamente se determinan determinan los e2uipos necesarios necesarios B la secuencia de 9stos: #uevamente es evaluada la Aactibilidad de las rutas de reacci?n a partir del m9todo de E*E$RE 2ue aBudará en la determinaci?n de la ruta más Aactible ambientalmente: &asados en la ruta seleccionada seleccionada se plantea plantea el diseño de los separadores separadores a partir de los m9todo de #adgir B liu B de reglas 8eurísticas lo 2ue 2 ue permite comparar B determinar la Aorma más Aactible de separar los productos subproductos B reactantes del procesos: $on el Ain de asegurar 2ue el proceso cumpla con el obHetivo de la cantidad producida se reali5a la simulaci?n en el soAtare PRO II obteniendo el balance de materiales B el tren de separadores necesario para 2ue la planta opere adecuadamente) así mismo se reali5a la inserci?n de la energía necesaria mediante los servicios de calentamiento o enAriamiento para 2ue los e2uipos Auncionen adecuadamente) obteniendo los datos de carga t9rmica para eAectuar la optimi5aci?n de energía mediante el análisis PI#$F proponiendo un nuevo arreglo de intercambios t9rmicos:
3
INTRODUCCIÓN !ntecedentes El ácido ac9tico diluido B como producto alimentico) llamado vinagre) es conocido por el 8ombre desde 8ace Ba muc8os años: Originalmen Originalmente te era producido producido a trav9s de la Aermentaci?n Aermentaci?n aer?bica aer?bica del etanol B actualmente es usada esta ruta para la manuAactura del vinagre: *a Aabricaci?n del vinagre) como industria verdadera B propia comen5? a nacer en la edad media: En el año 1G/ -lauber demostr? 2ue podía obtenerse ácido ac9tico por calentamiento de madera en ausencia de aire B) desde 2ue E: Sta8l en el año 1'(; describi? la descomposici?n de los acetatos con ácido sulAJrico concentrado) pudo obtenerse de este modo un ácido ac9tico concentrado: En %rancia) en el siglo 6III) cuando *avoisier) descubri? el 2uimismo de la acetiAicaci?n) mientras DavB) Aue el primero 2ue dio la ecuaci?n 2uímica del Aen?meno de la acetiAicaci?n B su composici?n Aue establecida en 11/ por &er5elius: *os sucesivos descubrimientos de los agentes 2uímicos de la Aermentaci?n ac9tica) debido sobre todo al gran Pasteur) en 1G; dieron las bases cientíAicas para la Aabricaci?n racional del vinagre: El ácido concentrado no alcan5o signiAicaci?n t9cnica importante 8asta 2ue #: -runstein B las %arberKen %arberKen Foe8st lograron en 1C11L1C13 obtener obtener el ácido ac9tico ac9tico a partir del acetileno acetileno B a trav9s del acetalde8ído) 2ue era oxidado: Este procedimiento se empleaba t9cnicamente Ba en el año 1C1': ! partir del siglo se empe5aron a utili5ar rutas catalíticas como oxidaci?n de etanol o carboni5aci?n de metanol esta Jltima siendo la más usada actualmente para su producci?n: M1N 7o5aKia ;((C:
Propiedades %ísicas B Químicas El ácido ac9tico es un ácido carboxílico tambi9n llamado ácido etanoico) posee una densidad de 1:(/C gml gml B tiene una temperat temperatura ura de Ausi?n de de 1'$ B una temperatura temperatura de ebulli ebullici?n ci?n de 11$: 11$: iene iene un pF moderadamente moderadamente ácido de /:) lo 2ue lo 8ace un ácido d9bil sin embargo) es altamente altamente corrosivo en concentraciones altas en diluci?n: Posee un sabor B olor agrio: Derivados B usos: El ácido ac9tico puro es compuesto muB corrosivo) en una diluci?n del 3 al < es conocido como vinagre) tiene aplicaciones alimenticias: Es muB Jtil como limpiador natural en el 8ogar) por su pode poderr desi desinA nAec ecta tant ntee B bact bacter eric icid ida: a: En una una dilu diluci ci?n ?n conc concen entr trad adaa al al ( o más más se denomina ácido ac9tico glacial o t9cnico B se usa en aplicaciones industriales como. remoci?n de ?xidos) ?xidos) como corrosivo corrosivo modera moderado) do) en la limpie limpie5a 5a de alguna algunass sustanc sustancias ias en laborat laboratorio orios) s) en la Aabricaci?n de materiales sint9ticos como el celoAán) raB?n) acetato de vinilo B en la industria Aarmac9utica para diAerentes aplicaciones: ambi9n es usado en la Aabricaci?n de acetato de vinilo P!) el acetato de 9steres 9steres B an8ídrido ac9tico ac9tico 2ue se mon?mero 6!0) ácido tereAtálico puriAicado P!) utili5an aJn más por una amplia gama de industrias: M;N Quiminet ;(11:
!nálisis de 0ercado 4
*os principales productores mundiales de ac9tico son. Estados Unidos) Europa occidental !lemania) -ran &retaña B %rancia) 4ap?n) $anadá B 09xico: !un así la producci?n mundial la generan principalmente. Estados Unidos) 4ap?n B Europa Occidental: En la tabla 1 se muestra inAormaci?n de la producci?n de ácido ac9tico a escala mundial en diAerentes años: Tabla 1: Producci?n de ácido ac9tico por 1(3 0egatoneladas 1995 ;:1; 1:/' (:<'
USA Europa occidental ap!n
1997 ;:;( 1:31 (:G;
1999 ;:;/ 1:3 (:G/
Es posible observar 2ue el principal producir de ácido ac9tico es Estados Unidos EE:UU: *as empresas dominantes del mercado europeo del ac9tico son más o menos las mismas 2ue dominan el mercado mundial pero) no obstante) se observa como aun en el peor de los casos el resto de empresas dedicadas a esta actividad tienen un margen considerable de mercado tanto en volumen como en ventas:M1N4uice;((3 *a demanda mundial de ácido ac9tico 8a aumentado constantemente en los Jltimos veinte años: Una parte signiAicativa del aumento de demanda de ácido ac9tico era de la regi?n de !siaLPacíAico B los EE:UU:) B se espera 2ue la misma tendencia continJe en el período de pron?stico: EE:UU: Aue el segundo maBor consumidor de ácido ac9tico despu9s de $8ina en ;(11) B una recuperaci?n completa de la economía estadounidense impulsará el crecimiento mundial de ácido ac9tico en el Auturo: *a Regi?n de !siaLPacíAico seguirá para dar cuenta de más de ;( de la demanda mundial de ácido ac9tico en ;(;() como se muestra en la Aigura 1: $8ina Aue el maBor productor de ácido ac9tico con una cuota de producci?n de más del /( en t9rminos de volumen en ;(1/: !m9rica *atina tiene un mercado de crecimiento promedio gracias a numerosos países de la regi?n 2ue exportan principalmente este compuesto:
Demanda Global Ácido Acético (Ton/año) 20000000 15000000
Ton/año 10000000 5000000 0
2000
2011
2014
2020
Año
"i#ura 1: Demanda global de ácido ac9tico
Se espera 2ue el mercado global del ácido ac9tico cre5ca debido a su creciente demanda para la Aabricaci?n de diversos productos 2uímicos derivados de 9ste: M/N $astro ;((G: 5
0ercado de importaci?n B exportaci?n:
PAÍSES IMPORTADORES DE ÁCIDO ACÉTICO 350 300 250 200 150 M USD /AÑO
100 50 0
"i#ura $: Países importadores de ácido ac9tico en ;((
PÁICES EXPORTADORES DE ÁCIDO ACÉTICO
M USD/ AÑO
600 500 400 300 200 100 0
"i#ura %: Países exportadores de ácido ac9tico en ;((
En la Aigura ;) se observa 2ue en el ;(() 09xico es uno de los principales países importadores de ácido ac9tico B no se esperan grandes cambios en años pr?ximos: M
6
Tabla $: Exportaci?n e Importaci?n de +cido ac9tico en 09xico
A+o $//7 $//0 $//9 $/1/ $/11 $/1$
O&erta ' de(anda )ton*a+o, I(portaci!n E-portaci!n ;G<31; <1( 3;3(C /<(' 3<'(( ;/1< 3<;33( ;C; 3;CG11 ';'( 1C3(; ;1GG
Con.u(o Ap ;G(13; 31C3(; 3
En la tabla dos se pueden apreciar la importaci?n B exportaci?n de ácido ac9tico entre el periodo de entre ;((' B ;(1;) donde se observa 2ue existe un incremento en las importaciones B exportaciones a diAerencia del Jltimo año donde estas baHan considerablemente: De igual manera se puede observar la superioridad en la cantidad 2ue se importa 2ue la 2ue se exporta como se observ? en las gráAicas pasas 09xico es un importador de ácido ac9tico:
7
CA2TU3O 14 EA3UACIÓN ECONÓMICA DE 3AS RUTAS DE REACCIÓN 141 RUTAS DE REACCIÓN 1:1:1 Oxidaci?n de acetalde8ído *a reacci?n 2ue se lleva a cabo para la oxidaci?n del acetalde8ído para Aormar ácido ac9tico es la siguiente. a) CH3CHO + 1/2 O 2 → CH3COOH b) 2CH3CHO + O2 → 2CH3COOH
Ordinariamente) la oxidaci?n se eAectJa en disoluci?n de ácido ac9tico en presencia de un catali5ador) B a la presi?n atmosA9rica o a presiones un poco más elevadas: !ctualmente se reali5a sobre todo con oxígeno) por eHemplo) segJn el proceso de la Foec8st continuo) a <(L'(T$ en torres de oxidaci?n de acero inoxidable columnas de soplado B con ac9tico como disolvente: Por lo cual es necesario reali5ar la transAormaci?n por lo menos a <(T$ para alcan5ar una abundante descomposici?n del per?xido B con ello una suAiciente velocidad de oxidaci?n: 1:1:; $arbonilaci?n del metanol: *a reacci?n 2ue se lleva a cabo para Aormar ácido ac9tico es la siguiente. CH OH + CO→CH COOH 3
3
∆H=-138.6 KJ
$omo se aprecia la reacci?n es exot9rmica) por tanto) el aporte t9rmico se 8abrá de tener muB en cuenta a la 8ora de diseñar e2uipos como el reactor) el cual 8a de ir reArigerado a Ain de mantener una temperatura constante de 1C/$ isotermo: En la actualidad el proceso más utili5ado para la producci?n industrial de ácido ac9tico es la carbonilaci?n de metanol) responsable del G( del total producido a nivel mundial: *a combinaci?n catalítica del metanol B mon?xido de carbono es 8oB en día el procedimiento más utili5ado en la producci?n de ácido ac9tico pero presenta a su ve5 varios procedimientos industriales) a saber. • • •
Proceso &!S% Proceso 0onsanto Proceso $ativa
1:1:3 Oxidaci?n de etanol: 2
C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O
El ácido ac9tico pude ser producido a partir de la oxidaci?n catali5ada del etanol usando comJnmente aire: Para llevar a cabo esta reacci?n de manera eAiciente son utili5ados diAerentes tipos de catali5adores entre ellos de oro di?xido de titanio por eHemplo: 8
*a obtenci?n de ácido ac9tico a partir de etanol en una se lleva acabo a temperaturas de entre 1<( B 3(($ con una relaci?n molar oxígeno etanolV 1:;<: 1:1:/ Oxidaci?n del butano: 2
C4H10 + O2 → CH3COOH + H2O
*a reacci?n se reali5a a 1<(L;(( T$ B
CH3COOH + 2H2O
*a producci?n de ácido ac9tico por medio del proceso bio2uímico de Aermentaci?n anaerobia a partir de cepas clostridium usando como reactantes di?xido de carbono e 8idr?geno) es una reacci?n de acetogenesis) para Aavorecer esta reacci?n B evitar 2ue se produ5ca metano es importante llevarla a cabo a las condiciones de operaci?n adecuadas: En el presente) sigue siendo más eAectivo en costo producir vinagre usando Acetobacter 2ue producirlo usando Clostridium B luego concentrarlo: Es importante enunciar 2ue para poder llevar a cabo este proceso se debe tomar en cuenta las bacterias Clostridium) las cuales son sensibles a un pF ácido por lo 2ue por este m9todo no es posible producir ácido ac9tico a altas concentraciones:
14$ ROIEDADES "2SICAS DE 3AS RUTAS DE REACCIÓN Tabla 1414 Propiedades de los reactivos B productos de la ruta de reacci?n 1
Propiedades Aísicas Densidad W: 6iscosidad X: $alor EspecíAico $p: Presi?n de 6apor Pvap: Entalpia de Aormaci?n ZFA : emperatura de Ebullici?n eb:
O6IDACIÓN DE ACETA3DE2DO Reactivos !cetalde8ído Oxígeno li2 (:'3/ gml: 1:1/1( gml: Y(:;1< cPs: ;x1(L/ cPs: <':3( 4mol 7: ;C:3< 4mol 7:
Productos +cido ac9tico 1:(/C gml: 1:;; cPs: 1;/:;G 4mol K:
1:(1 bar:
L
(:(1
L1GG:1C 74mol:
L
L/3:3; 74mol:
;1$:
L13 $:
11:1 $:
Salud. ;) InAlamabilidad. /) Inestabilidad. ;
Salud. 3) InAlamabilidad. () Inestabilidad. () Riesgo Especial. O
Salud. 3) InAlamabilidad. ;) Inestabilidad. (
Rombo de Riesgos $?digo #%P!
Tabla 14$4 Propiedades de los reactivos B productos de la ruta de reacci?n ;
Propiedades Aísicas Densidad W: 6iscosidad X: $alor EspecíAico $p: Presi?n de 6apor Pvap: Entalpia de Aormaci?n ZFA : emperatura de Ebullici?n eb:
CAR8ONI3ACIÓN DE METANO3 Reactivos 0etanol 0on?xido de $arbono (:1 gml: 1:1/< gml: (:
Productos +cido ac9tico 1:(/C gml: 1:;; cPs: 1;/:;G 4mol K:
1;:C bar:
//:G bar:
(:(1
L;3:/ 74mol:
L11(:< 74mol:
L/3:3; 74mol:
G/:'$:
L1C1 $:
11:1 $:
Rombo de Riesgos $?digo #%P! Salud. ;) InAlamabilidad. 3) Inestabilidad. (:
10
Salud. 3) InAlamabilidad. /) Inestabilidad. (:
Salud. 3) InAlamabilidad. ;) Inestabilidad. (:
Tabla 14%: Propiedades de los reactivos B productos de la ruta de reacci?n 3
Propiedades Aísicas Densidad W: 6iscosidad X: $alor EspecíAico $p: Presi?n de 6apor Pvap: Entalpia de Aormaci?n ZFA : emperatura de Ebullici?n eb:
Rombo de Riesgos $?digo #%P!
O6IDACIÓN DE3 ETANO3 Reactivos Etanol Oxígeno g (:1 gml: (:((131 gml: 1:; cPs: 1:/ cPs: ;: 4mol 7: ;C:3< 4mol 7:
Productos +cido ac9tico !gua 1:(/C gml: 1 gml: 1:;; cPs: 1(( cPs: 1;/:;G 4mol 7: 1((( 4mol 7:
(:(G( bar:
L
(:(1
(:(31 bar:
L;'':G 74mol:
L
L/3:3; 74mol:
L;<:3 74mol:
' $:
L13 $:
11:1 $:
1(( $:
Salud. () InAlamabilidad. 3) Inestabilidad. (:
Salud. () InAlamabilidad. () Inestabilidad. () Riesgo Especial. O
Salud. 3) InAlamabilidad. ;) Inestabilidad. (
Salud. () InAlamabilidad. () Inestabilidad. (:
Tabla 144 Propiedades de los reactivos B productos de la ruta de reacci?n /
Propiedades Aísicas Densidad W: 6iscosidad X: $alor EspecíAico $p: Presi?n de 6apor Pvap: Entalpia de Aormaci?n ZFA : emperatura de Ebullici?n eb:
Rombo de Riesgos $?digo #%P!
O6IDACIÓN DE3 8UTANO Reactivos &utano Oxígeno g (:((;<;gml: (:((131 gml: (:(('/ cPs: 1:/ cPs: 4mol 7: ;C:3< 4mol 7:
Productos +cido ac9tico !gua 1:(/C gml: 1 gml: 1:;; cPs: 1(( cPs: 1;/:;G 4mol 7: 1((( 4mol 7:
L
L
(:(1
(:(31 bar:
L1;/:C 74mol:
L
L/3:3; 74mol:
L;<:3 74mol:
L(:/< $:
L13 $:
11:1 $:
1(( $:
Salud. 1) InAlamabilidad. /) Inestabilidad. (:
Salud. () InAlamabilidad. () Inestabilidad. () Riesgo Especial. oxidante
Salud. 3) InAlamabilidad. ;) Inestabilidad. (
Salud. () InAlamabilidad. () Inestabilidad. (:
11
Tabla 1454 Propiedades de los reactivos B productos de la ruta de reacci?n <
Propiedades Aísicas Densidad W: 6iscosidad X: $alor EspecíAico $p: Presi?n de 6apor Pvap: Entalpia de Aormaci?n ZFA : emperatura de Ebullici?n eb:
Rombo de Riesgos $?digo #%P!
"ERMENTACIÓN ANAERO8IA Reactivos Productos Fidrogeno Dioxido de $arbono +cido ac9tico !gua (:(CC gml: (:((1' gml: 1:(/C gml: 1 gml: G 3:Cx1( cPs: (:(13' cPs: 1:;; cPs: 1(( cPs: ;: 4mol 7: ;:C 4mol 7: 1;/:;G 4mol 7: 1((( 4mol 7: (:((;(C bar:
L
(:(1
(:(31 bar:
( 74mol:
L3C3:< 74mol:
L/3:3; 74mol:
L;<:3 74mol:
L;(C:1<$:
L1'C:1< $:
11:1 $:
1(( $:
Salud. () InAlamabilidad. /) Inestabilidad. (:
Salud. 1) InAlamabilidad. () Inestabilidad. (:
Salud. 3) InAlamabilidad. ;) Inestabilidad. (
Salud. () InAlamabilidad. () Inestabilidad. (:
14% RECIOS DE REACTIOS : RODUCTOS Tabla14;4 Precios de las sustancias involucradas en la ruta de reacci?n 1 O6IDACIÓN DE ACETA3DE2DO CON O627/ ?C CON CATA3I@ADOR DE ACETATO DE MA
Tabla 149. Precios de las sustancias involucradas en la ruta de reacci?n / O6IDACIÓN DE3 8UTANO Su.tancia. Co.to. G( US[ton 8utano 1/CC:1; US[ton cido actico4 Tabla 141/. Precios de las sustancias involucradas en la ruta de reacci?n <
14
RODUCCIÓN DE CIDO ACFTICO OR "ERMENTACIÓN ANAERO8IA Su.tancia. Co.to. ( US[ton Di!-ido de carbono ; /'( US[ton idro#eno 1 /CC:1; US[ton cido actico4
O T E
NCIA3ES ECONÓMICOS DE 3AS RUTAS DE REACCIÓN Tabla 14114 Potenciales econ?micos de las rutas de reacci?n
Reacci!n
otencial Econ!(ico US $ US $ P . E .=1499.12 −2165.79 =−666.67 US $ / a ñ o año año
P . E .=1499.12
P . E .=1499.41
O-idaci!n de acetaldeBdo Carbonilaci!n de (etanol "er(entaci!n anaerobia O-idaci!n del etanol
US $ US $ −1133.38 =365.74 US $ / a ñ o año ton
US $ US $ −1 618.82 =−119.41 US $ / ton ton ton
P . E .=1499.38 P . E .=1499.38
O-idaci!n de butano
US $ US $ − 640.91 = 858.47 US $ /a ñ o año año
US $ año
− 830.588
US $ año
=668.792 US $ / año
*Detalles del cálculo del Potencial Económico, ver apéndice1
En relaci?n con lo obtenido en el cálculo de los potenciales econ?micos cuBos resultados se muestran en la tabla 1;) anteriormente se 8abía elegido incorrectamente la ruta de reacci?n ; $arbonilaci?n de metanol Ba 2ue es rentable B se encontr? en la bibliograAía 2ue es la Aorma más usada actualmente: Sin embargo al desarrollar el proBecto se tuvieron serias complicaciones con la inAormaci?n disponible de esta ruta de reacci?n) por lo 2ue en este segundo reporte se reevalu? esta decisi?n: Se observ? 2ue el potencial econ?mico más rentable es la oxidaci?n de etano) por lo 2ue con base en esto B posteriormente en lo anali5ado en el m9todo E*E$RE es la ruta elegida para la Aabricaci?n de ácido ac9tico:
CA2TU3O $4 ROCESO DE RODUCCIÓN DE CIDO ACFTICO OR O6IDACIÓN DE ETANO3 $41 DIA
Tabla $41: Descripci?n de los e2uipos de proceso
$4$ DESCRICIÓN DE3 ROCESO 14
0ediante el análisis econ?mico anteriormente expuesto se opt? inicialmente por la carbonilaci?n catalítica del metanol\ sin embargo por ra5ones 2ue son explicadas a detalle en el capitulo3) se 8a elegido la oxidaci?n de etanol como ruta de síntesis para elaborar ácido ac9tico debido 2ue además de tener un buen potencial econ?mico) se observa 2ue es la más Aactible ambientalmente: Para producir ácido ac9tico mediante esta ruta) se alimenta una corriente de aire B etanol) las cuales son llevados a un me5clador 0L1(1 a una presi?n de /bar) posteriormente se someten a precalentamiento llevado a cabo en un precalentador de carga EL1(1 8asta una temperatura de 1<($) esto con el obHetivo de tener una temperatura lo más cercana posible a la temperatura de reacci?n B así alcan5ar la Aormaci?n de productos en un menor tiempo posible) 8aciendo más eAiciente el proceso: !lcan5ada la temperatura deseada) la alimentaci?n entra al reactor donde al eAectuarse la reacci?n se obtienen el producto) ácido ac9tico B subproductos acetalde8ído) acetato de etilo B agua) así como el oxígeno B etanol 2ue no reaccionan: *a reacci?n se lleva a cabo a una temperatura de 1<($ B una presi?n de / bar) por lo cual en la corriente del eAluente es necesario retirar esa energía para poder reali5ar las etapas posteriores del proceso) las cuales se basan Jnicamente en la separaci?n delos compuestos involucrados en el proceso: Para lograr dic8a separaci?n) los productos a la salida del reactor se llevan a un enAriador EL1(; para posteriormente ser introducidos en un separador tipo Alas8 %L1(1 en donde se espera la separaci?n de los gases no condensables) el nitr?geno B el oxígeno) en la parte superior de 9ste B en la parte inAerior el resto de los compuestos: Sin embargo) existen tra5as de vapores del producto) subproductos B etanol por lo 2ue se coloca una torre de absorci?n L1(1: En la parte inAerior de 9ste salen los compuestos condensados B se me5clan 0L1(; con la corriente inAerior del Alas8: Se observ? 2ue aJn se contenía cantidades de oxígeno B nitr?geno disueltos por lo 2ue se opt? por colocar una columna estabili5adora L1(;) logrando así retirar los gases incondensables del proceso por la parte del destilado: El residuo se introduHo a la columna de destilaci?n L1(3 con el obHetivo de obtener en el residuo el producto) el ácido ac9tico: El destilado de 9sta columna el cual contiene en su maBoría etanol) acetato de etilo) acetalde8ído B agua se introduce a la columna de destilaci?n L1(/) para lo cual se reduce la temperatura de alimentaci?n empelado un enAriador EL 1(<) en esta columna se logra destilar el agua obteni9ndola en el residuo B el acetalde8ído) acetato de etilo B etanol en la parte del destilado: ,ste se introduce a la columna de destilaci?n L1(< con el obHetivo de separar el etanol del acetalde8ído B del acetato de etilo: Se determin? 2ue el acetalde8ído B acetato de etilo debido a la poca cantidad obtenida no se separan en este proceso: Estos Jltimos compuestos son llevados a la columna de destilaci?n L1(< donde se obtiene como componente en el Aondo agua B un poco de ácido ac9tico) etanol) acetato de etilo B acetalde8ído: El residuo de la Jltima columna el cual en su maBoría es etanol) es recirculado a la alimentaci?n 2ue tiene lugar a me5clarse antes de ser llevada al precalentador de carga EL1(1: Para ellos se coloc? un separador el cual se divide en la corriente de reciclo /( B una corriente de purga 3C Ba 2ue tambi9n existen cantidades pe2ueñas de otros compuestos 2ue no se desean recircular: Se estableci? 2ue todas las corrientes de salida deben salir a una presi?n cercana a la atmosA9rica B una temperatura de ;<$ por lo 2ue se colocaron válvulas para tal Ain así como enAriadores) EL1(/) EL1(G) EL1() EL1(C) EL1(1: 15
$4% 8A3ANCE DE MATERIA3ES Tabla $4$4 Reacciones de la ruta de reacci?n de oxidaci?n de etanol
1 ; 3
Reacci!n
SelectiGidad
$;F
(:C/ (:(< (:(1
ConGer.i! n parcial (:C; (: (:CC
ConGer.i!n #lobal (:G (:(1 (:((C
Tabla $4%: &alance de 0ateriales en el reactor Entrada $omponente #itr?geno Oxígeno !cetalde8ído !cetato de etilo Etanol !gua +cido !c9tico
0ol 7mol8 G'C:;<;' 1(:
0asa 7g8 1C(1C:('
Salida 0ol 7mol8 G'C:;<;' 3(:('33 1:<<1/ 3:'< 1/:G3G1 1<<:1/1 1540%%%
0asa 7g8 1C(1C:('
En la tabla ;:3 se presenta el balance de materia en el reactor donde es posible apreciar la producci?n de '< 7g8 de ácido ac9tico e2uivalentes a '(((( ton año con un Aactor de servicio de (((8año: En la investigaci?n reali5ada se obtuvo la selectividad B conversi?n parcial por lo 2ue se calcula la conversi?n global la cual será re2uerida posteriormente en la simulaci?n:
Tabla $4: &alance de 0ateriales en el proceso en moles Entrada
Unidades #itr?geno Oxígeno
Salida
$orriente 1
$orriente ;
$orriente 1/
$orriente ;;
$orriente ;C
$orriente 3/
$orriente 3'
0ol 7mol8 G'C:;< 1(:
0ol 7mol8 ( (
0ol 7mol8 G11:3;'/ ;':(G
0ol 7mol8 G':C;<3 3:(('3
0ol 7mol8 ( (
0ol 7mol8 ( (
0ol 7mol8 ( (
16
!cetalde8ído !cetato de etilo Etanol !gua +cido !c9tico
otal
(
(
(
(
(
(
1:<<1/
(
(
(
(
(
(
3:'<
( ( (
1<<:1/1 ( ( 1<<:1/1
( ( ( G3:3C3/
( ( ( '(:C3;G
( ( 1540%%% 1/<:333
( 1<<:1/1 ( 1<<:1/1
( ( ( <:/3((
Tabla $45: &alance de 0ateriales en el proceso en masa Entrada
Unidades #itr?geno Oxígeno !cetalde8ído !cetato de etilo Etanol !gua +cido !c9tico
otal otal -lobal
Salida
$orriente 1
$orriente ;
$orriente 1/
$orriente ;;
$orriente ;C
$orriente 3/
$orriente 3'
0asa 7g8 1C(1C:(' <''':C/G (
0asa 7g8 ( ( (
0asa 7g8 1'11':1G' GG:1(C' (
0asa 7g8 1C(1:C('< CG:;3// (
0asa 7g8 ( ( (
0asa 7g8 ( ( (
0asa 7g8 ( ( G:;G;/
(
(
(
(
(
(
3/1:31;1
( ( ( 1'C3:;''
( ( ( 1CC:1/1C
( '13G:<;/ ( ( ( ( ;/'C':(; '13G:<;/ 31C33:
( ( ( ;'C;:<<3; ( 075/ '<( ;'C;:<<3; 31C33:
( ( ( /(C:<'/<
Se reali5? el balance de materia en el proceso en el cual se muestra en la tabla ;:/ B tabla ;:<) tanto en moles como en masa respectivamente) este balance diAiere con respecto al del reactor debido a 2ue se contempla la recirculaci?n del etanol no reaccionante) por lo 2ue esto se ve reAleHado en la cantidad de etanol alimentado al proceso) es importante mencionar 2ue en el diagrama de proceso aparece una purga corriente /3) sin embargo para este balance se considera 2ue no sale nada en ella B absolutamente todo el etanol se recircula para eAectos prácticos: ambi9n es de mencionarse 2ue para eAectos de este balance se considera 2ue el C(mol de aire sale en la corriente 1/ B el 1(mol en la corriente ;;: *o 2ue implica 2ue el 1( de aire se Aue en la corriente inAerior del Alas8 disuelto en los demás componentes por lo 2ue en la columna estabili5adora L1(1 se logra sacar del proceso esta cantidad restante: Posteriormente estas relaciones serán anali5adas en la simulaci?n: *Detalles del balance de materiales, ver apéndice 2.
17
CA2TU3O %4 EA3UACIÓN DE 3A RUTA DE REACCIÓN MS "ACTI83E AM8IENTA3MENTE %41 MFTODO E3ECTRE
El impacto ambiental producido por las rutas de reacci?n de Aabricaci?n del ácido ac9tico debe minimi5arse) por lo cual se debe 8acer una elecci?n de la ruta de reacci?n más segura B menos contaminante: Para este prop?sito nos apoBaremos de un m9todo 2ue nos permita evaluar las ventaHas B desventaHas de cada una de las rutas de reacci?n B Herar2ui5arlas para elegir la meHor: El m9todo a utili5ar es el m9todo E*E$RE) Este m9todo Aue creado por &: RoB en 1CGC B desde entonces se 8a modiAicado varias veces) la palabra E*E$RE se Aorma como acr?nimo de la Arase en Aranc9s) E*imination Et $8oix Raduisant la realitE: El m9todo se basa en la comparaci?n de ciertos atributos o criterios de evaluaci?n) para cada criterio se establece una ponderaci?n o peso de 18
importancia B en operaciones eAectuadas en tablas o matrices) a partir de las caliAicaciones en los criterios de cada alternativa: El m9todo consta de dos etapas) la primera) la etapa de exploraci?n la cual consta de tres pasos. • • •
%ormar la matri5 o tabla de concordancias: %ormar la matri5 de discordancias: $alcular el umbral de preAerencia p B 2:
*a segunda) la etapa de explotaci?n la cual consta de los siguientes pasos. • • •
Se 8acen las pruebas de dominancias: $onstruir las tablas de dominancias: Determina la lista de preAerencias o Herar2uía de las alternativas:
El procedimiento es el siguiente. Primero se seleccionan) los criterios a evaluar en cada una de las alternativas de acuerdo a los intereses de la selecci?n) estos criterios se ponderan) con los valores 2ue cada alternativa tiene en los diAerentes criterios se Aorma la matri5 de decisi?n normali5ada 2ue resume las caliAicaciones: Esta normali5aci?n se reali5a por criterio B dependiendo de si el criterio se minimi5a o se maximi5a) un criterio se maximi5a cuando es conveniente 2ue su caliAicaci?n sea alta) B se minimi5a cuando lo más conveniente es 2ue su caliAicaci?n sea baHa: $on la matri5 de decisi?n normali5ada se Aorman la matri5 o tabla de concordancias B la matri5 o tabla de discordancia: Se indica tanto en 8ileras como en columnas las alternativas B en cada celda el índice de concordancia C hk : El índice de concordancia expresa una relaci?n de preAerencia) al cuantiAicar la proporci?n de los pesos para los cuales la alternativa Ah es tan buena o meHor a la Ak : El índice de discordancia Dhk expresa la diAerencia maBor) positiva) de las caliAicaciones para las 2ue la alternativa Ah es peor 2ue la Ak ) por lo 2ue s?lo se toman en cuenta los pares en los 2ue Ah no sobreLcaliAica a la alternativa Ak : Si la caliAicaci?n de Ah es maBor 2ue la de Ak ) el índice de discordancia es cero: Se calcula el umbral de preAerencia p con la matri5 de concordancias como el valor pr?ximo maBor o igual al promedio B 2ue exista en los nJmeros de la matri5 de concordancias: De la misma manera el umbral de indiAerencia q se determina con el valor pr?ximo menor o igual al promedio B 2ue exista en los nJmeros de la matri5 de discordancias: Se construBen dos tablas con las dominancias) primero una con las comparaciones por 8ilera de las alternativas) de dos en dos) en las matrices de concordancia B discordancia si se cumplen las condiciones siguientes. *a alternativa Ah) domina a la alternativa Ak si C hk ≥ p B s?lo si Dhk ≤ q.
1
! esta expresi?n se le conoce como prueba de dominancia: #um9ricamente distingue a la alternativa Ah como meHor a la Ak cuando su índice de concordancia está por arriba del umbral de sobre caliAicaci?n B la discordancia esta por abaHo del umbral de no sobreLcaliAicaci?n: !l unir las dos tablas de dominancias se determina la lista de preAerencias o Herar2uía de las alternativas) esta lista tambi9n se conoce como ranKing o priori5aci?n de alternativas) ordenándolas segJn el maBor nJmero de dominancias por 8ilera B el menor nJmero de dominancias por columna: !sí 2ueda en primer lugar la 2ue domina a las demás B ninguna la domina: _*as Aormulas del m9todo se muestran en la aplicaci?n del m9todo para la elecci?n de la meHor ruta de reacci?n: Elecci?n de la ruta de reacci?n ambientalmente meHor: Se comparan cuatro rutas de reacci?n. • • • •
Ruta 1. Oxidaci?n de acetalde8ído con oxígeno en Aase li2uida: Ruta ;. $ombinaci?n catalítica de 0etanol con mon?xido de carbono: Ruta 3. Oxidaci?n de etanol: Ruta /. Oxidaci?n de butano:
De las cuales se cuenta con inAormaci?n relacionada con las condiciones de reacci?n e impacto ambiental) la cual deAinen los criterios siguientes) $1. temperatura) $;. Presi?n) $3. rendimiento) B $/. índice 2uímico: *os datos se muestran en la siguiente tabla: !lternativas Ruta 1 Ruta ; Ruta 3 Ruta / pesos
temperatura G( $ 1C/ $ 1<( $ 1'< $ 3
Presi?n 1( atm ;':' atm 3:C/ atm 1'< atm <
Rendimiento C( C( ( '< ;
=ndice Químico 1G 1' /
! estos criterios se les asigno un peso de acuerdo a la importancia de los criterios) si de impacto ambiental se trata: 1:L Se precede a normali5ar las caliAicaciones de las reacciones) para esto se anali5a 2ue criterio se maximi5a B cual se minimi5a. • • • •
El $riterio 1 se minimi5a El $riterio ; se minimi5a El criterio 3 se maximi5a El criterio / se minimi5a
*as caliAicaciones normali5adas se calculan con las siguientes Aormulas. 20
C minimizar =9 ×
Maximacalificacion−calificacion i +1 Maxima calificacion− minimacalificación
C maximizar =9 ×
calificacion i−minimacalificación +1 Maximacalificacion −minimacalificación
Dando por resultado la siguiente tabla de caliAicaciones normali5adas: $1 1( 1 / 3 3
Ruta 1 Ruta ; Ruta 3 Ruta / Pesos
$; ' C 1( 1 <
$3 1( 1( / 1 ;
;:L Se $alculan las matrices de concordancia B discordancia:
C ij =∑ W j siCal Ai ≥Cal A j ij = !a maximaif"r"ncia ( Cal Aj −Cal Ai )
Cij
i
R1 R2 R3 R4 !ij
i
R1 R2 R3 R4
j R1 2 9 4
R2 14 12 7
∑ C ij ¿ rtas (¿ rtas−1 )
% m"ia =
R4 10 7 14 -
R3 " 9 9
R4 " 9 0 -
j R1 9 # 9
R2 2 # 9
3.- Se calculan los umbrales de preferencia p y .
#m"ia =
R3 5 2 4
∑ ij ¿ rtas (¿ rtas−1 )
21
$/ ; 1 1( 1( /
#m"ia =
% m"ia=
14
2
+ 5 + 10 + 2 + 2 + 7 + 9 + 12 + 14 + 4 + 7 +4 =7.5 ∴ #= 9 4 ( 4 −1)
+ 8 + 8 + 9 + 9 + 9 + 6 + 6 + 0 +9 + 9 + 9 = 7 ∴ % =6 4 (4 −1 )
/:L Se calculan las dominancias) para las cuales se debes cumplir las siguientes condiciones. C ij ≥ # & ij ' % Dominancia Por Ailas R1 R; R3 R/
R; LLL R1) R; R/ LLL
Dominancia Por columnas R3 R1 R3 LLL R3
DiAerencias ( L; 3 L1
4erar2uías Segundo lugar $uarto lugar Primer lugar ercer lugar
Por lo tanto la meHor ruta de reacci?n ambientalmente 8ablando es la Ruta de reacci?n 3. Oxidaci?n de etanol: Despu9s de reali5ar el m9todo Electre) se decidi? cambiar la ruta de reacci?n) 2uedándonos con la oxidaci?n de etanol por dos motivos.
El primero) como Ingenieros Químicos Industriales) sabemos 2ue todo negocio) proBecto o planta de producci?n) tiene como obHetivo generar utilidades) pero se debe buscar un e2uilibrio con el medio ambiente 2ue nos rodea) es decir) debemos buscar procesos más limpios B luc8ar por tener una Química más verde: Debemos además estar a la vanguardia en cuanto a temas ambientales) los oHos del mundo están irremediablemente sobre el tema ambiental por lo cual nosotros no podemos ser indiAerentes) B debemos adaptarnos colaborando B 8aciendo nuestra parte con un proceso más limpio 2ue genere el producto deseado B nos de ganancias: Segundo) en relaci?n a la ruta de reacci?n seleccionada basándonos en el potencial econ?mico) no se cuenta con inAormaci?n clara B precisa) ni con bibliograAía del todo conAiable:
22
CA2TU3O 4 DISEHO DE3 TREN DE SEARADORES4 41 MFTODO DE NAD
*os sistemas de separaci?n de mJltiples componentes son de uso generali5ado en las industrias 2uímica B petrolera Ba 2ue los productos obtenidos del reactor salen acompañados de reactivos 2ue no se transAormaron) subproductos e impure5as de los reactantes) por lo 2ue es de suma importancia aislar el producto principal para poder venderlo\ el diseño de la secuencia de separaci?n es un problema Ba 2ue es necesario el análisis de sus propiedades Aisico2uímicas para poder determinarlo: Una buena secuencia es a2uella 2ue garanti5a la separaci?n de todos los componentes de una me5cla generando costos menores: El m9todo de #adgir *iu) es una estrategia 2ue basada en la volatilidad) temperatura de ebullici?n B presiones de vapor de los compuestos 2uímicos 2ue determina el orden de separaci?n de los componentes de una me5cla: $on estos datos es posible calcular el coeAiciente de Aacilidad de separaci?n $%S:
C(S= f ∗)
Donde. AV Relaci?n de AluHos en el domo B en el Aondo) se utili5a el 2ue sea menor o igual a 1: 23
) =)*"+ =( , a& −1 )∗100
Para aplicar el m9todo) en primer lugar se ordenan los componentes de la me5cla menor a maBor temperatura de ebullici?n\ si se tienen datos de volatilidad o presi?n de vapor será conveniente ordenar de maBo a menor: Posteriormente se procede a calcular A B ! con el Ain de obtener el valor del coeAiciente de Aacilidad de separaci?n entre los componentes: Por Jltimo) se propone como primer corte el 2ue tenga maBor valor de $%S: Existe otra Aorma de establecer un diseño para la secuencia de separaci?n basada en / reglas 8eurísticas) en este caso las decisiones 2ue se toman van a criterio del diseñador en base a un análisis cualitativo B cuantitativo de los componentes de la me5cla: 1: Facer la separaci?n más Aácil primero: ;: Remover el componente más abundante primero: 3: Remover el componente más volátil primero: /: &alancear los cortes) establecer el corte donde se Aavore5ca el corte e2uimolar: $on base en el m9todo de #adgir *iu B el de reglas 8eurísticas se pretende determinar la meHor Aorma de separar el producto B subproductos de los reactivos . /:1:1 09todo #adgir *iu
Tabla 414 Primer corte de la secuencia Co(ponente A 8 C D
!cetalde8ído !cetato Etanol !gua
"luo )(ol, 1:<< 3: 1/:G/ 1<<:1/
E
+cido ac9tico
1/<:3
T eb )JC, ;(:; '':1 ':3 1((
KT )JC, L L 1:; ;1:'
&
C"S
L L (:(1' (:(G
L L (:(; 1:3
11
1
:3
1/:C/
1er corte
Tabla 4$4 Segundo corte de la secuencia Co(ponente A 8 C D
!cetalde8ído !cetato Etanol !gua
"luo )(ol, 1:<< 3: 1/:G/ 1<<:1/
T eb )JC, ;(:; '':1 ':3 1((
KT )JC, L L 1:; ;1:'
&
C"S
L L (:(3 (:1;
L L :(3G ;:G
;T corte
#O!. Se considera 2ue el componente ! B & salen Huntos debido a 2ue sus AluHos son despreciables respecto al agua B ácido ac9tico) pero se consideran por cuestiones de balance: 24
S1L )A8,CD*E )A8,C*D )A8,*C
Anli.i. de &actibilidad por (edio del (todo de Rudd oer ' Siirola del Co.to relatiGo de .eparaci!n4 C-S =∑
C-S 1 =
1.55
(
(ljo alim"ntao )*"+
+ 3.88 + 14.64 + 155.14 + 145.83 18
+
1.55
)
De cada colu!a
+ 3.88 + 14.64 + 155.14 21.7
+
1.55
+ 3.88 +14.64 1.2
"i#ura 4 ren de separadores determinado por #adgir *iu
/:1:; Reglas 8eurísticas
Tabla 4%4 Datos a usar para aplicar las reglas 8eurísticas: A 8 C D E
Co(ponente !cetalde8ído !cetato Etanol !gua +cido ac9tico
"luo )(ol, 1:<< 3: 1/:G/ 1<<:1/ 1/<:3
Teb )?C, ;(:; '':1 ':3 1(( 11
KT )?C, L
Tabla 44$ortes propuestos segJn las reglas 8eurísticas: Re#la eurB.tica
Corte &$
F1. Remover el componente más volátil primero: F;. Remover el componente más abundante: 25
DE
= 42.63
F3. Reali5ar la separaci?n más Aácil:
$D
F/. %avorecer corte e2uimolar:
#!
#O!. Se considera 2ue el componente ! B & salen Huntos debido a 2ue sus AluHos son despreciables respecto al agua B ácido ac9tico) pero se consideran por cuestiones de balance:
S$L )A8,C*DEA8*CD*E
Anli.i. de &actibilidad por (edio del (todo de Rudd oer ' Siirola del co.to relatiGo de .eparaci!n4 C-S =∑
C-S 2 =
1.55
(
(ljo alim"ntao )*"+
+ 3.88 + 14.64 + 155.14 + 145.83 21.7
+
1.55
)
De cada colu!a
+ 3.88 + 14.64 1.2
+
155.14
+ 145.83
18
=48.24
"i#ura 54 ren de separadores determinado por reglas 8eurísticas:
Resoluci?n: Se escogi? el tren de separadores por el m9todo de #adgir B *iu debido a 2ue debemos elegir cuál es meHor en t9rminos econ?micos) esto se puede determinar aplicando la A?rmula del costo relativo de separaci?n CRS propuesta en el libro de Rut8) Poers B Siirola) de Síntesis de procesos: !l comparar ambas secuencias debe elegirse la 2ue tenga el menor valor de $RS 2ue representa el menor costo: 26
Se obtiene para la secuencia S1#adgri B *iu. /;:G3 Se obtiene para la secuencia S;Feurísticas. /:;/ !l obtener los resultados nos damos cuenta 2ue el $RS en #adgir B *iu es menor por lo 2ue se escoge para reali5ar dic8a secuencia) para el tren de separadores: De igual manera en el tren de separadores se decide 2ue el ácido ac9tico será el primero en salir por el Aondo del primer destilador) debido a 2ue es un compuesto corrosivo B es el más abundante: !l tener est9 la temperatura de ebullici?n más alta de todos los compuestos nos Aaclita 2ue este salga por el Aondo del destilador:
CA2TU3O 54 SIMU3ACIÓN DE3 ROCESO EN SIMU3ADOR RO II4 541 C3CU3O DE3 8A3ANCE DE MATERIA3ES EN SIMU3ADOR RO II
El desarrollo de un proceso re2uiere de diAerentes 8erramientas para optimi5ar tiempos B poder reali5arlo de manera más eAiciente B eAica5) una de 9stas es el simulador de procesos el cual permite aBudar al desarrollo del balance de materia B energía de Aorma más rápida B eAiciente) esto permite evaluar no solo el aspecto de balance de materia sino aspectos termodinámicos) los cuales determinan la Aacilidad B Aorma de separaci?n de los componentes B a su ve5 permite reali5ar el balance de energía de manera más rápida: Una ve5 reali5ado el balance de materia para el proceso de producci?n de '(((( tonaño de ácido ac9tico de Aorma manual se procedi? a evaluarlo en el simulador PROII versi?n C:3 de la empresa S8neider Electric) en el cual se empe5? simulando el reactor) donde se incluBeron las 3 reacciones involucradas en el proceso dos de ellas secundarias con una selectividad sustancialmente baHa) para lo cual se re2uiri? la conversi?n global calculada en el capítulo ;: Posteriormente se procedi? a simular el sistema de separadores el cual consiste primeramente en tan2ue Alas8 %L1(1 el cual se decidi? trabaHa de Aorma entr?pica: Seguido de este se coloc? una columna de absorci?n L1(1 para recuperar los componentes condensantes\ producto) subproductos B etanol) empelando agua: $on base en los resultados obtenidos se determin? 2ue la columna Auera de 1; platos) de tal manera 2ue se lograra recuperar la maBor cantidad de los componentes mencionados: Seguido de ello debido a simulaciones previas se determin? 2ue 8abía oxígeno B aire disuelto en la corriente inAerior del Alas8 corriente 1() por lo 2ue se coloc? una columna estabili5adora L1(1 cuBa principal Aunci?n era retirar los gases no condensables por completo del proceso) siendo esta de / platos con una alimentaci?n en el plato 3: Una ve5 2ue se logr? tener en el proceso el producto) subproductos B etanol no reaccionante se procedi? a separar los componentes como se determin? en el tren de separadores: Primeramente se separ? el producto) ácido ac9tico empelando una columna de destilaci?n de 1 platos L1(3 con alimentaci?n en el plato C: Esto se logr? determinar mediante la opci?n del simulador de m9todos cortos o S8ort cut: Se observ? 2ue con estas características de la columna B a una temperatura de alimentaci?n de 1/G$ B una presi?n de operaci?n de <7gcm`;) la separaci?n del ácido ac9tico se lograba de manera consistente teniendo pocas perdidas en el destilado de esta columna) logrando obtener una cantidad de producto de 13<:G/<7gmol8 de los 1/<:37gmol8 planeados) teniendo una p9rdida del G:/: *o cual es uno de los beneAicios de la simulaci?n poder evaluar realmente cuanto es posible obtener: Se observ? 2ue a una presi?n de 27
operaci?n maBor la cantidad de producto obtenido variaba en algunos casos considerablemente) obtenido más cantidad a maBor presi?n sin modiAicar las demás condiciones: Es importante mencionar 2ue para poder obtener esta cantidad se decidi? meter al proceso C:< más cantidad de etanol 2ue la planeada en el balance de materia a mano) correspondiente al etanol recirculado) contemplado 2ue podrían existir perdidas en la separaci?n de los componentes: Despu9s de retirar el producto del proceso se procedi? a separar los subproductos B el etanol no reaccionante) de acuerdo a la secuencia de separaci?n se separ? el agua del acetalde8ído) acetato de etilo B agua) obteniendo una columna de destilaci?n de C platos L1(/ con una alimentaci?n a una temperatura de C($ B una presi?n de ;7gcm`; en el plato <: En la columna L1(< se separ? Ainalmente el etanol del acetalde8ído B del acetato de etilo) para ser recirculado este primero al reactor) páralo cual se determin? 2ue la columna debía contener 3( platos: *a me5cla Aue alimentada a una temperatura de (c B una presi?n de 1:7gcm`; en el plato 1<: Se determin? inicialmente) como se explic? en el capitulo;) 2ue debido a la baHa cantidad de acetalde8ído B de acetato de etilo) estos se extraerían como me5cla del proceso corriente 3': Para la recirculaci?n de etanol se determin? 2ue se debía colocar un separador debido a 2ue esta corriente posee cantidades de otros componentes) siendo no necesarios en la recirculaci?n) por lo 2ue se decidi? colocar en este una purga corriente /3 B recircular el ( del residuo de la columna :1(<: Se determin? 2ue todas las corrientes salieran a una presi?n cercana a ala atmosA9rica B una temperatura de ;< $ por lo 2ue se colocaron cambiadores de calor en estas corrientes calculado de esta manera el calor necesario: De igual manera se colocaron diversos e2uipos necesarios para poder llevar a cabo este proceso como los son bombas de alimentaci?n B de reciclo así como válvulas para controlar la presi?n en varios puntos del proceso:
54$ DIA
28
54% COMARACIÓN DE3 8A3ANCE
No(bre de la corriente
AIRE>1
ETANO3> $
5
0
INCOND> 1
INCOND> $$
AC4ACE> $9
A%
AAE>%7
ETANO3> 1
6apor
*i2uido
0e5cla
0e5cla
6apor
0e5cla
*i2uido
*i2uido
*i2uido
*i2uido
$ 7-$0;
;< 1:(33 ;3(:G((/ ;:<(/ 1
;< 1:(33 1;':C'(( /G:('(( (
/G:G3G 1:G ;
;< /:(C;/ <<;:;/;' 31:1(/1 (:G(<
1:C;G 1:1 ;<3:'G3 ;:(1/; 1
;< 3:C (:(C( 31:3;G (:<1G
;< 1:1 11'://C <':(GC' (
;< 1:1 1((:(C(; ;3:11;/ (
;< 1:1 1:3/<; /C:(;13 (
CG:C'CC 1:G 31G:(C;C ;G:'GC/ (
(
1
(:13G3
(:3C/;
(
(:1//
1
1
1
1
1GC:'''C
11G;:GGG3
11G3:<(G3
'(C:/(<;
(:1
1/G:(1(;
1':G(((
1:'/;/
133:('/
G'C:;< 1(:
( ( ( ( 1GC:'''C ( (
G'C:;<(( 1(:
G'C:;<(( 1:1
G'C:1''< 1:1<1' (:GG1 (:1'C1 (:/C' 1(:
(:(';< (:((/C (:(11( (:((1/ (:((<1 (:((/C (:(((;
(:(((( (:(((( (:(((( (:(((( (:(((( 1(:3G1' 13<:G/<
(:(((( (:(((( (:(((( (:(((( (:((;3 1
(:(((( (:(((( (:G(C( (:;GCG (:GG (:1'GC (:((((
(:(((( (:(((( (:'<(G 1:G;1 1':(((( 1((:GG'1 1;:'CG
De.cripci!n de la corriente "a.e Te(peratura re.i!n Entalpia e.o Molecular "racci!n Molar de apor "racci!n Molar de 3Buido "luo "luo. #itr?geno Oxígeno !cetalde8ído !cetato de Etilo Etanol !gua +cido ac9tico
DE
7LFRFR
7-L0O*FR 7-L0O*FR
MATERIA O8TENIDO EN SIMU3ACIÓN CON RESECTO DE3 DE ECO A MANO Tabla 5414 $omparaci?n del balance de materia en simulaci?n con respecto el reali5ado a mano Entrada
Salida
Entrada
Salida
Co(ponente
0ol 7mol8
0asa 7g8
0ol 7mol8
0asa 7g8
0ol 7mol8
0asa 7g8
0ol 7mol8
0asa 7g8
Nitr!#eno
G'C:;<; '
1C(1C:('< /
G'C:;<; '
1C(1C:('< /
G'C:;<
1C(1C:('
G'C:;<
1C(1C
O-B#eno
1(:
<''':C/GC
3(:('33
CG;:3//1
1(:
<''':C/G
1:1
<1:(11;
AcetaldeBd o
(
(:((((
1:<<1/
G:;G;/
(
(
1:G11
'3:CG/
Acetato de etilo
(
(:((((
3:'<
3/1:31;1
(
(
(:C33
;:1'//
Etanol
1<<:1/1
'13G:<;/
(
(
1GC:''' C
'(C:'
<:G
;<':G
A#ua
(
(:((((
1<<:1/1
;'C;:<<3;
/(:3C'
'1C:CC<;
;(/:1'G '
3G'<:1(G
2
cido Actico
(
(:((((
Total
%19%%457 1
1/<:33 3
075/4////
(
(
%19%%457 1
Total
%%%$;4;90 ;
1G(:G;C /
9;%747; %%%$;4;90 ;
$omo es posible observar en la tabla <:1) la cantidad de ácido producida en la simulaci?n es maBor debido a 2ue se decidi? alimentar C más o la cantidad re2uerida sin recirculaci?n) debido 2ue la cantidad de ácido de ac9tico de inter9s es la obtenida en la corriente ;C) Ba 2ue la cantidad del producto en las demás corrientes tiene 2ue ser reprocesado para poderlo obtenerlo B vender Ainalmente: Sin embargo) a pesar de esta diAerencia es posible observar 2ue ambos balances se cumplen: Otra diAerencia importante entre ambos balances es la cantidad de etanol 2ue sale) en el balance reali5ado a mano se determin? 2ue no saliera ninguna cantidad de etanol) no obstante) en la simulaci?n se observ? 2ue esto era imposible Ba 2ue se re2uiri? de una purga para poder recircular adecuadamente este reactivo al proceso) Ba 2ue la corriente posee tra5as de otros compuestos:
CA2TU3O ;4 DISEHO DE 3A RED DE INTERCAM8IO TFRMICO EN E3 ROCESO DE RODUCCIÓN DE CIDO ACFTICO ;414 AN3ISIS INC4 El Jltimo paso en la estrategia de diseño consiste en diseñar la estructura de a8orro de energía en una red de cambiadores de calor: Para la reali5aci?n de tal diseño nos apoBaremos de un análisis Pinc8: Despu9s de seguir la estructura de Douglas 8asta el diseño del tren de separadores podemos ver 2ue el proceso tiene varios re2uerimientos de energía de calentamiento así como re2uerimientos de enAriamiento: El diseño de red de cambiadores de calor permitirá a provec8ar la energía de las corrientes 2ue re2uieran enAriamiento para calentar las corrientes 2ue re2uieran calentamiento B aprovec8ar en medida de lo posible esta energía para reducir el consumo de combustibles para generar vapor B usar menos electricidad al procesar el agua de enAriamiento además disminuBe la emisi?n de $O; 2ue es considerado el primordial causante del calentamiento global: El análisis pinc8 es una estrategia para el diseño de redes de cambiadores de calor 2ue identiAica las oportunidades de a8orro de energía tanto en nuevos diseños como en el meHoramiento de plantas en operaci?n: El m9todo se enAoca al logro de dos metas) primero el a8orro econ?mico al reducir el consumo de B electricidad: segundo) determinar la red de cambiadores de calor con mínima área de transAerencia de calor: $on todo lo anterior se logra minimi5ar los costos de capital) los costos de energía B las emisiones contaminantes: *a idea Aundamental del análisis Pinc8 es utili5ar el exceso de calor de las corrientes calientes para pasárselo a las corrientes Arías B tratar de usar lo menos 2ue se pueda los servicios de calentamiento 30
B enAriamiento: El m9todo se enAoca a determinar la red de cambiadores de calor en las plantas de procesos) dic8o llanamente) con la integraci?n t9rmica de las corrientes de proceso) la energía re2uerida por las corrientes Arías la proveen las calientes: De la simulaci?n B el diagrama de proceso se tiene la siguiente inAormaci?n de los re2uerimientos de calentamiento B enAriamiento del proceso: Tabla ;414 Re2uerimientos de calentamiento B enAriamiento del proceso: $arga t9rmica $orriente de $orriente emperatura de emperatura de 7: entrada: de salida: entrada $: salida $: E1(1 3G/3:G < G /G:G3 1<( E1(; '1;;:(/ ' 1<( ;< E1(3 G/:C 1' 1 ;< C( E1(< 3C:;1 ;< ;G 1/:1< C( E1(G ;':( ; ;C 11':
$alentador
$on los datos anteriores se obtienen las corrientes Arías B calientes con sus respectivos %cps B sus respectivas temperaturas iniciales B Ainales: Tabla ;4$4 Datos para el análisis pinc8: $orriente
ipo
1 ; 3 / < G '
%ría $aliente %ría $aliente $aliente $aliente $aliente
emperatura inicial $ /G:G 1<( ;/:'G 1/:1< 11':
emperatura Ainal $ 1<( ;< C( C( ;< ( ;<
$arga t9rmica 7: 3G/3:G '1;;:(/ G/:C 3C:;1 ;':( 1C1;:3< 3'(:;/
%cp 7$ 3<:;3
Para reali5ar el análisis pinc8 se utili5ara una de las 8erramientas del m9todo llamada tabla problema: *a mínima diAerencia de temperaturas en los cambiadores de calor es de 1( $: Primero se aHustan las temperaturas iniciales B Ainales de cada corriente: ! las corrientes calientes se les resta la mitad del min. * cali"nt"= * cali"nt" −
* fr/ a=* fr/ a+
) * min 2
! las corrientes Arías se les suma la mitad del min.
)* min 2
31
Tabla ;4%4 emperaturas aHustadas: $orriente 1 ; 3 / < G '
emperatura inicial $ /G:G 1<( ;/:'G 1/:1< 11':
emperatura Ainal $ 1<( ;< C( C( ;< ( ;<
emperatura inicial aHustada$ <1:G3 1/< ;C:'G 1/3:1< 11;:
emperatura Ainal aHustada$ 1<< ;( C< < ;( '< ;(
*as temperaturas aHustadas se ordenan de maBor a menor) luego se calculan las diAerencias de temperatura: Enseguida se calcula el %7 ) este es la suma de los %$p de las corrientes cuBa temperatura inicie con la temperatura aHustada menos los %$p de las corrientes cuBas temperaturas terminen en dic8o valor: *uego en la cuarta columna de la tabla sumar todos los valores de %K de arriba 8acia abaHo: Enseguida se calculan las entalpias de los intervalos con la siguiente Aormula. ) H i= ) * ×Smai−
1
*uego calcular el calor de cascada para cada intervalo empe5ando en Q(V( en la temperatura maBor de la tabla) intervalo cero: 0i=0i− + ) H i 1
Despu9s ubicar el valor de cascada más negativo) con este calcular una nueva cascada) sería una cascada corregida: Esta se calcula partiendo del valor absoluto sumándole los valores de entalpia:
Tabla ;44 abla problema: T$ 1<< 1/< 1/3:1< 11;:
T$ L 1( 1:< 3(:G1 G:31 1(:;G (:C' 1( 1( ;3:3' ;1:' C:'G
%7
Suma
F
L3<:;<
L3<:;< ;1:'3 C(:31 CC:;< 1G(:/ 1G<:3< 1<;:(/ 3:/G ;;:;3 <':/ '(:'C (
L L3<;:< /(:;( ;'G/:3C G;G:;' 1G/G:<; 1G(:3C 1<;(:/ 3/:G <1C:<1< 1;<':(C GC(:C1
Q$!*E#!0IE#OV3<;:< 7
QE#%RI!0IE#OV1((G(:3 7 32
Q K ( L3<;:< L31;:3 ;/<;:(C 3(':3G /';/: /<:;' G/(<:G' ';/(:;' ''
Q K lL3<;:
$on los resultados del análisis pinc8 se procede a diseñar la red de intercambiadores de calor:
;4$ DIA
33
$on base en lo obtenido en el diagrama de reHa es posible determinar 2ue debido a la cantidad de corrientes calientes B la baHa cantidad de corrientes Arías Jnicamente se pueden 8acer dos arreglos de intercambio de calor) 2uedando estos sin la5o de calor:
Nota. El nombre de los cambiadores de calor epresados en el dia!rama de re"a son #nicamente re$erentes al análisis reali%ado en este cap&tulo, para e$ectos de continuidad de la numeración al!unos de ellos poseen un nombre di$erente en el dia!rama de proceso ' simulación.
CA2TU3O 74 SIMU3ACIÓN DE3 ROCESO EN SIMU3ADOR RO II CON ARRE<3O DE INTERCAM8IADORES DE CA3OR 741 DIA
34
74$ AN3ISIS DE3 ROCESO CON ARRE<3O DE INTERCAM8IADORES DE CA3OR
El desarrollar un arreglo de intercambiadores de calor Aue con el obHetivo de aprovec8ar la energía disponible de las corrientes calientes B poderlas combinar con las corrientes Arías) las cuales re2uieren energía: $on base a lo obtenido en el capítulo anterior se determin? 2ue puede existir un a8orro del // de la energía re2uerida inicialmente: Sin embargo) se determin? 2ue para poder llevar a cabo esto se re2uiere de intercambiador más) pasando de los 1( iniciales a 11 cambiadores: $omo se observ? en el diagrama de reHa del capítulo anterior el proceso cuenta con un nJmero de corrientes calientes muB superior a la de corrientes Arias) inicialmente se determin? no incluir los cambiadores de calor con un calor inAerior a los 1((7FF 2ue Aueron los cambiadores) EL1(/) EL 1(C B EL1(1() del diagrama sin arreglo de cambiadores de calor: $omo se observ? en el capítulo 35
anterior prácticamente los cambiadores EL1(<) EL1(G B EL1( Aueron excluidos de la misma manera esto debido a la Aalta de corrientes Arías con las cuales Auera posible intercambiar el calor: Se determin? con base al análisis del capítulo anterior 2ue es posible aprovec8ar el calor del eAluente del reactor) corriente ') para calentar los componentes a alimentar al reactor esto 8asta una temperatura de 1/($ debido a 2ue la diAerencia mínima de temperaturas en el cambiador de calor se determin? Auera de 1($ en el cambiador EL1(1) por lo 2ue para terminar de calentar la corriente de alimentaci?n corriente G) se coloc? un intercambiador) EL1(;) de calentamiento de carga inAerior al 2ue se encontraba en el proceso sin arreglo de cambiadores de calor) a8orrando en este punto el CG:'/ de la energía re2uerida para calentar la corriente de alimentaci?n al reactor: El cambiador EL1(1 sirvi? a su ve5 para enAriar la corriente del eAluente) corriente ') 8asta una temperatura de C;:;/) re2uiriendo un enAriador) EL1(3 para terminar de enAriar la corriente del eAluente a ;<$) por lo 2ue se a8orr? /C:/C de la energía re2uerida para enAriar esta corriente: El segundo arreglo pudo reali5arse entre la corriente Aría proveniente de la columna de absorci?n B la corriente caliente proveniente del destilado de columna L1(/: Se aprovec8? el calor de esta corriente Jltima) corriente 3() para calentar la me5cla de ;/:'G$ a C($ a8orrando el 1(( de la energía re2uerida para llevarlo a cabo: !sí mismo se aprovec8? para enAriar la corriente del destilado de la :1(/ de una temperatura de 111:;<c a CG:CG$ re2uiriendo Jnicamente un calor de enAriamiento de 1(3':3<7FF para enAriarlo a ($) a8orrando el
!l comparar la simulaci?n con B sin arreglo de cambiadores de calor se determin? 2ue los resultados son muB similares variando estos por decimales debido al cálculo iterativo: Se determin? 2ue a pesar de re2uerir un cambiador extra se a8orra el // de la energía utili5ada en el proceso) lo cual resulta de gran importancia Ba 2ue el servicio de calentamiento B enAriamiento se pueden dimensionar // menos de lo 2ue inicialmente se 8ubiese re2uerido:
36
D 74% DIA
No(bre de la corriente De.cripci!n de la corriente "a.e Te(peratura re.i!n Entalpia e.o Molecular "racci!n Molar de apor "racci!n Molar de 3Buido "luo "luo. #itr?geno Oxígeno !cetalde8ído !cetato de Etilo Etanol !gua +cido ac9tico
CAM8IADORES II4
AIRE>1
ETANO3> $
5
0
INCOND> 1
INCOND> $$
AC4ACE> $9
A%
AAE>%7
ETANO3> 1
6apor
*i2uido
0e5cla
0e5cla
6apor
0e5cla
*i2uido
*i2uido
*i2uido
*i2uido
$ 7-$0;
;< 1:(33 ;3(:G((/ ;:<(/ 1
;< 1:(33 1;':C'(( /G:('(( (
/G:G3 1:G ;
;/:CG< /:(C;/ <<1:''C 31:1(// (:G(<
1:C'1'CC1 1:1 ;<3:
;< 3:C (:(C'' 31:3;3/ (:<1/
;< 1:1 11'://C <':(GC' (
;< 1:1 1((:(C(1 ;3:11;/ (
;< 1:1 1:3/<; /C:(;;3 (
CG:C'C/ 1:G 31G:1(C/ ;G:'GC< (
(
1 1GC:'''C
(:13G3 11G;:G'/(
(:3C/; 11G3:<1<1
( '(C:3C3
(:1/G (:1(((
1 1/G:(1(;
1 1':G(((
1 1:'/;/
1 133:(G1
G'C:;< 1(:
( ( ( ( 1GC:'''C ( (
G'C:;<(( 1(:
G'C:;<(( 1:1
G'C:1''< 1:1<1' (:G< (:1'C( (:/C1 1(:<3/3 (:(((
(:(';< (:((/C (:(11( (:((1/ (:((<1 (:((/C (:(((;
(:(((( (:(((( (:(((( (:(((( (:(((( 1(:3G1C 13<:G/3
(:(((( (:(((( (:(((( (:(((( (:((;3 1
(:(((( (:(((( (:G(C1 (:;GC' (:GG' (:1'GC (:((((
(:(((( (:(((( (:'<(C 1:G;G 1':(((( 1((:G'3; 1;:'CC/
7LFRFR
7-L0O*FR 7-L0O*FR
CONC3USIONES $on base en lo investigado) desarrollado B estudiado en el presente proBecto es posible determinar 2ue el diseño de un proceso 2uímico implica varias etapas) las cuales son descritas de manera muB adecuada en la estrategia Douglas: Se determin? 2ue para poder producir '((((ton año de ácido ac9tico es necesario primeramente determinar una ruta de reacci?n) la cual sea Aactible econ?micamente B en la medida de lo posible ambientalmente como lo Aue en este caso) donde se produHo ácido ac9tico mediante la oxidaci?n de etanol resultado ser una ruta econ?micamente viable así como ambientalmente debido al baHo riesgo de peligrosidad de los compuestos involucrados) entre otros Aactores: Se determin? 2ue una ve5 producido el ácido ac9tico en el reactor este tiene 2ue ser aislado de otros componentes subproductos o reactivos 2ue no reaccionaron) para lo cual se establece un tren de separadores) se evalu? dos alternativas tanto la obtenida por el m9todo de #adgir B *iu B el de 8eurísticas de manera 2ue permitan separar de Aorma adecuada los componentes involucrados: !l evaluar las dos alternativas se obtuvo 2ue era más rentable la alternativa obtenida por el m9todo de #adgir B *iu) en el cual se separ? primeramente el ácido ac9tico) debido a 2ue es un compuesto corrosivo además de ser el producto) posteriormente el agua seguido del etanol B deHando como me5cla al acetalde8ído B acetato d etilo debido a la baHa cantidad producida: Se estableci? 2ue al trabaHar con componentes no condensables como lo Aue el nitr?geno B el oxígeno) se re2uieren de otras t9cnicas de separaci?n diAerentes de la destilaci?n por lo 2ue se 37
emple? previamente antes del tren de separadores una torre de absorci?n para retirar los compuestos no condensables: !l simular esto en el programa Pr II C:3 se observ? 2ue existían estos gases disueltos en la corriente inAerior del Alas8) por lo 2ue se tom? la decisi?n de incluir una columna estabili5adora) permitiendo de esta manera retirar todo el nitr?geno B oxígeno del proceso: %inalmente de acuerdo con lo estudiado se determin? 2ue el reali5ar un arreglo de intercambiadores de calor puede permitir a8orrar energía al utili5ar corrientes calientes del proceso para calentar otras corrientes Arías de 9ste) lo cual permite a8orrar la energía re2uerida Ba sea por el servicio de calentamiento o de enAriamiento: Se estableci? 2ue debido a la baHa cantidad de corrientes Arías B la gran cantidad de corrientes calientes muc8as de estas Jltimas nos pudieron inAluir en el análisis) resultado dos arreglos de corrientes con lo cual se permito a8orrar el // de la energía utili5ada en el proceso sin contemplar la energía empleada en los 8ervidores B condensadores de las columnas de destilaci?n: El desarrollar un proBecto de este impacto permite entender de manera más eAica5 lo 2ue implica diseñar un proceso) de manera 2ue es posible entender los diAerentes pasos de est9 así como de cuáles son los retos a superar para poderse llevar a cabo:
8I83IO
del
6inagre:
;((3)
de
!0!D!
Sitio
eb.
M;N Doc: Quiminet: ;(11: +cido ac9tico glacial. usos B aplicaciones: ;(11) de Quiminet Sitio eb. 8ttp.:2uiminet:comarticulosacidoLaceticoLglacialLusosLBLaplicacionesL;<'G11:8tm M3N 4uice: ;((G: *a oAerta B la demanda de cinco grandes: ;((G) de Source 4uice Sitio eb.8ttp.:sourceHuice:com1(1/3GG;((G1(11oAertaLdemandaLmercadoLmundialL!cetatoL statuL2uoLas$3!DLcomoes M/N*aura $astro: ;((G: !cido ac9tico: ;((') de Universidad !ut?noma de &arcelona. 8ttp.:recercat:catbitstream8andle;(';13
38
AFNDICE 14 CA3CU3OS DE ONTECIA3 ECONOMICO Oxidaci?n de acetalde8ído "eacc#$!$ 2C%3C%& ' &2 ( 2C%3C&&%
Tabla A1414 $ostos de reactivos B productos involucrados en la reacci?n Sustancias !cetalde8ído Oxígeno li2: +cido ac9tico:
$ostos 1 ((3:( US[ton 1( '3G US[ton 1 /CC:1; US[ton
$álculos. 1 . C =W 2cio =1 ton / año W ac"tal"3io =
W oxi4"no =
( 2 ) 44.05 ton / tonmol 1 ton × = 0.7335 ton / año (2) 60.05 ton/ tonmol año 16 ton
/ tonmol × 1 ton = 0.1332 ton / año (2 ) 60.05 ton / tonmol año
P . E .=∑ ( 5PM $ ) Proctos & s+#roctos−∑ ( 5PM $ ) -"acti6os US $ 1499.12 =1499.12 US $ / año ∑ (5PM $ ) Proctos & s+#roctos=( 1 ton año )( ton ) 3
ton US $ ton US $ 1003.08 0.1332 10736 + ∑ (5PM $ ) -"acti6os =(0.7335 año )( ton ) ( año )( ton )
∑ (5PM $ )
-"acti6os
P . E .=1499.12
=2165.79 US $ / año
US $ US $ − 2165.79 =−666.67 US $ / año año año
$arbonilaci?n de metanol Reacci?n.
CH OH + CO→CH COOH 3
3
Tabla A14$4 $ostos de reactivos B productos involucrados en la reacci?n: Sustancias 0on?xido de carbono 0etanol +cido ac9tico:
$ostos C:1 US[ton ; 11G:/( US[ton 1 /CC:1; US[ton
Clculo.Q
1 . C =W 2cio =1 ton / año W Monoxio=
W M"tanol= P . E .=
28.01 ton
/ tonmol × 1 ton = 0.4664 ton / año año 60.05 ton / tonmol
/ tonmol 1 ton × = 0.5335 ton / año año 60.05 ton / tonmol 32.04 ton
∑ ( 5PM $ )
Proctos & s+#roctos
−∑ ( 5PM $ ) -"acti6os
US $ US $ 1499.12 1499.12 = ∑ ( 5PM $ ) Proctos & s+#roctos=( 1 ton año )( ton ) año 40
ton US $ ton US $ 9.18 0.5335 2116.40 + ∑ (5PM $ ) -"acti6os =(0.4664 año )( ton ) ( año )( ton )
∑ (5PM $ )
-"acti6os
P . E .=1499.12
=1133.38 US $ / año
US $ US $ − 1133.38 =365.74 US $ / año año ton
%ermentaci?n anaerobia "eacc#$!$ 2C&2 ' 4%2
C%3C&&% ' 2% 2&
Tabla A14%4 $ostos de reactivos B productos involucrados en la reacci?n. Sustancias Di?xido de carbono Fidrogeno +cido ac9tico:
$ostos ( US[ton ; /'( US[ton 1 /CC:1; US[ton
C%lculo&'
1 . C =W 2cio =1 ton / año W 7ioxio=
( 2 ) 44.01 ton / tonmol 1 ton × = 1.4657 ton / año año 60.05 ton / tonmol
W Hiro4"no=
( 4 ) 2 ton / tonmol 1 ton × = 0.1332 ton / año año 60.05 ton / tonmol
P . E .=∑ ( 5PM $ ) Proctos & s+#roctos−∑ ( 5PM $ ) -"acti6os
∑ (5PM $ )∏
& s+#ro
( )(
=1
ton año
1499.12
)
US $ =1499.12 US $ / año ton
ton US $ ton US $ + 880 0.1332 2470 ∑ (5PM $ ) -"acti6os =(1.4657 tonmol )( ton ) ( tonmol )( ton )
∑ (5PM $ )
-"acti6os
P . E .=1499.41
=1618.82 US $ / ton
US $ US $ −1 618.82 =−119.41 US $ / ton ton ton
41
Oxidaci?n del etanol "eacc#$!' C2%5&% ' &2 ( C%3C&&% ' %2&
Tabla A144 $ostos de reactivos B productos involucrados en la reacci?n: Sustancias Etanol +cido ac9tico:
$ostos 3<:3C US[ton 1/CC:1; US[ton
Clculo.Q
1 . C =W 2cio =1 ton / año W Etanol=
/ tonmol 1 ton × = 0.7672 ton / año año 60.05 ton / tonmol 46.07 ton
W Oxi4"no= P . E .=
/ tonmol 1 ton × = 0.2664 ton / año año 60.05 ton / tonmol 16 ton
∑ ( 5PM $ )
Proctos & s+#roctos
∑ (5PM $ )∏
& s+#ro
∑ (5PM $ )
-"acti6os
P . E .=1499.38
( )(
=1
ton año
(
= 0.7672
−∑ ( 5PM $ ) -"acti6os
1499.12
ton año
)(
)
US $ =1499.12 US $ / año ton
835.39
)
US $ =640.91 US $ / año ton
US $ US $ − 640.91 = 858.47 US $ / año año año
AENDICE $4 8A3ANCE DE MATERIA3ES EN E3 REACTOR4 &ase de cálculo. '(((( tonaño de +cido ac9tico
1 . C =
70000 ton
año
) n Ac . Ac"tico ( )= 6
x
1 año 8000 3
x
1000 84 1 ton
=8750 84 / 3
/3 =145.83 8mol /3 60 84 / 8mol
8750 84
Tabla A$414 &alance con converi?n al 1(( reacciones Reacci!n 42
SelectiGidad
$;F
1 ; 3
S 1=
n Etanol 1 n Etanol*otal
n Etanol*otal=
n Etanol =
=0.94 S = 2
145.83 0.94
∗
∗
2
n Etanol*otal
=155.1418
2 0.01 155
3
n Etanol2
= 0.05 S = 3
n Etanol3 n Etanol*otal
(:C/ (:(< (:(1
=0.01
8mol 8mlo 0.05∗155.1418 n Etanol = =7.75 3 3 2 2
=1.5514
8mol 3
Tabla A$4$4 &alance con converi?n al 1(( Etanol otal r1 r; r3
!cetato de Etilo
1<<:1/1// 1/<:333333 ':'<'(C;1CC 1:<<1/1//
3:'
!cetalde8ído 1:<<1/1// ( ( 1:<<1/1//
Tabla A$4%4 &alance con converi?n parcial reacciones
1 ; 3
n Etanol r"% 1=
Reacci!n
SelectiGidad
$;F
(:C/ (:(< (:(1
n Etanol 1 x 1
n Etanolr"% 2=
n Etanol 2 x 2
n Etanolr"% 3=
n Etanol 3 x 3
43
ConGer.i! n parcial (:C; (: (:CC
n Etanol r"% =
145.83
1
n Etanol r"% =
0.92
7.7571
2
0.8
=150.5145
=9.6903
8mol 3
8mol 8mol 1.5514 n Etanol r"% = =1.5671 3 3 0.99 3
n Etanol r"%*otal=150.5145 + 9.6903 + 1.5671 =169.77
8mol 3
Oxígeno con 1( de exceso:
n =n Etanol r"% ∗1.1=174.7359 02 1
1
n =
n Etanol r"% ∗1.1∗1 2
02 2
n =
2
n Etanol r"% ∗1.1∗1 1
02 1
n
2
=180.56
02 *O*A!
=5.33
8mol 3
8mol 3
=0.8619
8mol 3
8mol 3
Tabla A$44 &alance con converi?n parcial Reacci?n R1 R; R3 total real
Etanol 1<:<1//C3 C:GCG3G<;< 1:
Oxígeno #itr?geno F;O Etanol no 1'/:3G
Etanol 2ue no reacciona:
n E*A9O!/ SA!E =n E*A9O!E9*-A −n E*A9O! -EACC:O9A 8mol n"tanol sal" =150.5144 −145.83 =12.68 3 1
n"tanol sal" 2=9.6963−7.75 =1.9393
8mol 3
44
oxigeno no ;:<3;G(' 1:/
n"tanol sal" =1.5671−1.5314 =0.08010 3
8mol 3
Oxígeno 2ue no reacciona
nO;<=E9O / SA!E= nO;<=E9O E9*-A−nO;<=E9O -EACC:O9A nO;<=E9OSA!E =174.36 −145.03= 28.53 1
1
nO;<=E9OSA!E =5.33 − ∗7.75=1.454 2
2
1
8mol 3
8mol 3
nO;<=E9OSA!E =0.0619− ∗1.5514 =0.0066 3
2
8mol 3
&alance de agua: n H O =
n"tanol4"n"rao ∗n H O
2
n H O = 2
1
n H O 2= 2
n H O 3= 2
2
n"tanol 145.033
∗1
1
7.7571
∗2
2
1.5514 2
∗2
=145.835
=7.7571
8mol 3
=¿ 1.5514
n H O *O*A!=155.1418 2
8mol 3
8mol 3
8mol 3
&alance de #itr?geno:
nO;<=E9O =180.56
45
8mol 3
