PRODUCCION DE ETILENGLICOL POR HIDRATACION DEL OXIDO DE ETILENO 1.- OBJETIVOS: * Suministrar las herramientas necesarias para realizar simulaciones de procesos químicos, y proveer una experiencia de entrenamiento en el uso del software HYSYS. * Mediante una simulación, demostrar los parámetros adecuados para la obtención de etilenglicol por la hidratación de óxido de etileno demostrado paso por paso. 2.- MARCO TEORICO: OXIDO DE ETILENO: El óxido de etileno es un gas inflamable de aroma más bien fuerte. Se disuelve fácilmente en agua, es una sustancia química usada principalmente para fabricar glicol de etileno (una sustancia química usada como anticongelante y poliéster). Una pequeña cantidad (menos de 1%) es usada para controlar insectos en ciertos productos agrícolas almacenados, y una cantidad muy pequeña se usa en hospitales para esterilizar equipo y abastecimientos médicos. Óxido de etileno General Otros nombres: Epoxietano Fórmula semidesarrollada: C2H4O Propiedades físicas Densidad: 899 kg/m3; 0,899 g/cm3 Masa molar: 44.05 g/mol Punto de fusión: 161 K (-112 °C) Punto de ebullición: 283,5 K (10 °C) Propiedades químicas Solubilidad en agua: Miscible Riesgos Inhalación: Irritación pulmonar, convulsiones. Etilenglicol y etilenglicoles superiores El etilenglicol -generalmente designado simplemente glicol,es el producto derivado del óxido de etileno más importante. En la tabla al margen seresumen las producciones de etilenglicol de los países industriales más importantes. El etilenglicol se obtiene por adición de agua al óxido de etileno: En el proceso industrial, el óxido de etileno se hace reaccionar con unas diez veces en exceso molar de agua en fase líquida a presión normal y 50-70ºC en presencia de un catalizador ácido (por ejemplo, 0,5-1,0% H2SO4 o a 140 hasta 230ºC y 20-40 bars sin catalizador. La obtención de etilenglicol tiene lugar casi exclusivamente en un reactor acoplado a la oxidación directa del etileno. La disolución acuosa resultante de glicol bruto se encuentra por evaporación hasta próximo el 70% y se fracciona por destilación en varias columnas de destilación al vació. A pesar del gran exceso de agua la selectividad en mono etilenglicoles solamente de un 90%. Al propio tiempo se obtiene un 9% de diglicol, un 1% de triglicol y etilenglicoles superiores. El rendimiento total llega al 95-96%. Las exigencias de pureza varían según el empleo a que se destine el glicol; para obtención de poliésteres se proporciona de calidad especialmente alta (pureza del 99,9% en peso).Si en la hidratación del óxido de etileno se disminuye la parte de agua, se forman progresivamente di, tri y polietilenglicoles: Otra forma de obtención parte de la aportación directa de óxido de etileno a los etilenglicoles.
Ordinariamente se realiza a 120-150ºCcon una ligera sobrepresión, frecuentemente en presencia de uncatalizador alcalino. Al aumentar el peso molecular los polietilenglicoles se convierten en líquidos viscosos y, finalmente, en productos cerosos, pero continúan siendo solubles en agua. Posibilidades de desarrollo de la obtención de etilenglicol Los perfeccionamientos futuros para la obtención de etilenglicol tendrán que ocuparse de mejorar la oxidación del etileno y la hidratación del óxido de etileno. En primer lugar, están los trabajos de aumento de la selectividad en ambas etapas de reacción y la disminución del gasto de energía necesario para el aislamiento del glicol de las disoluciones acuosas diluidas. En el futuro, además, deben ganar importancia los procesos de hidratación oxidante directa del etileno eludiendo la formación del óxido de etileno. De todas formas los procesos de transformación del etileno en mono y diacetato de, a pesar de su muy alta selectividad de hasta 98%, conlleva la desventaja de las dos etapas, por la saponificación del acetato y la recuperación del acético: La transformación de etileno para dar una mezcla de monoacetato de glicol, así como principalmente de diacetato, se realiza en acético a unos 170ºC y28 bars, en presencia de un catalizador homogéneo que contiene teluro y bromuro. En una transformación de etileno del 60%, se alcanza una selectividad del 96% en acetato de glicol. La hidrólisis del acetato con H2O, en presencia de un cambiador ácido de ionesa 90ºC, alcanza un rendimiento del 95%.Si enel futuro también los procesos de oxidación en una sola etapa con catalizadores, como, por ejemplo, TiO2/HCl, CuBr2/CuBr/HBr, combinación I2/Cu o Pd(NO3)2 llegan a procesos industriales, se alcanzará posiblemente el óptimo camino para la obtención de glicol a partir de etileno .El que el etileno continúe siendo un producto de partida adecuado, si sigue encareciéndose la nafta, que es su materia prima, podría depender de un interesante desarrollo de la UCC. Como producto de partida, la UCC usa el gas de síntesis, que seguramente medio o largo plazo representará el producto básico más barato obtenido por gasificación del carbón. En una reacción a elevada presión de 1400-3400 bars y a 125350ºC, el gas de síntesis, en presencia de carbonilos complejos, se transforma directamente en glicol, 1,2-propandiol y glicerina con una selectividad del conjunto del 64%.Como productos secundarios se forman metanol, formiato de metilo y agua. Aplicaciones del etilenglicol El etilenglicol tiene dos campos de aplicación principales: como anticongelante del circuito de refrigeración de los motores y como diol para la obtención de poliésteres. El producto más importante, el tereftalato de polietileno (PET), se emplea principalmente para la fabricación de fibras, aunque también para láminas y resinas. La aplicación del etilenglicol en estos dos campos depende del país y es muy distinta. En los EE.UU., desde hace tiempo, más del 50%es para elsector de los anticongelantes (véase la tabla del margen).A causa de la tendencia hacia los motores pequeños y a la mayor duración de los intervalos entre cambio de anticongelante, disminuye la proporción hacia estos productos y se espera que en 1980se igualarán los consumos de etilenglicol para anticongelantes y para poliésteres. En Europa occidental, en 1977, el reparto del consumo de etilenglicol era de sólo el 36% para anticongelantes y el 47% para poliésteres; en el Japón, por el contrario, sólo es el 12% para anticongelantes y, en cambio, el 71% para poliésteres. Los polietilenglicoles (etilenglicoles superiores) se usan solos o esterificados, dependiendo de su peso molecular, como líquidos para frenos, plastificantes o lubrificantes. Además, se usan para la obtención de poliuretanos y de resinas poliéster .Una pequeña parte del etilenglicol se destina a productos derivados. 3. METODOLOGIA: 3.1.- MATERIALES Y EQUIPOS.
* Programa HYSYS 3.1 * Reacción que viene de parte teórica 3.2.- METODOLOGIA. * En esta práctica haremos una simulación de plantas y procesos químicos, simularemos el proceso de etilenglicol a partir de óxido de etileno y agua, en este ejemplo vamos a involucrar un mezclador, el reactor y el destilador. * Abrimos la ventana principal de HYSYS. * Ejecutando el HYSYS, agregamos nuevo caso, agregamos un nuevo paquete, el tipo de calculo que vamos a ocupar va a ser el de modelos deactividad y el NRTL. * Agregamos los componentes que vamos a involucrar en la simulación que en nuestro caso es el óxido de etileno el agua y el etilenglicol, lo adherimos como ejemplo sencillo ya que solo vamos a involucrar las especies involucradas en esta reacción una sola reacción que es óxido de etileno más agua que nos va a dar etilenglicol, dado que en la realidad hay una reacción no deseada que es el etilenglicol más etileno para formar poliglicoles. * Una vez que agregamos los componentes vamos a la pestaña de coeficientes binarios, hace falta dos coeficientes que son entre el etilenglicol y el óxido de etileno. * Le ponemos al problema para que calcule haciendo click en UNKNOWS ONLY calculando automáticamente, el método de estimación de los coeficientes es el UNIFAC VLE. * Agregamos la reacción en la pestaña de RXNS y hacemos click en ADD SET y vemos que si hay reacciones disponibles para nuestras especies, ponemos agregar. Una vez que ya hemos establecido las opciones de nuestro paquete cerramos la ventana. * En la ventana de SIMULATION BASIS MANAGER verificamos los componentes de la reacción que son los ya nombrados y seleccionamos la pestaña de REACTIONS. * Es entonces que nos parece una ventana pequeña en la cual nos dan las opciones de reacción y seleccionamos la opción KINETIC. * Sale esta ventana, en la primera dila ponemos los componentes involucrados en la reacción. *En la columna de STOICH COEFF son los coeficientes de reacción, le ponemos negativos para los reactivos y positivo para el producto, esta ventana son los parámetros que van a ocupar nuestra reacción en el reactor. * Hacemos click en BASIS va a ser concentración molar, la unidad el componente limitante va a ser el óxido de etileno, la reacción se va a llevar a cabo en fase liquida y las temperaturas son estimadas por el mismo simulador y las unidades de BASIS UNITS y RATE UNITS las dejamos en kgmole/m3 y kgmole/m3-s. * En la sección de PARAMETERS vemos tres opciones de las cuales solo importan A y E, A corresponde a K q es la constante de velocidad de la reacción y E que es la energía de activación que se encuentra en la teoría, para A es 5e6 y E es 5e4, observamos que la barra inferior se pone verde lo que significa que la reacción ya está correcta con los valores necesarios para poder ingresarlo a la simulación. * Cerramos las ventanas, seleccionamos la reacción que acabamos de configurar (Rxn-1) y ponemos (ADD TO FP) donde aparece otra ventana.
* Seleccionamos agregar al paquete (ADD SET TO FLUID PACKAGE). * Vemos que ya se asoció, cerramos y entramos en la mente de simulación. * Aquí vamos a establecer dos corrientes de alimentación que es el icono de flecha azul que se encuentra en la barra de herramientas. * Hacemos doble click en ella ya aparece la configuración de estacorriente, una para el óxido de etileno en donde ponemos el nombre OXIDO DE ETILENO en la barra de SATREAM NAME a una temperatura de 25 °C, la presión de 180 Kpa y el Flujo molar de 105 kgmole/h. * Ahora seleccionamos a pestaña de COMPOSITION y ponemos 1 para el óxido de etileno ya que entra como componente puro y 0 para los otros dos componentes. * Observamos que la reacción entra en fase líquido, la fase vapor es cero lo que indica que es agua y cerramos la ventana. * Agregamos otra corriente que es el agua, seguimos los mismos paso de cambiar el Nombre de STREAM NAME a agua la temperatura a 25 °C, la presión a 180 Kpa , el flujo molar es de 150 kmol/h , se va ahora a composiciones poniendo 1 para el agua, 0 para el óxido de etileno y 0 para el etilenglicol entonces otra vez la barra inferior se pone de color verde indicando que los valores son correctos. * Ahora agregamos un mezclador poniendo en el nombre NAME mezclador, en INLETS que son las corrientes de entrada el óxido de etileno y agua, en OUTLET que es la corriente de salida ponemos “MEZCLA A REACTOR”. Se pone verde la barra inferior y ya sabemos lo que significa. * Ahora ya está la corriente que se alimenta al reactor, entonces agregamos un reactor CSTR. * Hacemos doble click en donde en la opción de CONNECTIONS cambiamos el nombre a CSTR ETILENGLICOL. En las corriente de entrada INLET “mezcla de reactor”, va a tener una purgapor la parte superior VAPOR OUTLET ponemos vapor, por la parte inferior LIQUID OUTLET sale los productos y en la opción de ENERGY ponemos un calor de reacción QReacción. * Vamos a la opción de PARAMETERS y el DELTA P ponemos la cantidad de 10 KPa, en el VOLUME de 2 m3 y el porcentaje del nivel líquido LIQUID LEVEL una cantidad de 85 %. * Ahora hacemos click en la opción de WORKSHEET que se encuentra en la parte inferior del CSTR, verificamos la temperatura para productos de 65 °C. * Damos click en la opción de REACTIONS y agregamos la reacción que configuramos poniéndose de color verde y haciendo los cálculos el reactor. * Verificamos haciendo click en la opción de WORKSHEET en donde observamos los datos obtenido de productos y vapor, luego verificamos también en la opción de COMPOSITION en donde vemos los datos obtenidos por los cálculos del programa que son correctos ya que la barra inferior se puso de color verde. * Agregamos una tabla de composiciones para verificar valores haciendo click derecho en la parte de la ventana de simulación, vemos que aparece un cuadro y hacemos click en la última opción y aparece un cuadro adicional.
* hacemos click en COMPOSITOR y aparece el cuadro de composiciones de la reacción que hemos simulado indicando que si se llevó a cabo la reacción. * Ahora para agregar otro cuadro pero esta vez de MATERIALS para ver los materiales y cantidades delreactor, estos cuadros son opcionales solo para ver las composiciones de los reactantes. * Ahora ponemos una válvula para reducir la presión, hacemos doble click y aparece el cuadro de configuración de la válvula, le cambiamos el nombre a VALCULA REDUCTORA DE PRESION, luego en la entrada INLET seleccionamos productos y en OUTLET ponemos mezcla de destilación. * Seleccionamos la opción WORKSHEET y bajamos la presión de la mezcla a 120 KPa para que pueda entrar a la torre de destilación vemos que la barra inferior se pone de color verde que indica que esta correcta la reacción. * Ahora agregamos la torre de destilación o columna de destilación. Hacemos doble click, le cambiamos el nombre y ponemos en la opción “COLUMN NAME” el nombre de la torre que es TORRE DE DESTILACION aquí lo que se va a eliminar es el agua porque en nuestra corriente de productos viene agua también y queremos separar el agua del etilenglicol para que nos quede el etilenglicol, la corriente de entrada STREAM se llama mezcla de destilación , el número de platos van a ser 10 la corriente se va a alimentar por el plato número 5 INLET STAGE nuestro tipo de condensador va a ser PARTIAL “parcial” por arriba va a salir una corriente que se va a llamar “VENTEO” en la opción de OVERHEAD OUTLETS se va a llamar “destilado” que va a ser agua en su mayoría y por el fondo en la opción BOTTOMS LIQUID OUTLET vamos a poner “etilenglicol” o producto terminado, enla opción de CONDENSER ENERGY STREAM vamos a poner QCond y en la opción inferior de ROBOILER ENERGY TREAM un QRev, esta ventana ya está completa. * Le ponemos siguiente y en esta ventana en la opción de CONDENSER PRESSURE que es la presión del condensador le ponemos 100 KPa, la caída que es CONDENSER PRESSURE DROP va a ser de 0, en el rehervidor REBOILER PRESSURE va a ser 105 KPa. * Damos siguiente, la temperatura DEL re hervidor OPTIONAL REBOILER TEMPERATURE ESTIMATE es opcional y es estimada a 150 °C. * Le damos siguiente, aquí vamos a eliminar toda el agua en la opción VAPOUR RATE que equivale aproximadamente a 0 Kmol/h, la tasa del líquido LIQUID RATE va a ser de 45 y el reflujo REFLUX RATIO va a ser de 3 y le damos DONE. * Aparece la ventana de la torre de destilación, nos dice que no converge que le hace falta algunos datos entonces nos vamos a la pestaña de DESIGN y luego a SPECS agregamos una más en el icono de ADD y sale una ventana, seleccionamos la opción COLUMN FRACTION y hacemos click en ADD SPECS y aparece una ventana que es para especificar y darle otro parámetro a la columna de destilación, aquí vamos a especificar la opción “CONDENSADOR” en STAGE y el componente va a ser el etilenglicol, en la opción de SPEC VALUE ponemos la cifra de 5e-3 que va a ser la presencia del etilenglicol en los destilados porque queremos que se elimine el agua y quede etilenglicol y como nos nos convergió enlos datos de la columna tenemos que añadir este valor, cerramos esta ventana y hacemos click en la pestaña de RUN y nos converge , ya está en color verde. * Hacemos click en la pestaña de WORKSHEET y luego en la opción de COMPOSITIONS y vemos
los valores del destilados, mezcla, venteo y etilenglicol, cerramos la ventana. * Agregamos una tabla de composiciones y de materiales explicados anteriormente y vemos que las composiciones de destilado final es casi todo etilenglicol y en la tabla de materiales salen los valores correctos. 4.- ANALISIS DE RESULTADOS * Usamos el programa de simulación de reacción para simular la producción del etilenglicol siguiendo los pasos correctos. * Se observó que en el programa existe una barra inferior, la cual indica si es que los valores puestos en el programa son correctos poniéndose de color verde. * Se tiene que tener mucho cuidado al momento de ingresar los valores ya que el programa puede no reconocer la reacción y no dar un equipo adecuado en la simulación. 5.- CONCLUSIONES: * Es un ejemplo sencillo y prácticos en el cual podemos agregar un reciclo, intercambiador de calor y otros. * Entendemos los sistemas de hidrocarburos con el fin de efectuar aplicaciones precisas y confiables en el uso del simulador de procesos HYSYS, que investigue diagramas de flujo y modele condiciones de procesos diferentes, con el objeto de optimizarlos con relativa facilidad.
