UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AMBIENTAL INGENIERÍA DE PROCESOS TALLER INTEGRACIÓN DE OPERACIONES Nombre: Diego Nicolás Mancera Martínez Código: 02245587
La metil-etil cetona (MEK) se produce por hidratación de buteno y posterior deshidrogenación de secbutanol. El proceso de hidratación ocurre a 60 atm y 140 °C con una resina de intercambio como catalizador, utilizando un exceso molar de agua (1.8:1 agua:buteno) a la entrada del reactor para evitar la polimerización del buteno. Por su parte, la deshidrogenación de secbutanol se da a 350 °C y 2 atm, usando un catalizador de cobre. Como materia prima del proceso se usa buteno al 97% (molar) con un 3% de butano inerte. La reacción de hidratación tiene una conversión del 20% por paso en el reactor, mientras que la reacción de remoción de hidrógeno tiene una conversión del 88%. Las reacciones antes mencionadas se describen en la siguiente figura:
Figura 1. A) Reacción de hidratación. B) Reacción de deshidrogenación
La siguiente tabla presenta algunos datos correspondientes a los compuestos químicos involucrados en el sistema: Tabla 1. Datos correspondientes a los compuestos que se encuentran en el sistema.
COMPUESTO H2 Buteno Butano MEK Secbutanol Agua
MW (g/mol) 2.01 56.11 58.12 72.11 74.12 18.01
Tb (°C) 1 atm -251 -0.5 -6.24 79.6 99.7 100
Tb (°C) 3 atm -248 25 32.5 118 133 134
Tb (°C) 10 atm -241 72 80 173 183 181
Tb (°C) 30 atm -237 129 138 240 242 235
Tb (°C) 60 atm -235 146 186 262 262 276
Para establecer un diagrama de entradas y salidas se siguió con las siguientes condiciones del proceso:
-
El buteno entra con 3% molar de butano inerte, por lo que no es necesario purificar previamente el alimento antes de la entrada al reactor.
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No hay reacciones reversibles, por lo que no es necesario remover o recircular subproductos.
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Se debe usar un reciclo y purga de los gases debido a que el hidrógeno tiene un punto de ebullición (-251°C) menor al del propileno (-48°C). De igual forma, se debe asegurar que el butano como inerte, y el hidrógeno como subproducto; dejen el sistema.
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Puesto que el agua es barata y queda luego de finalizar las dos reacciones, no es necesario recircularla o recuperarla. Si se decidiera hacer un reciclo, el proceso requeriría reactores más grandes, lo que tendría un impacto considerable en los costos de construcción y operación.
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Es necesario una corriente de recirculación hacia el segundo reactor para recuperar el secbutanol que no reacciona, puesto que es el reactante para la deshidrogenación.
De esta manera, la clasificación de los componentes queda de la siguiente manera: Tabla 2. Clasificación de las corrientes para diagrama de entradas y salidas.
COMPUESTO H2 Butano Buteno MEK Agua
Tb(°C) 1 atm -251 -6.24 -0.5 79.6 100
FASE (1 atm) Vapor Vapor Vapor Líquido Líquido
CÓDIGO DE DESTINO Combustible Reciclo y purga Reciclo y purga Producto primario Residuo para tratamiento
Basándose en el cuadro anterior, es posible realizar el diagrama de entradas y salidas:
Butano Buteno
1
Agua
2
3
Butano Buteno
4
MEK
5
Agua
6
Hidrógeno
Figura 2. Diagrama de entradas y salidas para la producción de MEK.
Debido a que existen dos reacciones que se llevan a cabo a una temperatura y presión diferentes, y usan catalizadores distintos, se requieren dos sistemas de separación, en donde cada uno tiene su sistema de separación para obtener finalmente el MEK lo más puro posible. Como se dijo anteriormente, se requiere de
un reciclo de buteno/butano al primer reactor, y uno de secbutanol para el segundo reactor. Para el caso base, se realiza un balance de materia que permita obtener los flujos de entrada de butano y agua, tomando como base de cálculo una producción de 10 000 t MEK/año. 10000
𝑡 𝑀𝐸𝐾 1 𝑎ñ𝑜 1 𝑑í𝑎 1 𝑡𝑚𝑜𝑙 𝑀𝐸𝐾 1000 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑀𝐸𝐾 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑒𝑐𝑏𝑢𝑡 1 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 𝑎ñ𝑜 365 𝑑í𝑎𝑠 24 ℎ 72,11 𝑡 1 𝑡𝑚𝑜𝑙 𝑀𝐸𝐾 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑀𝐸𝐾 0,88 ∗
1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐵𝑢𝑡𝑒𝑛𝑜 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐵𝑢𝑡𝑒𝑛𝑜 ∗ = 89,9472 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑒𝑐𝑏𝑢𝑡 0,20 ℎ
Así, el flujo total para la corriente de entrada de buteno, teniendo en cuenta el 3% de butano, es 92,7291 kmol/h. Y, utilizando la relación molar, se tiene que el flujo de agua a la entrada es: 1,8 -
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐵𝑢𝑡𝑒𝑛𝑜 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔𝑢𝑎 ∗ 89,9472 = 161,905 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐵𝑢𝑡𝑒𝑛𝑜 ℎ ℎ
REACTOR I
La corriente de salida es heterogénea, pues existe un equilibrio ternario en donde se forman dos fases, entre buteno, secbutanol y agua. Se propone un sistema de separación por decantación para obtener agua casi pura, y una fase orgánica rica en secbutanol y buteno. A 60 atmósferas existen dos azeótropos, los cuales pueden ser evidenciados en la figura 3. El punto blanco dentro del domo de sistema de fases, corresponde a la composición a la salida del reactor, y cuya línea de reparto permite obtener las composiciones de las corrientes de salida del decantador.
Figura 3. Diagrama ternario del sistema secbutanol-buteno-agua a 60 atm y una temperatura de 140 °C.
La corriente rica en buteno y secbutanol se envía a una columna de separación, la cual trabaja a 10 atm para evitar el segundo azeótropo que se forma trabajando a 60 atm. Ésta se mezcla previamente con buteno sobrante para permitir una mejor separación en la columna. En la figura 4 se muestra el balance de materia para la separación directa e indirecta y la ventana de destilación posible. En donde es posible obtener secbutanol casi puro por los fondos de la columna, para ser enviado al segundo reactor; y una mezcla de buteno, agua y secbutanol por la cima, que será enviada a la purga. Es importante tener presente que se debe tener una corriente de recuperación de buteno para que se mantenga la relación molar en el reactor. A la salida de los fondos de la columna se tiene una válvula de expansión que permite bajar la presión hasta dos atmósferas y un posterior intercambiador que eleva la temperatura de la corriente a 350°C, para que el secbutanol pueda ser enviado al reactor de deshidrogenación a las condiciones de reacción.
Figura 4. Diagrama de destilación para la columna de obtención del butanol.
Figura 5. Perfil de composición para la columna de recuperación de secbutanol.
-
REACTOR II
La corriente de salida del segundo reactor está en fase gaseosa, la cual se hace pasar por un intercambiador que baja la temperatura hasta 20°C, obteniendo una corriente mixta de gas y vapor, la cual se hace pasar por un separador flash. En la cima sale hidrógeno producido en la reacción de deshidrogenación y como fondos se tiene una corriente líquida rica en MEK y secbutanol, por lo que es necesario realizar la correspondiente separación. Al observar el diagrama T-xy (Figura 5), de esta mezcla binaria, se deduce que es posible obtener en teoría una separación nítida, de MEK puro en las cimas y secbutanol en los fondos. Esta última corriente se recircula hacia la entrada del reactor de deshidrogenación.
Figura 5. Diagrama T-xy para el sistema MEK-Secbutanol a 1 atm.
Figura 6. Perfil de composición para la columna de purificación de MEK.
Con lo anterior, se obtiene una simulación en el programa Aspen Plus V9, de la siguiente manera:
Figura 7. Simulación del proceso de producción de MEK.
El diagrama de bloques del sistema se muestra como anexo.
Tabla 3. Balances de materia y energía para la producción de MEK. SECBU2 SECBU3 SECBUTA BUTEN2 BUTEN3 BUTEN4 BUTENO H2O HIDROGEN PRODUCT PRODUCT1 Fase Vapor Vapor Liquid Liquid Liquid Liquid Liquid Liquid Vapor Vapor Mixed Temperatura (°C) 350,0 300,0 99,8 109,0 109,0 133,8 140,0 120,0 20,0 350,0 20,0 Presión (atm) 2 2 1 60 60 60 60 60 2 2 2 Fracción Molar de Vapor 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0,3945768 Entalpía Molar (cal/mol) -57897,10 -60137,43 -77662,28 -11771,86 -11771,86 -22158,69 -1463,45 -66557,01 -1635,75 -24536,78 -38954,05 Flujo Molar (kmol/h) 12,57 14,17 1,61 108,85 27,21 140,73 59,16 161,91 10,47 26,54 26,54 Flujo Volumétrico (L/min) 5313,55 5493,92 2,76 204,17 51,04 267,25 158,00 54,21 2102,34 11289,16 2125,56 Flujo Másico (kg/h) 924,49 1043,57 119,09 5875,98 1468,99 7624,37 3325,04 2916,76 41,39 1043,57 1043,57 Fracciones másicas Buteno 0,00000 0,00000 0,00000 0,85887 0,85887 0,68750 0,95137 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 Agua 0,00245 0,00217 0,00000 0,02644 0,02644 0,04274 0,00000 1,00000 0,00202 0,00217 0,00217 Secbutanol 0,99755 0,99783 0,99999 0,06043 0,06043 0,21798 0,00000 0,00000 0,00191 0,11974 0,11974 MEK 0,00000 0,00000 0,00001 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,50041 0,85421 0,85421 Hidrógeno 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,49565 0,02388 0,02388 Butano 0,00000 0,00000 0,00000 0,05427 0,05427 0,05179 0,04863 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 PURGA REBUTE SECB2 SECB3 SECBU SECBU1 SECBUT W ATER H2 MEK BOT Fase Liquid Liquid Liquid Mixed Liquid Mixed Liquid Liquid Vapor Liquid Liquid Temperatura (°C) 75,2 75,2 140,0 83,8 180,9 119,7 120,0 140,0 69,5 69,5 20,0 Presión (atm) 10 10 60 10 10 2 60 60 1 1 2 Fracción Molar de Vapor 0 0 0 0,597755 0 0,430089 0 0 1 0 0 Entalpía Molar (cal/mol) -19702,99 -19702,99 -24656,76 -22158,69 -72439,13 -72439,13 -47990,67 -65758,79 -41184,81 -63877,61 -63275,78 Flujo Molar (kmol/h) 51,26 76,90 113,53 140,73 12,57 12,57 252,76 139,24 8,25 6,21 16,07 Flujo Volumétrico (L/min) 79,72 119,58 216,49 3610,15 25,46 1379,21 236,68 51,64 3761,83 9,88 23,22 Flujo Másico (kg/h) 2679,95 4019,93 6156,09 7624,37 924,49 924,49 8792,74 2636,64 437,44 445,66 1002,18 Fracciones másicas Buteno 0,78236 0,78236 0,64652 0,68750 0,00000 0,00000 0,45917 0,02174 0,00000 0,00000 0,00000 Agua 0,04830 0,04830 0,04663 0,04274 0,00245 0,00245 0,31253 0,93336 0,00352 0,00144 0,00218 Secbutanol 0,11040 0,11040 0,25566 0,21798 0,99755 0,99755 0,19203 0,04348 0,00454 0,00855 0,12461 MEK 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,98188 0,99001 0,86882 Hidrógeno 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,00000 0,01007 0,00000 0,00439 Butano 0,05893 0,05893 0,05119 0,05179 0,00000 0,00000 0,03627 0,00143 0,00000 0,00000 0,00000
