SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS BTX

SEPARACIÓN DE BTX Álvaro Martínez Valiente Ana Nieto Prado Sandra Rodrigo Villanueva Jesús Ruiz del Moral Banegas

Simulación de Procesos Químicos

Separación BTX

ÍNDICE Página 1. 2. 3. 4. 5.

Introducción……………………………………….….……..2 Objetivos…………………………………………….……….3 Base de cálculo……………………………………….……..4 Descripción del proceso y diagrama de flujo…….………...5 Simulación……………………………..……………………6 5.1 Aspen………………………...………………………….6 5.2 Hysys…………………………………………………….7 6. Comparación de resultados………………………………...9 7. Mejoras y recomendaciones………………………………..10 8. Bibliografía…………………………………………………10

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1. INTRODUCCIÓN Lo que en la industria petroquímica se conoce como hidrocarburos aromáticos, bajo la denominación de fracción BTX, es un conjunto de moléculas que podríamos considerar como derivados básicos de benceno y formado por benceno, tolueno, ortoxileno, meta-xileno, para-xileno y etil-benceno. Las mayores fuentes de obtención de BTX son: gasolinas del reformado catalítico, gasolina de pirólisis provenientes de craqueo térmico y catalítico (FCC), subproductos de la coquización del carbón y gasolina de platforming. Actualmente, la petroquímica basada en naftas de petróleo aporta más del 96% de la producción mundial de BTX. Generalmente los BTX van acompañados de una fracción de no aromáticos, la cual hay que separar de la fracción de BTX, los métodos de separación son los siguientes:  Destilación extractiva: en esta operación se utiliza un disolvente de aromáticos

no polar para evitar la formación de dos fases líquidas. Los principales solventes extractores utilizados en la industria son anilina, furfural, nitrobenceno, fenol. Alguno de los procesos basados en la destilación extractiva son el proceso Lurgi y Toray.  Destilación azeotrópica: debido a que los compuestos aromáticos y los no aromáticos pueden formar azeótropo, uno de los métodos de separación es la destilación azeotrópica. En este caso se usa un disolvente polar, para aumentar la volatilidad de los compuestos no aromáticos.  Extracción líquido-líquido: Esta es con mucha diferencia la técnica de separación más extendida. Una vez que los aromáticos han sido separados, se procede a su fraccionamiento en los distintos componentes, benceno, tolueno, xilenos y C 8 +. Para llevar a cabo la separación recurrimos a una destilación basada en los distintos puntos de ebullición de cada uno de los componentes. Compuesto

Benceno Tolueno o-Xileno m-Xileno p-Xileno Etilbenceno

Temperatura (ºC) 80 110 145 139 138 136 Tabla 1. Puntos de ebullición

Mientras que el benceno y el tolueno se separan con facilidad, los xilenos son prácticamente inseparables debido a la proximidad de su punto de ebullición.

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2. OBJ ETI VOS El proceso de destilación consta de tres columnas, en la primera columna el objetivo es separar el benceno del resto de aromáticos. Las fracciones de destilado a obtener en la primera columna serán: Componente


Fracción molar >99% <0,01% Traza Traza Traza Traza Tabla 2. Ob etivos columna 1

En la segunda columna el objetivo es la recuperación de tolueno, las fracciones de destilado a obtener en la segunda columna son las si guientes: Componente


Fracción molar <0,01% >99% Traza Traza Traza Traza Tabla 3. Ob etivos columna 2

La última columna de destilación tiene como misión separar los Xilenos de los componentes C8+. Componente


Fracción molar Traza Traza >20% >50% >22% <6% Tabla 4.Objetivos columna 3

Otros de los objetivos son la optimización de las condiciones del proceso y la introducción de mejoras.

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3. BASE DE CÁLCULO La corriente de aromáticos que se va a tratar en la planta tiene las siguientes condiciones iniciales:

Temperatura (ºC)

80

Presión (bar)

2

Caudal molar de los componentes (Kmol/h) 87,85

Benceno Dimetilciclopentano Metilciclohexano

0,0124 0,0075 338,1

Tolueno

0,049

n-Octano

14,975

Etilbenceno

60,16

o-Xileno

128,55

m-Xileno

57,798

p-Xileno

0,0057

n-nonano

0,33

n-pentilbenceno Metiletilbenceno

26,01 75,95

Trimetilbenceno

4,12

o-Cumeno Tetrametilbenceno Pentametilbenceno

4,75 2,2389

Tabla 4. Base de cálculo

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4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y DIAGRAMA DE FLUJ O

Figura 1. Diagrama de Aspen

En la figura1, se representa la disposición general de cada una de las unidades del proceso para la separación de BTX. En el primer equipo se trata de una columna de rectificación, que denominaremos BZCOLUM, ya que su función es la separación por cabeza de benceno, y por fondo se obtiene el resto de los componentes. La segunda columna, llamada TL-COLUM, se alimenta de la corriente de fondo de la anterior columna (BZ-COLUM) y se lleva a cabo la separación por cabeza de tolueno, por fondo de columna el resto de componentes. En la tercera columna, denominada XY-COLUM, es alimentada por la corriente de fondo de TL-COLUM, obteniéndose como producto por la corriente de cabeza xilenos, y por fondo se obtiene el resto de componentes que no fueron separados en las anteriores columnas.

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5. SIMULACIÓN 5.1. Aspen Una vez diseñado las columnas y corrientes de nuestra planta, incluimos todos los componentes de la corriente que vamos a tratar y elegimos el paquete termodinámico para la resolución de la simulación, en este caso Peng-Robinson. A continuación, se introduce la temperatura, presión y los diferentes caudales de todos los componentes, para la corriente de alimento de nuestra planta. Después, pasamos a la simulación de la primera columna de rectificación (BZCOLUM). Se introduce en número de pisos (66), seleccionamos el condensador total, caudal de destilado (86,97 kmol/h) y caudal de reflujo (571,2 kmol/h). Luego, se introduce en número de piso de alimento (33) y perfil de presiones de la columna (cabeza de columna 2 bar, fondo de columna 3 bar). Para el resto de columna realizaremos lo mismo, cambiando los datos, los cuales se muestras en la tabla1:

BZ-COLUM TL-COLUM XY-COLUM

Nº pisos

Condensador

66 50 48

Total Total Total

Caudal destilado (Kmol/h) 86,97 339 261

Caudal reflujo (Kmol/h) 571,2 896,8 357,5

Entrada alimento

PCabeza

Pfondo

33 25 24

2 2 2

3 3 3

Tabla 5. Variables de cada columna

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Los resultados de la simulación en Aspen se recogen en la siguiente tabla:

Tabla 6. Resultados Aspen

5.2. Hysys Resolvemos la simulación del proceso para la separación de BTX también en Hysys.

Figura 2. Diagrama de Hysys.

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Los resultados que se obtienen tras la simulación de Hysys se encuentran en la siguiente tabla:

Tabla 7. Resultados Hysys

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6. COMPARACIÓN DE RESULTADOS ENTRE ASPEN Y HYSYS Los resultados obtenidos para la simulación con Aspen y Hysys son muy parecidos, pero se observa que en Hysys se obtiene mayor caudal de destilado de bencenos, toluenos y xilenos. Caudal molar destilado (Kmol/h)

Benceno Tolueno o-Xileno m-Xileno p-Xileno

Alimento 87,85 338,1 60,16 128,55 57,798

Aspen 86,96 337,75 54,509 127,017 57,17

Hysys 86,97 338 55,33 127,21 57,23

Tabla 8.Comparación entre Aspen y Hysys

La separación en general es buena en ambos simuladores, aunque existe una pequeña diferencia entre el o-xileno y todos los demás, que se obtienen con mayor pureza. Esto se debe a que en el destilado de la tercera columna, junto con los xilenos, también hay una fracción de etilbenceno que hace que la pureza de l os xilenos quede reducida.

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7. RECOMENDACIONES Y MEJ ORAS Una de las mejoras que se podrían aplicar al proceso, viene relacionada con obtener un mayor porcentaje de benceno, ya que es el hidrocarburo aromático más valioso. La mejora consiste en producir benceno a partir de la corriente obtenida de tolueno. Existen dos procesos:  Proceso de dealquilación: se basa en producir benceno y metano a partir de

tolueno, este proceso puede hacerse mediante vía térmica o catalítica obteniéndose con este último una mayor selectividad. Algunos de los procesos industriales son los de Mitsubishi, Gulf y Exxon.  Proceso de desproporcionación: se basa en producir benceno y p-xileno a partir de tolueno, este proceso mejora al anterior ya que es preferible la obtención del p-xileno a la de metano, debido a que el p-xileno tiene un creciente interés en la actualidad. Otra de las mejoras que puede introducirse en el proceso está relacionada con la separación de los isómeros de xileno obtenidos en la última columna. Esta separación puede realizarse mediante un proceso de cristalización o bien mediante una adsorción (proceso PAREX). Además puede aumentarse la producción de p-xileno mediante isomerización de mxileno u otros. Existen tres tipos de isomerización, diferenciadas por el catalizador empleado y por las condiciones de operación:  Isomerización hidrocatalítica con catalizadores de Pt/Al2O3.SiO2 en presencia de

hidrógeno.  Isomerización en condiciones de craqueo sobre Al 2O3.SiO2.  Isomerización por Friedel-Crafts en fase líquida con HF.F 3B. También se puede obtener p-xileno a partir de etilbenceno según una reacción de octafinación mediante el proceso Atlantic/Engelhard, que consiste en una previa hidrogenación de etilbenceno para dar etilciclohexano, el cual es isomerizado posteriormente para obtener una mezcla de o-, m- y p-xileno.

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8. BIBLI OGRAFÍ A Young Han Kim, Dae Woong Choi, Kyu-Suk Hwang.

2003. “ Industrial

Application of an

Extended Fully Thermally Coupled Distillation Column to BTX Separation in a Naphtha Reforming Plant”. Korean J. Chem. Eng., 20 (4), 755-761.

Robert A. Meyers . “ Handbook of Petroleum Refining Processes ”. McGraw-Hill HANDBOOKS. Third edition.

James H. Gary, Glenn E. Handwerk. 2001. “Petroleum Refining technology and economics”. Fourth Edition, Marcel Dekker Inc. 303-312

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