Unidad de reacción para la síntesis de n-butanol a partir de etanol comercial. Resumen del Trabajo Fin de Grado

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Inmaculada Alvarado Vargas
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1 Unidad de reacción para la síntesis de n-butanol a partir de etanol comercial. Resumen del Trabajo Fin de Grado Autor: David Noel Castellanos Alemán Tutores: Antonio Nizardo Benítez Vega y Antonio José Vera Castellano 08/06/2016

2 Introducción El n-butanol es un alcohol de fórmula CH3-(CH2)2-OH, que se cataloga dentro de los productos orgánicos como un alcohol de cuatro carbonos con un grupo alcohol. Se utiliza principalmente como un producto intermedio en la fabricación de productos químicos industriales. Sus aplicaciones incluyen: la producción de acetato de butilo, acrilato de butilo, éteres de glicol, resinas y plastificantes. También se utiliza directamente como disolvente, tales como disolventes de pintura, recubrimientos, textiles y fluidos hidráulicos. Objetivo Debido al interés que supone el n-butanol en la industria actual, se propone desde el siguiente Trabajo Fin de Grado una planta para la síntesis de este producto en condiciones de seguridad, por medio de la Reacción de Guerbet y a partir del etanol comercial como alcohol menor de partida. La Reacción de Guerbet es una reacción orgánica que consiste en convertir alcoholes alifáticos primarios en su alcohol dímero β-alquilado con una pérdida de un equivalente de agua. Esta reacción fue analizada por el profesor Takashi Tsuchida en un estudio detallado con la utilización de catalizador HAP no estequiométrica, obteniéndose resultados favorables. Por lo tanto se realizó el cálculo y diseño de un proceso que sintetice n-butanol a partir de etanol utilizando un reactor catalítico de lecho fijo con HAP no estequiométrica como catalizador. Pág. 1

3 Unidad Propuesta La instalación que se ha diseñado es la sección de una planta industrial que pretende sintetizar n-butanol a partir de etanol. Se busca satisfacer la demanda de más de 14 millones de litros de n-butanol al año, y se estiman consumir 105 millones de litros de Etanol al año en una planta que pretende operar 350 días al año, 24 horas al día y con 15 días de mantenimiento al año. Esta instalación consumirá una energía de 150 GW-h/año con una potencia instalada de 17,48 MW, distribuidos en 380 kilovatios de energía eléctrica y el resto en combustibles convencionales. El proceso consistirá, principalmente, en la preparación de los reactivos, la transformación de estos mediante la Reacción de Guerbet dentro de dicho dispositivo y finalmente la separación de los productos para su posterior comercialización. Diagrama de bloques. El diagrama de bloques es el mejor instrumento para explicar los procesos que tienen lugar dentro de la planta. En el diagrama de bloques de la Fig. 1 se explica el proceso que tiene lugar a lo largo de la instalación: la entrada de los reactivos, su acondicionamiento, la reacción y la separación de los productos. En una etapa inicial, a la entrada de la planta, el acondicionamiento de las materias primas se produce mediante la preparación de la concentración para adecuarla a los requisitos propios del reactor. Seguidamente se produce un aumento de la presión mediante la correspondiente bomba de alta presión. El proceso termina con una subida de la temperatura hasta la de operación del reactor. En la etapa intermedia los reactivos, previamente acondicionados, entran al reactor en las condiciones precisas para que tenga lugar la reacción en su interior. Esta se produce a medida que los reactivos entran en íntimo contacto con el catalizador a lo largo del lecho y, finalmente, se obtiene una mezcla producto a la salida del equipo en función de las características del mismo. Pág. 2

4 Para terminar los procesos que tienen lugar dentro de la unidad de reacción, los productos obtenidos en el reactor deben ser acondicionados para que sirvan como productos o subproductos de industrias derivadas. Este proceso tiene lugar en tres subetapas: la primera, recuperar la energía en forma de calor que poseen los productos; la segunda, realizar la separación de los productos del disolvente principal (agua en su mayor parte); y la última, realizar una separación por destilación del n-butanol y el etanol, que será recirculado para ser aprovechado en el principio del proceso. Img. 1 - Diagrama de bloques Relación final de equipos RELACIÓN FINAL DE EQUIPOS Equipo Descripción M-100 Tanque agitado de palas P-100 Grupo de presión E-100 Intercambiador de calor de tubo carcasa. E-101 Intercambiador de calor de tubo carcasa. R-100 Reactor catalítico de lecho fijo. VLV-100 Válvula reductora-sostenedora de presión PVR-100 Pervaporador de membranas de goma de silicona. T-100 Columna de platos perforados. Tab. 1 - Relación final de equipos de la unidad de reacción. Pág. 3

5 Cálculos Los cálculos realizados para describir la cinética de la reacción fueron cálculos iterativos del sistema de ecuaciones diferenciales de dicha transformación. Con respecto a los equipos, los cálculos se centraron en aquellos que definen las dimensiones principales. También han sido calculados otros parámetros importantes de funcionamiento como la pérdida de carga o la potencia. Planos Para el desarrollo de este proyecto, se han realizado cinco planos: 1. Diagrama de flujo. 2. Reactor de lecho fijo. 3. Intercambiador de recuperación. 4. Intercambiador de acondicionamiento. 5. Torre de platos perforados. Resumen económico básico. Para la puesta en marcha y funcionamiento de la instalación se ha hecho un estudio económico básico que ha comprendido la estimación de los costes iniciales para la solicitud de la pertinente financiación. Seguidamente, se han realizado los cálculos de los costes de funcionamiento de la instalación, considerando el pago y la amortización de dicho capital inicial. Y, finalmente, se han estimado unos beneficios productivos en función de dichos costes de producción, para establecer un flujo de caja que garantice la rentabilidad de la industria. El resumen de esta información se recoge en la Tab. 6 y los cálculos realizados en la memoria de cálculos pertinentes. Pág. 4

6 RESUMEN ECONÓMICO C O N C E P T O IMPORTE [M ] Presupuesto de puesta en marcha 1,99 Capital financiado 2,19 Coste de financiación 0,19 Totalización de costes de producción -25,16 Beneficios productivos 26,15 Flujo de caja +0,98 Tab. 2 - Cuadro resumen económico de la puesta en marcha y funcionamiento de la instalación. Las Palmas de Gran Canaria, a 9 de Junio de Alumno: Tutor 1: Tutor 2: Pág. 5

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