Simulación mediante ASPEN PLUS de un proceso de destilación reactiva para la producción de MTBE Cristina Prieto, Lourdes Calvo Dpto. Ingeniería Química Universidad Complutense de Madrid
Presentación y objetivo Este problema pertenece a uno de los seminarios de la asignatura Ampliación de Operaciones de Separación que se imparte en el segundo cuatrimestre de 4º curso del grado de Ingeniería Química. Durante la asignatura se estudian operaciones de destilación avanzada, extracción supercrítica, operaciones con membranas, liofilización y otras operaciones de secado. Dentro de las operaciones de destilación avanzada se estudia la destilación reactiva. El objetivo de este seminario es la simulación con ASPEN PLUS de la producción y purificación de MTBE mediante destilación reactiva. Desde el punto de vista didáctico se pretende esclarecer la operación de destilación reactiva, así como los parámetros básicos del proceso mediante la simulación de un ejemplo. 2
Introducción Rectificación Reacción Stripping Destilación reactiva: Proceso de destilación acompañado de reacción química. 3
Introducción 4
Introducción Aplicaciones: Separación de una mezcla de punto de ebullición próximo o una mezcla azeotrópica. Evitar la aparición de reacciones indeseadas durante la destilación. Combinar reacción química y separación por destilación dentro de un mismo aparato. Cuándo la destilación reactiva es una alternativa? La reacción química ocurre en fase líquida. El rango de presiones y temperaturas coinciden en reacción y destilación. La reacción está limitado por el equilibrio. 5
Introducción 6
Introducción Ventajas: Simplificación o eliminación de las secuencias de separación. Mejora de la conversión. Mejora en la selectividad. Reducción de la cantidad de catalizador requerido. Reducción en la formación de azeótropos. Reducción de las reacciones secundarias. Reducción en la formación de puntos calientes y caminos preferentes. Integración energética. Desventajas: Restricciones de volatilidad. Tiempo de residencia requerido para la reacción. Escalado. 7
El MTBE (metil tert-butil éter) es un componente de la gasolina sin plomo cuya función es aumentar el número de octanos. Producción y purificación de MTBE mediante destilación reactiva 8
Producción y purificación de MTBE mediante destilación reactiva Metanol 215,5 mol/s Plato 10 320 K 11 bar Columna de destilación 15 platos de equilibrio V/L Condensador total Reboiler parcial R=7 B=197 mol/s P=11 bar Mezcla de butenos 195,44 mol/s de isobuteno 353,56 mol/s de n-buteno Plato 11 350 K 11 bar Reacción: Fase líquida T=[40-100] C Platos= [4-11] Catalizador: resina de intercambio iónico fuertemente ácida (4,9 eq/kg) 204,1 kg de catalizador por plato 9
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Modelo riguroso para simular operaciones de fraccionamiento L/V. Sistemas multifásicos. Sistemas cuya fase líquida es fuertemente no ideal. Sistemas con presencia de reacción química. 10
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Components Metanol Isobuteno 1-buteno MTBE Data Browser >Properties UNIQ-RK Data Browser > Properties > Parameters > Binary interaction > UNIQ-1 11
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Streams >Feed 12
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Streams > Metanol 13
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 15 equilibrio L/V + condensador + caldera 14
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 15
Métodos Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 16
Métodos Data Browser > Reactions > Reactions > R-1 > REACT-DIST > New 17
Métodos Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 > Reactions 204,1 kg/plato 8 platos 4,9 eq/kg= 8000 eq En reacciones catalíticas heterogéneas se asume que es seudo-homogénea. Por tratarse de una resina de intercambio iónico su característica principal es el peso equivalente. 18
Resultado de la simulación. Resultados y discusión Reactivo limitante: isobuteno 10% en exceso de metanol 96 % de conversión 95% de pureza Results Summary 19
Resultados y discusión Results Summary > Blocks > B1 > Profiles > Plot > Plot Wizard > Next > Comp > Next > > Liquid > Next > Finish Results Summary > Blocks > B1 > Profiles > Reactions > Plot 20
Resultados y discusión Principales parámetros de la destilación reactiva: Flujo de reactivos Flujo de destilado y colas Flujo de vapor Relación de reflujo Número de platos de stripping Número de platos de reacción Número de platos de rectificación Plato de entrada de las corrientes de alimentación Hold-up en los platos de reacción Presión Composición del producto 21
Resultados y discusión Hold-up (cantidad de catalizador) en los platos de reacción. Plato de entrada de las corrientes de alimentación. Reacción controlada por el equilibrio. Datos termodinámicos. 22
Resultados y discusión Hold-up líquido en los platos de reacción. Hold up = 0 equivalente Hold up = 1 equivalente Hold up = 8000 equivalentes < 95% 96% 23
Resultados y discusión Plato de entrada de la corriente de metanol Sección de reacción 24
Resultados y discusión Reacción de equilibrio Conversión = 99,9% 25
Datos termodinámicos Resultados y discusión Uniquac para los coeficientes de actividad de la fase líquida Redlich-Kwong para estimar las fugacidades de la fase vapor Parámetros de interacción binaria experimentales introducidos por el usuario 26
Conclusiones El solapamiento de la reacción y la separación dificultan el cálculo de estas columnas. Simuladores como ASPEN PLUS, facilitan el entendimiento y diseño del proceso. 27
Referencias [1] Seader J.D., Henley E.J., Separation Process Principles. John Wiley & Sons, (2006), Cap. 11. [2] Luyben W.L., Yu C.C., Reactive Distillation Design and Control. John Wiley & Sons, (2008). [3] Rehfinger A., Hoffmann U. Kinetics of methyl tertiary butyl ether liquid phase synthesis catalyzed by ion exchange resin I. Intrinsic rate expression in liquid phase activities. Chem. Eng. Sci. 45 (1990)1605-1617. [4] Taylor R., Krishna R., Modelling reactive distillation. Chem. Eng. Sci. 55 (2000) 5183-5229. 28
Simulación mediante ASPEN PLUS de un proceso de destilación reactiva para la producción de MTBE Cristina Prieto, Lourdes Calvo Dpto. Ingeniería Química Universidad Complutense de Madrid