PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ACRÍLICO DISEÑO DE LA SECCIÓN DE REACCIÓN DE UN PROCESO DE OBTENCIÓN DE ÁCIDO ACRÍLICO BASADO EN LA PATENTE US 8193387 B2 RESUMEN DEL TRABAJO DE FIN DE GRADO AUTORA: PATRICIA ALVARADO FALCÓN TUTORES: ANTONIO NIZARDO BENÍTEZ VEGA ANTONIO VERA CASTELLANO UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Y CIVILES GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA DICIEMBRE 2015
RESUMEN DEL TRABAJO FIN DE GRADO El objetivo del Trabajo Fin de Grado (TFG) que se presenta se centra en el diseño de las etapas de preparación y reacción del proceso de producción de ácido acrílico según la patente US 8193387 B2. La sección de proceso que comprende estas etapas debe procesar 20 000 t/a de propano (imperativo de diseño). La primera parte del TFG cubre los aspectos relativos a la descripción del proceso, mientras que la segunda cubre el diseño con sus correspondientes cálculos. El ácido acrílico es el ácido carboxílico insaturado más sencillo. Sus sales y ésteres se conocen como acrilatos. Industrialmente este ácido se obtiene por oxidación catalítica del propileno o propeno (compuesto que se obtiene como resultado del craqueo y reformado de las fracciones ligeras del petróleo) o por hidrólisis de la acroleína. En los últimos años y como consecuencia de la extensión en el mundo de la técnica del proceso de fractura hidráulica (fracking), que permite la extracción de gas natural de yacimientos no convencionales, se han incrementado los estudios enfocados al empleo de propano como materia prima para la producción de ácido acrílico. La mayoría de estos estudios se han enfocado en buscar una alta conversión por paso de propano a fin de reducir o eliminar la necesidad de reciclar el que no ha reaccionado. La concentración de propano en la alimentación se mantiene baja debido a la necesidad de más oxígeno para lograr una alta conversión, añadiéndose agua y diluyentes inertes para incrementar la selectividad. A alta conversión, la selectividad a ácido acrílico no es suficiente para que el rendimiento industrial sea satisfactorio. Se logra una alta selectividad reduciendo la conversión por paso de propano, pero en este caso la productividad del catalizador (kg de producto/m 3 catalizador h) es demasiado baja para obtener un rendimiento industrial satisfactorio. En 2012 se publicó una patente (US 8193387 B2) que conlleva una oxidación en fase vapor de un alcano (como puede ser el isobutano o el propano) para producir ácidos
carboxílicos insaturados, (como es el caso del ácido acrílico), utilizando un catalizador de óxido metálico mixto y un exceso del alcano con respecto al oxígeno. Dicha patente presenta una solución factible a los problemas antes expuestos haciéndolo satisfactorio desde el punto de vista de rendimiento industrial. La reacción de oxidación de propano es difícil de llevar a cabo, ya que se requiere un catalizador efectivo que sea capaz de realizar los siguientes pasos: 1. Activar el propano, rompiendo un enlace C-H el cual es muy estable. 2. Insertar oxígenos de forma selectiva para que no se produzcan productos no deseados. 3. Bloquear la ruptura del enlace C-C para que no se formen CO x. 4. Favorecer la desorción del ácido acrílico para que no siga oxidándose ya que es muy reactivo. Dependiendo del catalizador utilizado se pueden obtener selectividades a ácido acrílico de hasta el 81%, para lo cual las conversiones deben ser bajas. La temperatura de reacción más adecuada oscila entre los 380 y 430 o C. A estas temperaturas los catalizadores con los que se obtienen mejores resultados son los óxidos metálicos mixtos (OMM). El proceso de producción de ácido acrílico a partir de propano consta de tres secciones: - Sección de mezcla. - Sección del reactor. - Sección de purificación. COMPRESOR RECIRCULACIÓN PURGA SEPARACIÓN RESIDUOS PRODUCTOS ALIMENTACIÓN REACTOR
Sección de mezcla: la primera operación que se lleva a cabo es el pretratamiento/acondicionamiento de las materias primas. Nuestras materias primas son el propano y el oxígeno. Se requiere gran cantidad de oxígeno concentrado por lo que se ha optado por comprarlo. El oxígeno suministrado posee una pureza del 99,9% (se considera del 100%). No se ha tomado oxígeno del aire debido a que el aire contiene nitrógeno el cual es un inerte, y necesitamos elevadas concentraciones de O 2. Por otro lado, el propano se adquiere a una pureza del 99,9% (se considera del 100%). Ambos reactivos se encuentran en tanques de almacenamiento una vez recepcionados. El oxígeno se hace pasar a través de una turbina (T-101) a fin de disminuir su presión y acondicionarlo a su entrada al reactor. La electricidad generada por el trabajo de expansión realizado en la turbina puede emplearse para satisfacer parte de la demanda del compresor (C-101). A continuación, se hace pasar este oxígeno por un intercambiador de calor (HX-101) que eleva su temperatura. La reacción es muy exotérmica por lo que requiere que los reactivos sean previamente sobrecalentados. Simultáneamente, el propano pasa a través de una válvula (V-101) para llegar hasta un intercambiador de calor (HX-102) y elevar, también, su temperatura. Una corriente recirculada de la sección del reactor (corriente S-113) se hace pasar a través de un compresor (C-101) a fin de aumentar su presión. El O 2 (corriente S-102), el propano (corriente S-104) y el recirculado procedente del reactor (corriente S-115) formado por propano, algo de ácido acrílico y algunos subproductos (dióxido de carbono, ácido acético y agua) se unen (M-101) antes de su envío a la sección del reactor. Sección del reactor: En esta sección se encuentra el reactor de lecho fijo donde se produce la oxidación catalítica del propano para obtener el ácido acrílico. Tal como se ha indicado, al ser exotérmica la reacción de oxidación, los reactivos deben precalentarse antes de ser introducidos en el reactor a una temperatura que favorezca el proceso de la reacción (400 o C aproximadamente). Para el calentamiento de la corriente de entrada al reactor (corriente S-105) se utiliza la corriente de salida del reactor (corriente S-107) en un intercambiador de calor
(HX-203). Una vez la temperatura alcanzada es la adecuada, pasan al reactor (corriente S- 106). Al reactor entra oxígeno y propano (además de algo de ácido acrílico y subproductos) los cuales, con ayuda de un catalizador del tipo MMO, reaccionan generando nuestro producto y subproductos. Una vez la corriente de salida del reactor se ha enfriado en el intercambiador de calor HX-203, pasa por otro intercambiador de calor en el que se disminuye aún más su temperatura (corriente S-109). A continuación, la corriente pasa a un destilador flash (F-201) donde gran parte del ácido acrílico es separado y derivado a la sección de purificación en estado líquido (corriente S-112). El vapor es recirculado a la sección de mezcla (corriente S-113) y una pequeña parte es purgada del proceso. Sección de purificación: El proceso concluye con un tren de destilación para lograr la pureza del ácido. Esta última etapa del proceso no se ha estudiado en el presente TFG. Una vez se ha estudiado el proceso, se pasa al diseño. Para ello, se han realizado previamente los correspondientes balances de materia y energía. En el diseño se ha prestado atención tanto a los equipos principales (reactor, destilador flash, compresor, turbina) como auxiliares (intercambiadores de calor, tanques de almacenamiento). Se presenta, asimismo, el análisis del índice DOW de incendio y explosión del reactor. Se obtuvo un índice de riesgo intenso con un radio de exposición de 36,50 m. Por último, para implantar cualquier tipo de proceso se requiere conocer su coste económico, por ello, en este TFG se ha realizado el cálculo de la estimación de coste de operación que requieren las secciones del proceso estudiadas.