simulación mediante aspen plus de un proceso de destilación

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

2 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• 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.

Introducción

• Destilación reactiva: Proceso de destilación acompañado de

reacción química.

Rectificación

3 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Stripping

Reacción

Introducción

4 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Introducción

5 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• 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.

Introducción

6 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Introducción

7 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• 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.

Producción y purificación de MTBE

mediante destilación reactiva

• El MTBE (metil tert-butil

éter) es un componente

de la gasolina sin

plomo cuya función es

aumentar el número de octanos.

II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 8

Producción y purificación de MTBE

mediante destilación reactiva

9 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

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

Metanol 215,5 mol/s

Plato 10

320 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

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

10 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

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.

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

11 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Components

Metanol

Isobuteno

1-buteno

MTBE

Data Browser >Properties

UNIQ-RK

Data Browser > Properties >

Parameters > Binary interaction >

UNIQ-1

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

12 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Streams >Feed

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

13 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Streams > Metanol

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

14 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1

15 equilibrio L/V

+

condensador

+

caldera

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

15 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1

Métodos

– Simulación en ASPEN PLUS.

16 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1

Métodos

17 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Data Browser > Reactions > Reactions > R-1 > REACT-DIST > New

Métodos

18 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 > Reactions

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.

204,1 kg/plato · 8 platos · 4,9 eq/kg= 8000 eq

Resultados y discusión

– Resultado de la simulación.

19 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Results Summary

Reactivo limitante: isobuteno 10% en exceso de metanol

96 % de conversión 95% de pureza

Resultados y discusión

20 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Results Summary > Blocks > B1 >

Profiles > Plot > Plot Wizard >

Next > Comp > Next > > Liquid

> Next > Finish

Results Summary > Blocks > B1 >

Profiles > Reactions > Plot

21 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• 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

Resultados y discusión

Resultados y discusión

22 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• 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.

Resultados y discusión

– Hold-up líquido en los

platos de reacción.

23 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Hold up = 1 equivalente Hold up = 8000 equivalentes

Hold up = 0 equivalente

< 95% 96%

Resultados y discusión

– Plato de entrada de la corriente de metanol

24 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Sección de reacción

Resultados y discusión

– Reacción de equilibrio

25 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

Conversión = 99,9%

Resultados y discusión

– Datos termodinámicos

26 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

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

Conclusiones

27 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• 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.

Referencias

28 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química

• [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.

Simulación mediante ASPEN PLUS de un

proceso de destilación reactiva para la

producción de MTBE

Cristina Prieto, Lourdes Calvo

Dpto. Ingeniería Química

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