producción mtbe

7/25/2019 Produccin MTBE

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SIMULACIN, DIMENSIONAMIENTO Y EVALUACION FINANCIERA DE UNAPLANTA QUIMICA PARA LA PRODUCCION DE METIL TER-BUTIL TER

Bernal, C*. Cr!ena", #*. $%l%a&a, #*.

*Universidad Pontificia Bolivariana, Cir. 1 #70-01, of. 11-259,

Medelln, Colo!ia.**"acltad de $n%eniera &ica

'esen( En ste trabajo se muestra el desarrollo de una simulacin, dimensionamiento y diseo deuna planta qumica para la produccin de Metil ter-butil ter empleando herramientascomputacionales como el Microsoft Excel, dnde se emplea el paquete termodinmico!"#$%%!&$"' y %ysys , donde se emplea el paquete termodinmico &$"', comoherramientas para la simulacin de las diferentes operaciones unitarias que se lle(an a cabo en elproceso de produccin) 'os resultados obtenidos fueron comparados entre s y con el reporte desimulacin de *est !ir+inia ni(ersity, esto con el fin de conocer las diferentes des(iaciones quecontiene cada uno de las herramientas para la simulacin) partir de las simulaciones se reali.tambin un dimensionamiento de los equipos de la planta qumica y finalmente un anlisis de costos

para e(aluar la rentabilidad y la posibilidad de lle(ar a cabo el montaje de la planta de produccin)Pala!ras clave( Metil tert-!ti )ter, Metanol, 'eactor PB', orres de destilaci+n, orre dea!sorci+n, Conversi+n, Mecla de Btilenos, iensionaiento, asa interna de retorno, iseo

de /roceso.

!stract("his /or0 presents the de(elopment of a simulation, desi+n and si.in+ of a chemical plantthat produces Methyl ter-butil ether, usin+ computational tools for the simulation of the differentoperation units li0e Microsoft Excel, in /hich the thermodynamic pac0a+e used /as!"#$%%!&$"', and %ysys in /hich the thermodunamic pac0a+e used /as &$"') "he resultsthat /ere obtained in both simulations /as compared /ith the report of the simulation +i(en by the*est !ir+inia ni(ersity, this in order to obtain the different de(iations that each simulation toolpresent) sin+ the results of the simulations a si.in+ of each of the units of the production plant /as

calculated and finally a costs analysis /as made in order to e(aluate the plant1s profitability and theposibility of implementin+ the chemical production plant)e 3ords(Met4l ter-!til et4er, Met4anol, PB' 'eactor, istillation to3ers, !sor/tion to3er,

Conversion, Btlene itre, 6iin%, $nternal rate of retrn, Process desi%n.

'. INTRODUCCIN

El Metil ter-butil ter 2M"3E4 es uncompuesto or+nico de +ran importancia en laindustria petrolera, debido a que ste seemplea como sustituto de #lomo tetraetilo yas aumentar el ndice de 5ctano en esta,

fa(oreciendo la eficiencia del motor)

El M"3E se empe. a utili.ar en 6787 parareducir las emisiones de escape de los(ehculos, buscando una combustincompleta de la +asolina) Esto se debe a que elM"3E lo+ra disminuir los compuestosaromticos y el a.ufre expulsado al ambiente,mejorando la oxidacin en el proceso de

combustin) 'a baja tendencia a formarexplosi(os y su alto punto de ebullicin hacenque ste compuesto ten+a mayores (entajascomo disol(ente que el resto de los teres)

'a produccin de M"3E posee como factorcla(e la relacin entre el Metanol y el i-

3utileno, adems de que la reaccin escatali.ada) Es por esto que la optimi.acindel proceso de produccin mediante laseleccin de catali.adores es un campo deestudio bastante amplio)9e han reali.ado estudios con catali.adoresde :eolita y resinas de intercambio inico,dnde los resultados muestran que loscatali.adores tipo .eolita no tienen


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limitaciones con respecto a difusiones encondiciones especficas de operacin) 9e haencontrado que el catali.ador h.sm-;2.eolita4 y la mberlita xn-6


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'os equipos y procesos que continAan una(e. ocurrida la reaccin sonB

#rimero una torre de destilacin 2"-7


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lareaccin podra ocurrir en sentidocontrario)

En la torre "-7G aportado por *! 2(er nexo64, la herramienta computacional permitesimplemente especificar al+unas propiedades

de entrada y salida para resol(er por completoel proceso)

9e emplearon como paquetes termodinmicosel &$"' para las dos torres de destilacin yel reactor) I se us #en+ $obinson confunciones de 9oa(e para los compuestos enfase (apor) 'as funciones de 9oa(e seutili.aron porque en las torres de absorcinhay que tener en cuenta el contacto liquido(apor para fa(orecer la recuperacin demetanol)

#ara la torre de absorcin se quiso determinarel flujo de sol(ente necesario para recuperarel 7D=de metanol, mientras que para la "orrede destilacin "-7


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2.5.1. Ecuaciones de estado

empleadas por West

ir!inia "ni#ersity

$W"%

#9$H E59 para el clculo de

coeficientes de fu+acidad en losprocesos de separacin)

Modelo de Jas @deal para la fase(apor en la torre de absorcin)

9$H E59 para el clculo depropiedades ener+ticas en las .onasde separacin, reaccin y pre-tratamiento de la materia prima)


empleadas en Microsoft

Excel

!"#$%%!&$"' para el clculo depropiedades ener+ticas ydistribucin de fases a tra(s de todoel proceso)


empleadas en Hysys

&on $andom "/o 'iquids 2&$"'4

Modelo de acti(idad en la faseliquida para el clculo de coeficientesde acti(idad y fu+acidad en lasdiferentes .onas de proceso)

#en+-$obinson 9tryje0-!era 2#$9!4)E59 para el clculo de propiedadesener+ticas y distribucin de fase(apor en las diferentes .onas delproceso

). EVALUACIN DE LA PLANTA

DE PRODUCCIN#ara la e(aluacin de la planta de produccinal finali.ar la simulacin se reali. unproceso de dimensionamiento para losequipos empleados en la planta de producciny lue+o un anlisis de costos)

continuacin se mostraran los resultados dedimensionamiento y anlisis de costos de laplanta de produccin)

3.1. &imensionamiento de los

equipos de proceso

'a simulacin es una herramienta utili.adapara la e(aluacin de desempeo yKo paraproblemas de dimensionamiento 2%enao,C


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'as bombas empleadas en el procesocorresponden a tres bombas centrifu+as y unabomba reciprocante 2#-794$ L>9$2m4 C)C6'$2m4 6D)C

&t 8FL

3.2.'n(lisis de costos

En cuanto a los resultados presentadospor el anlisis financiero, a continuacinse presentan una serie de tablas queresumen los costos en +eneral delproyecto y el (alor obtenido de la tasainterna de retorno para un periodo de 6Caos) 'os equipos de proceso que serequieren comprar, la cantidad de0ilo+ramos por ao que se necesitan delas diferentes sustancias y la cantidad deproducto obtenido son la base paracostear el proyecto 2!er nexo 4)

Tala 9:?ostos de compra de equiposEquipos ?ostos 2O4

3ombas#-7


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fisicoqumicas y termodinmicas de lasme.clas de compuestos que circulan, o han decircular, entre los distintos equipos de laplanta, en todas las condiciones decomposicin, presin y temperatura quepuedan lle+arse a (erificar en la operacin de

la misma) Es por esto, que la adecuadaseleccin de modelos predicti(os, re+lasheursticas de diseo y ecuaciones de estadoque describan el comportamiento del fluido,es indispensable si se desea reali.ar clculosprecisos de diseo y simulacin de la plantasen operacin)

?abe resaltar, que una eleccin incorrecta delmtodo de prediccin de propiedades comoecuaciones de estado y modelos de acti(idad,implicara que los resultados obtenidos en la

simulacin y diseo de los equiposin(olucrados en el proceso, tendrn muy pocacorrespondencia con la realidad y lasdimensiones requeridas para alcan.ar losobjeti(os operati(os del proceso)

"eniendo en cuenta, que las me.clas a lolar+o del proceso de produccin en las .onasde separacin, reaccin y pre tratamiento, son+obernadas por un exceso de metanol2sustancia polar4 y en +ran proporcin seencuentran en fase liquida, se debe describir

el comportamiento de la fase liquidautili.ando modelos de acti(idad 2me.cla desustancias polares y no polares4 y en el casode la fase (apor, una ecuacin de estado quesea (lida para el ran+o de temperatura ypresin operati(a de los equipos de proceso)

#ara la reaccin trabajada de produccin deM"3E en fase lquida y catali.ada en un #3$a partir de los reacti(os metanol e isobuteno,se obser( que es necesaria lle(arse a cabo aaltas presiones debido a que se debe e(itar el

cambio de fase del fluido reaccionante, estacondicin es necesaria para que la cinticapropuesta sea (lida) #or otra parte elmetanol debe estar en exceso en todo instantede reaccin para mejorar la produccin yobtener mejores con(ersiones de isobuteno)#ara el caso de simulacin propuesto en excelse consider que el fluido no presentabacambio de fase durante todo su recorrido en

el reactor#ara esta simulacin, se obtu(o unacon(ersin del isobutileno del 7


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separaciones se dan por los modelos deecuaciones usados para cada simulacin)

#osterior a la separacin del M"3E, serecupera el metanol en una torre de absorcinpara ser lle(ado a una torre de destilacin y

posteriormente ser recirculado) 'a separacinen la torre de absorcin se reali. en ; etapasrelati(as de separacin) En el modelo deExcel la recuperacin del metanol fue un 7D=aproximadamente a una lon+itud de columnade L)7m y un dimetro de 6)6Lm) 'arecuperacin en la simulacin por %I9I9fue de 7D=) En cuanto al modelo presentadopor la *!, se present que la recuperacinfue del 7D)6= a una lon+itud de 8)Dm ydimetro de C)7m) 'o anterior muestra que elmodelo de simulacin por %I9I9 presenta

la mayor de las recuperaciones, pero elmodelo para esta simulacin no es adecuado,pues en un absorbedor '-!, la mayora de lasinteracciones no son del tipo '-' las cualesson modeladas adecuadamente por el modelode acti(idad propuesto por %I9I9) 5tropunto importante es la separacindesarrollada por la *!, en la cual se simulque el +as en el absorbedor se modelo comoun Jas ideal, lo cual no es una aproximacinprecisa) #ero cuando se obser( la simulacinpor Excel, el modelo de ecuaciones de estado

trabajado es adecuado para las interaccionesentra las fases de los fluidos dentro de latorre, por lo tanto este modelo es msconfiable) #or parte de las dimensiones, seobser( que las re+las empleadas paradimensionar la torre por Excel, presentaronunas dimensiones adecuadas ycorrespondientes a los objeti(os deseparacin impuestos para la operacin)

#or Altimo respecto a la recuperacin final demetanol para ser recirculado al proceso, se

procedi a in+resarlo a una torre dedestilacin) En la simulacin por Excel, larecuperacin del metanol fue del 77)7= a unalon+itud de torre de CL)76m y C)67Fm dedimetro con CC etapas de separacin) En lasimulacin por %I9I9, la separacin fue de77)7= y con ; etapas de separacin) Encuanto a la simulacin de la *!, larecuperacin del metanol fue del 77)7= a una

lon+itud de CLm y un dimetro de C)Lm conC etapas de separacin) 'os anterioresresultados demuestran que la simulacin porExcel a pesar de presentar una recuperacinun tanto menor que la propuesta por lasimulacin de la *!, la dimensin del

equipo es mucho ms rentable y precisa,debido a que se requiere una torre deseparacin de casi la mitad del tamao enExcel, para lo+rar una separacinaproximada)En cuanto a los intercambiadores de calor, seobser( que las reas de cada intercambiadorfueron totalmente distintas, debido a que alusar un coeficiente de intercambio de calordistinto para cada caso y de equipo, al i+ualque al tener corrientes de proceso condistintas ma+nitud de flujo, el calor necesario

para cada operacin (ara si+nificati(amente)#or otra parte en la referencia se tu(o encuenta las resistencias por la transferencia decada .ona, al i+ual que por incrustaciones, lascuales en Excel fueron despreciables en sumayora) #or lo tanto la estimacin de lasreas de intercambio no son confiable enExcel) dicionalmente para la dimensin delos equipos de acondicionamiento detemperatura, todos al simularse comointercambiadores de cora.a y tubos con 6paso por cora.a y C pasos por lo tubos, las

reas de intercambio pueden lle+ar a (ariasrespecto a la referencia si+nificati(amente)En cuanto a las bombas se obser( que loreportado por la referencia y por el modelo deExcel no presenta (ariaciones si+nificati(as)

En cuanto a los resultados presentados por elanlisis financiero se encuentra que en 6Caos no se recuperar la in(ersin de capitaldebido al (alor ne+ati(o de la !#& y alto(alor de la "@$)

9. CONCLUSIONES

'os modelos de ecuaciones de estado yacti(idad utili.ados para la simulacinson esenciales debido a que de estosdepende como se estiman lasinteracciones en cada fase y en cada


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equipo, y de estas depende como sedimensiona y como son los rendimientosde la operacin)

'as dimensiones propuestas por cada

simulacin estn li+adas entre el modelode simulacin y las ecuaciones propiasque especifican cada equipo,adicionalmente el dimensionamiento delos equipos depende de la heursticautili.ada para su dimensionamiento) #orlo tanto los modelos de simulacin sonrelati(os respecto al dimensionamiento ypueden lle(ar errores para estimar eltamao del equipo y sus objeti(osoperacionales)

'a simulacin por %ysys present mejoresresultados de simulacin y con unaconfiabilidad superior, debido a que en esta seconsideraron a fondo las interacciones entrelas fases presentes en el proceso, y lassuposiciones reali.adas para este fueronaproximadas dentro de los ran+os detemperatura y presin trabajados) #ero estemodelo present cierta incertidumbre encuanto a los dimensionamientos de losequipos)

9e puede concluir que el proyecto no estotalmente rentable, y la simulacin arroj(alores muy cercanos a los que se encuentranen la produccin real de M"3E)

;. BIBLIO?RAF@A

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E"E$-2-M"3E4

'aboratorio de Qumica 3ior+nica, Escuelade Qumica, ni(ersidad de ?osta $ica2Cocumentacin de lmitesde Exposicin#rofesional) ?onsultado (a/eb el D< a+osto de CocumentacionK'E#=C


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ANEO ': PFD PROCESO DE PRODUCCIN

ANEO (: RESULTADOS FUENTE DE CONSULTAC+rr3en1e ' ( ) 8 9 ; = ' '' '( ') '8 '9 '; '=

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