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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 2 Introducción Rectificación Reacción Stripping • Destilación reactiva: Proceso de destilación acompañado de reacción química. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 3 Introducción II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 5 Introducción II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 7 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 Metanol 215,5 mol/s Plato 10 320 K 11 bar Mezcla de butenos 195,44 mol/s de isobuteno 353,56 mol/s de n-buteno Plato 11 350 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 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 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería 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 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 11 Métodos – Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Streams >Feed II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 12 Métodos – Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Streams > Metanol II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 13 Métodos – Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 15 equilibrio L/V + condensador + caldera II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 14 Métodos – Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 15 Métodos – Simulación en ASPEN PLUS. Columna de RADFRAC Data Browser > Blocks > B1 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 16 Métodos Data Browser > Reactions > Reactions > R-1 > REACT-DIST > New II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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 18 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química peso equivalente. Resultados y discusión – Resultado de la simulación. Reactivo limitante: isobuteno 10% en exceso de metanol 96 % de conversión 95% de pureza Results Summary II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 22 Resultados y discusión – Hold-up líquido en los platos de reacción. Hold up = 0 equivalente Hold up = 1 equivalente < 95% Hold up = 8000 equivalentes 96% II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 23 Resultados y discusión – Plato de entrada de la corriente de metanol Sección de reacción II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 24 Resultados y discusión – Reacción de equilibrio Conversión = 99,9% II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 25 Resultados y discusión – Datos termodinámicos 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 II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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. II Congreso de Innovación Docente en Ingeniería Química 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