simulación mediante aspen plus de un proceso de destilación
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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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