UNIVERSIDAD NACIONAL F IQ IA

A

PEDRO RUZ GALLO

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

DESTILACIN REACTIVA

DOCENTE: ING. ENRIQUE HERNNDEZ OR ALUMNO: ALCANTARA ROJAS RANDY HEMILSON LAMBAYEQUE PER Junio del 2014

DESTILACIN REACTIVA

I. INTRODUCCION

La destilacin reactiva es un proceso en el cual ocurre simultneamente la reaccin qumica y la separacin de productos. Esta es sin duda una de las tecnologas que ms ventajas potenciales ofrece para la sntesis qumica en relacin con los procesos convencionales, donde la reaccin y la separacin se llevan a cabo secuencialmente.Una de las principales ventajas de los procesos realizados por destilacin reactiva es la eliminacin de equipos para la recuperacin de productos y para la recirculacin de reactivos no convertidos, lo que lleva a la disminucin en la inversin de capital y en costos de operacin. Como un ejemplo espectacular se tiene el caso de produccin de acetato de metilo en donde se sustituye un reactor y un tren de nueve torres de destilacin por una nica columna de destilacin reactiva, alcanzando el 100% de conversin de los reactivos.La destilacin reactiva se caracteriza tambin porque puede mejorar el grado de conversin de reactivos, la selectividad hacia productos de inters y la transferencia de masa a un punto tal que en algunos casos puede evitar el fouling del catalizador heterogneo.Al tratarse de un proceso simultneo reaccin-separacin, la destilacin-reactiva es una tecnologa usada generalmente en reacciones que se ven limitadas por el equilibrio qumico, tales como esterificacin, alquilacin, reacciones de hidrlisis de steres, entre otras. Debido a que la reconcentracin de reactivos y el retiro constante de los productos permiten que se alcance una conversin superior a la del equilibrio qumico, semejante a lo que ocurre en un reactor con recirculacin, solo que en este caso se acopla la reaccin y la separacin en un solo equipo.

Otra de las bondades que ofrece esta tecnologa es que es considerada como ambientalmente amigable o tecnologa limpia, porque su implementacin genera un menor impacto ambiental en comparacin con los procesos convencionales, como ha sido mostrado por nuestro grupo en el caso de produccin de acetato de n-butilo a partir del algoritmo WAR, la cual es una metodologa que permite determinar el potencial del impacto ambiental de un proceso qumico.Entre los procesos simultneos reaccin-separacin la destilacin reactiva es la tecnologa que ms ha sido investigada debido a las ventajas que ofrece, principalmente en las reacciones reversibles. Algunas ventajas que hasta el momento no han sido mencionadas es la significativa reduccin de catalizador para el mismo grado de conversin, los menores tiempos de residencia, la conversin de los reactantes casi al 100% que junto con el aumento en la selectividad generan una alta productividad en esta tecnologa.Las etapas de anlisis y diseo de un sistema reactivo para determinar la viabilidad operacional con el fin de realizar un proceso por destilacin reactiva se muestran a continuacin:1.Estudio de la compatibilidad de los componentes de reaccin y separacin. La reaccin debe darse en la fase lquida, para cumplir con las condiciones mnimas de la operacin de destilacin.2.Las condiciones de temperatura y presin ptimas de la reaccin deben ser compatibles con las condiciones de alta actividad del catalizador.3.Anlisis de la influencia del componente de separacin sobre la reaccin. Termodinmica topolgica y anlisis de la esttica.4.Trayectoria de operacin. Diagrama de flujo simplificado. 5. Modelamiento matemtico.6.Simulacin.7.Experimentacin fsica. Lo mnima posible

El problema bsico en el diseo de la destilacin reactiva consiste en la estimacin de la posibilidad de obtener los estados estables con mxima conversin y selectividad. La etapa principal para el diseo de una tecnologa en la produccin de sustancias orgnicas es la sntesis del diagrama de flujo ptimo que asegure la calidad del producto requerida. Para esto lo ms adecuado es partir de una metodologa que permita establecer la secuencia de sntesis de esquemas tecnolgicos de procesos realizados por destilacin reactiva.Para tal fin se destaca el anlisis de la esttica que permite determinar el esquema tecnolgico ms apropiado para procesos realizados por destilacin reactiva. Este mtodo tiene las siguientes ventajas sobre otros mtodos conocidos. Necesita pocos datos iniciales: parmetros del modelo del equilibrio fsico y qumico, y la estequiometra de la reaccin. Es aplicable a mezclas multicomponentes y multirreactivas. Es aplicable a mezclas altamente no ideales, como azeotrpicas y con solubilidad limitada. Permite seleccionar los estados estables lmites factibles. o Puede ser fcilmente formalizado como algoritmo. Reduce el tiempo computacional y simplifica laboriosos y extensos experimentos a gran escala. El mtodo ha sido utilizado satisfactoriamente en el diseo de muchos procesos industriales.El anlisis de la esttica posee un fundamento cientfico para realizar la sntesis cualitativa del esquema tecnolgico que precede al modelamiento matemtico y experimental, lo cual permite una disminucin de tiempo y capital en el diseo de los procesos realizados por destilacin reactiva.

II. FUNDAMENTO

Destilacin reactiva

Ladestilacinreactivaes una tecnologa que integra la reaccin y la separacin en un mismo equipo. Esta integracin tiene diversas ventajas potenciales, como son: Reduccin en los costos, mejoras en la conversin de los reactivos y en la selectividad de los productos, as como ahorros en el uso de energa y reactivos entre otros. Los primeros reportes datan de la dcada de 1920.Sin embargo, el mayor auge de esta tecnologa fue en la dcada de los 1980 particularmente por el xito en la aplicacin de esta tecnologa al proceso para la produccin delacetato de metilo.

El anlisis en destilacin reactiva es considerablemente ms compleja que en destilacin convencional y debido a las diferencias entre los diversos tipos de reaccin (exotrmicas, irreversibles, etc.) la generalizacin de reglas de diseo es difcil y cada sistema reactivo debe ser analizado de forma muy particular. Las principales lneas de investigacin de esta tecnologa son en el diseo, modelado, simulacin, control y anlisis de fenmenos no lineales como multiplicidad de estados y dinmica no lineal.Los procesos qumicos industriales generalmente se basan en la transformacin de materias primas en productos elaborados y dicha transformacin comnmente incluye procesos de reaccin donde bajo ciertas condiciones las materias primas (reactantes), sufren cambios en sus estructuras moleculares para convertirse en productos terminados o intermedios. Debido a que los reactantes no se consumen completamente por ciertas restricciones (p. e. el equilibrio qumico), es una prctica comn incluir unidades de separacin al proceso para alcanzar cierto grado de pureza en los productos. Las heursticas en Ingeniera Qumica indican que el proceso ms empleado en separaciones es la destilacin (Walas, 1990), por ello es frecuente que ambas operaciones de reaccin y destilacin se lleven a cabo dentro de un mismo proceso qumico. La Figura 1, presenta el diagrama de bloques convencional de un proceso qumico

Figura 1: Diagrama de bloques convencional de un proceso qumico

En los procesos qumicos convencionales, las unidades de reaccin y separacin son necesarias para producir y separar el compuesto de inters, una manera de mejorar la economa del proceso es la utilizacin de corrientes de reciclo y sistemas de integracin trmica, siempre y cuando su aplicacin sea posible (Bessling B., Schembecker G. y Simmrock K. H., 1997). Es importante destacar que el uso de corrientes de reciclo dentro de un proceso, constituye una estrategia para aumentar la conversin de los reactantes, sin embargo esto conduce a equipos ms voluminosos y mayores requisitos para transporte de fluidos, por lo tanto la implementacin de recirculaciones dentro de un proceso debe ser una decisin tomada bajo un estudio econmico.En la actualidad, la optimizacin e integracin de procesos juega un rol importante dentro de la economa de los mismos, continuas investigaciones son realizadas con el fin de reducir costos de inversin e incrementar la productividad. Estas investigaciones han propiciado el desarrollo de diversos procesos novedosos, entre los cuales est la Destilacin Reactiva (DR), la cual consiste en la integracin de procesos tan comunes como lo son la reaccin y la destilacin. La DR se puede definir como la combinacin de procesos de reaccin y separacin, los cuales se llevan a cabo en un mismo equipo.

La DR puede aplicarse a reacciones irreversibles, reacciones reversibles, sistemas de mltiples reacciones, reacciones catalticas (homogneas y heterogneas), entre otras, donde la configuracin del equipo variar segn las condiciones y tipo de reaccin. El trmino de Destilacin Reactiva aplica a todo tipo de reacciones en general, sin embargo, suele hablarse de Destilacin Cataltica, que es un caso ms especfico en donde la reaccin es catalizada por un slido, generalmente soportado en un empaque. Hoy en da, existe un gran inters industrial y acadmico en el desarrollo de sta tecnologa, debido a que presenta grandes beneficios como lo mencionan Taylor y Krishna (2000): Reduccin del costo de inversin, debido a que dos procesos importantes son llevados a cabo en una misma unidad. Tal integracin conduce a menores costos en equipos, tuberas e instrumentacin. Aumento significativo en la conversin de los reactantes, la cual se aproxima a un 100%. Este incremento trae como importante beneficio la disminucin de costo relacionado con sistemas de recirculacin y requerimiento de catalizadores. Mejora en la selectividad debido a la remocin de los productos de la mezcla de reaccin. Esto es favorable, ya que la probabilidad de que se lleven a cabo reacciones colaterales se ve notablemente disminuida. Si la DR es aplicada a reacciones exotrmicas, el calor de reaccin puede ser usado para la vaporizacin del lquido. Esto conduce a la disminucin del costo energtico, gracias a la disminucin de la carga trmica del rehervidor. La mxima temperatura en la zona reactiva est limitada por el punto de ebullicin de la mezcla de reaccin, por lo que el riesgo de la formacin de puntos calientes en el catalizador se ve reducido significativamente. Un beneficio caracterstico de la DR es la posibilidad de romper azetropos, sin embargo esto depende del sistema empleado.

Si bien la DR presenta grandes incentivos para su implementacin industrial, evidentemente sta presenta algunas desventajas y dificultades en su aplicacin. Towler y Frey (2000) enumeraron algunas de las dificultades implcitas en las aplicaciones de procesos con DR: Volatilidad de los compuestos involucrados: Los reactantes y productos deben tener volatilidades tales que se puedan mantener altas concentraciones de reactantes y bajas concentraciones de productos en la zona reactiva.

Tiempo de residencia para la reaccin: Si la reaccin posee un tiempo de residencia elevado, ser necesario una columna de DR con una zona reactiva muy grande en el caso de reacciones heterogneas, u operar con elevadas retenciones de lquido en los platos en el caso de reacciones homogneas. En estos casos, un sistema conformado por reactores y columnas de destilacin convencional representa una mejor opcin.

Escalamiento de la DR a grandes capacidades: Una dificultad que se presenta en el diseo y operacin de la DR, est relacionado con la mala distribucin de los flujos en columnas empacadas y su importante efecto en la conversin del proceso. El diseo y operacin: Resulta ser significativamente ms complejo el diseo y la operacin de DR, comparados a los equipos de destilacin convencional. La razn fundamental es que los equipos de DR cuentan con una mayor cantidad de parmetros de diseo. Modelaje y simulacin: la combinacin de reaccin y destilacin complica el fenmeno desde el punto de vista de modelaje, ya que efectos de transferencia de masa, transferencia de energa, hidrodinmica, conjuntamente con el efecto de la reaccin qumica deben ser considerados de manera simultnea. Condiciones de proceso contrarias. En algunos procesos las condiciones ptimas de operacin de temperatura y presin para la destilacin, no coinciden con las condiciones ptimas de presin y temperatura para la reaccin. A pesar de que la DR presenta un importante inters econmico, no todas las reacciones tienen las caractersticas necesarias para ser implementadas en un proceso de DR. Westerterp (1992), resumi una serie de condiciones para la posible aplicacin de DR a una reaccin: Los rangos de temperatura a los cuales se llevan a cabo la destilacin, deben coincidir con los requeridos para la reaccin.

La reaccin tiene que ser lo suficientemente rpida para que la conversin pueda ser alcanzada dentro del tiempo de residencia medio de la columna de destilacin. La DR no es viable en reacciones con efectos trmicos extremos. En el caso de ser una reaccin extremadamente exotrmica, la fase lquida vaporizar de manera ms significativa, desfavoreciendo as la controlabilidad del proceso. En el caso de reacciones extremadamente endotrmicas, ocasionar un efecto contrario y adicionalmente, desfavorecer a la reaccin desde el punto del equilibrio qumico. Tambin puede producir un efecto negativo sobre el perfil de temperaturas a lo largo de la columna (ocasionando perfiles abruptos) y una elevada carga trmica en el rehervidor. El producto deseado debe ser el ms o el menos voltil de la mezcla de reaccin. Esto para que su recuperacin pueda darse por el tope o por el fondo segn sea el caso. En el caso de reaccin empleado catalizadores slidos, la actividad del mismo debe ser prolongada, evitando as constantes paradas para la regeneracin y mantenimiento del mismo. III. USOS Y APLICACIONES DE LA DESTILACION REACTIVAEl diagrama de procesos presentado en la Figura 2, corresponde a la aplicacin de la tecnologa de DR:

Figura 2: Esquema del proceso de DR de una reaccin genrica aA + bB cC + dD

En este caso, los reactivos A y B, son alimentados a la zona reactiva de la columna de destilacin, en la cual se lleva a cabo la reaccin, donde los compuestos C y D son producidos. La zona por encima de la zona reactiva, tiene la finalidad de lograr la separacin de los compuestos A y C. La zona por debajo de la zona reactiva, tiene la finalidad de lograr la separacin de los compuestos B y D. Por el tope de la columna es obtenido principalmente el producto C y por el fondo el producto D.La aplicacin de la destilacin reactiva est condicionada por una serie de suposiciones: La reaccin debe proceder, conjuntamente con un equilibrio de fases en un mismo intervalo de presin y temperatura. Esto es as, ya que la cintica de la reaccin debe ser elevada. Las fases liquida y vapor han de estar en equilibrio en cada etapa. La fase liquida es homognea. La reaccin solo tiene lugar en la fase liquida.

En una columna de DR controlada cinticamente el equilibrio qumico no se alcanza, la generacin de productos depende de la velocidad con que la reaccin sucede, pero tambin de la cantidad de fase lquida presente en cada etapa reactiva cuando la reaccin es homognea, o de la cantidad de catalizador si la reaccin es heterognea.

El alcance de los equilibrios de fases y reaccin han de lograrse en tiempos razonables de operacin. Para el diseo de una columna de N etapas para separar C componentes se necesitan las siguientes funciones: -Balances de materia global y para cada componente (dependiendo de la zona de la torre en la que nos encontramos).

Como se puede observar en los balances de materia y energa, cuando estamos en la zona central de la torre, hay que incluir el trmino referido a la reaccin.Los principales procesos en lo que se utiliza destilacin reactiva son los siguientes: Esterificacin Transesterificacin Hidrolisis Alquiilacin Aminacin Nitracin Isomerizacin Oligomerizacin Hidrodesulfuracin de fracciones de petrleo Sntesis de MTBE

La Tabla presenta un resumen de las aplicaciones industriales ms comunes de la DR. Aplicaciones industriales de la DR.

TIPO DE REACCIONES

EJEMPLOS

Eterificacin

Produccin de MTBE a partir de metanol e isobuteno. Produccin de TAME a partir de metanol eisoamileno.

Produccin ETBE a partir de etanol y alcohol terbutlico.

Esterificacin

Produccin de Metil Acetato a partir de cido actico

y metanol.

Produccin de Butil Acetato a partir de cido actico y Butanol.

Sntesis de Vinil Acetato

Produccin de Vinil Acetato a partir de acetaldehdo y

anhdrido actico.

Transesterificacin

Produccin de Vinil acetato a partir de vinil estearato y cido actico.

Condensacin Aldlica

Produccinde2-Etilhexanalapartirden-butiraldehdo

Hidratacin/Deshidratacin

Produccin de Etilenglicol a partir de xido de etileno.

Alquilacin

Produccin de cumeno a partir de benceno y propileno.

Isomerizacin

Produccin de 1-buteno a 2-buteno

IV. CONSIDERACIONES PRCTICAS EN DESTILACIN REACTIVA

En el diseo de las columnas de DR, deben considerarse una cierta cantidad de parmetros de manera que su operacin sea eficiente. Towler y Frey (2000) han destacado algunos aspectos importantes en la implementacin de procesos de DR a nivel industrial: Instalacin, soporte y remocin del catalizador: es importante permitir una fcil instalacin y remocin del catalizador en los equipos de DR. Si el catalizador sufre desactivacin, la regeneracin es ms convenientemente realizada fuera de la columna, por lo cual se debe proveer un sistema de fcil retiro del catalizador. Adicionalmente, se debe considerar el efecto de desactivacin del mismo, el cual puede ser manejado con la incorporacin de catalizador en exceso. Contacto eficiente del lquido con las partculas del catalizador: debido a que la reaccin se lleva a cabo en la fase lquida, es indispensable tener un contacto eficiente entre la fase lquida y el catalizador. Para lograrlo, se debe cumplir bsicamente con los siguientes aspectos: a) Una buena distribucin del lquido y evitar efectos de canalizacin, esto afecta de manera importante la conversin en la columna de DR. b) Una buena dispersin radial del lquido a travs del lecho cataltico. Contacto lquido/vapor en la zona reactiva: si la reaccin es rpida y est limitada por el equilibrio, entonces el tamao de la zona reactiva est fuertemente influenciada por la efectividad de contacto entre las fases lquido y vapor. Generalmente, este aspecto no cobra relevancia en sistemas cuya velocidad de reaccin es baja. Cada de presin a travs de empaques catalticos en la zona reactiva: La necesidad de usar pequeas partculas del catalizador para evitar limitaciones por la transferencia de masa dentro de los mismos, generalmente conlleva a empaques que ofrecen altas cadas de presin. Sin embargo, esto debe ser evitado para disminuir problemas de inundacin dentro de la columna y excesivas prdidas de carga.

Retencin de lquido en la zona reactiva: debido a que la reaccin se lleva a cabo en la fase lquida, la retencin juega un papel importante dentro de la conversin y la selectividad del proceso, por ello el diseo de la columna debe tomar en cuenta el tiempo de residencia medio de la fase lquida de manera tal de cumplir la conversin de la reaccin. Esto contrasta con las prcticas de destilacin convencional, en donde la retencin de lquido y su tiempo de residencia medio generalmente tiene un efecto despreciable en la transferencia de masa, ya que la fase vapor es quien comnmente controla el fenmeno.

V. Diagrama

VI. BIBLIOGRAFIA

Robert E Treybal. OPERACIONES CON TRANSFERENCIA DE MASA. Segunda edicin. Editorial Mc Graw Hill. Mxico (1980).

Warren L. Mc Cabe, Julin C. Smith, Peter Harriot. OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERA QUMICA. Cuarta edicin. Editorial Mc Graw Hill. Espaa (1991).

Clifford A. Hampel, Gessner G. Hawley. DICCIONARIO DE QUMICA. Editorial Grijalbo S.A., segunda edicin.Barcelona (1986).

R. Taylor, R. Krishna. Modelling reactive distillation. Chemical Engineering Science 55 (2000) 5183 5229.

Tuchlenski, A; Beckmann, A. Y col. Reactive distillation-industrial applications, process design & scale-up. Chem. Eng. Sci, 387-394 (2001).

VII. LINCOGRAFIA

http://oa.upm.es/426/1/05200521.pdf

http://webs.uvigo.es/prosepav/Abstract/libro.pdf

http://operaciones-unitarias 1.wikispaces.com/Tipos+de+Destilacion