mejora de los catalizadores de la reacción de...
TRANSCRIPT
PROYECTO FINAL DE CARRERA
INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL
Mejora de los catalizadores de la reacción
de Acetaldehído a Acetato de Etilo
de la planta de Acetato de Etilo
César Valero Carruesco08 de septiembre de 2003
Director: D. Pedro Garcés
INFORMACIÓ CONFIDENCIAL
Aquest projecte conté informació confidencial que no ha estat publicada, per obtenirmés informació adreçar-se a:
Pedro Garcés MiguelTeléfon: 977 559 628Fax: 977 559 605E-mail: mailto:[email protected]
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 2 de 29
ÍNDICE DE LA MEMORIA
1. Introducción 1
2. Objetivo 2
3. justificación y necesidades 4
4. Antecedentes 8
4.1 Antecedentes históricos 8
4.2 Antecedentes del proceso 10
5. Descripción del proceso 11
5.1 Proceso de fabricación del Acetato de Etilo 11
5.2 Preparación del catalizador 12
6. Recogida y análisis de datos 14
6.1 Concentración de etanol 15
6.2 Desprendimiento de hidrógeno 18
6.3 Adición de cloro 20
6.4 Días de maduración 21
6.5 Comprobación 23
7. Estrategia de control propuesta 29
8. Condiciones técnicas y alcance del suministro 42
9. Justificación económica 45
9.1 Ahorro en materias primas 45
9.2 Aumento de cuota de mercado por mejor calidad
del producto final 46
9.3 Acetato de Etilo para Etrol ‘B’ 47
9.4 Liberación de fondos del impuesto de aduanas 48
10. Conclusiones 50
11. Referencias bibliográficas 52
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 3 de 29
ÍNDICE DE LOS ANEXOS
Anexo 1: Descripción del proceso de fabricación del Acetato de Etilo 53
Anexo 2: Descripción del proceso de preparación de catalizador 57
Anexo 3: Lógica de la preparación del catalizador 59
Anexo 4: Datos empíricos del proceso de condensación de
Acetaldehído a Acetato de Etilo 63
Anexo 5: Datos empíricos del proceso de preparación del
Alcóxido de Aluminio 85
Anexo 6: Descripción del SAM: Sistema de Acondicionamiento
de la Muestra 106
Anexo 7: Programa del PLC SIEMENS S7 de la preparación
De catalizador 107
Anexo 8: Pantalla de control que visualiza el controlador de
Proceso 155
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 4 de 29
ÍNDICE DE LOS PLANOS
Plano P0-1: Sistema de control antiguo de los reactores de catalizador
Plano P0-2: Nuevo sistema de control de los reactores de catalizador
Lista de instrumentos de los reactores de catalizador D-101 A/B
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 5 de 29
Mejora de los catalizadores de la reacción de Acetaldehído
a Acetato de Etilo de la planta de Acetato de Etilo.
1. Introducción
El proceso de fabricación del Acetato de Etilo de la planta de Ercros Industrial,
S.A. en la fábrica de Tarragona se basa en la condensación del Acetaldehído en
presencia de un Alcóxido de Aluminio que actúa como catalizador.
Esta reacción de condensación del Acetaldehído en Acetato de Etilo, en presencia
de un Alcóxido de Aluminio, fue descubierta por el químico Tischtschenko en el
año 1906, Anexo 1.
Como se muestra en la memoria que sigue a continuación, la actividad del
catalizador de la reacción de Tischtschenko es fundamental para el rendimiento
del proceso de fabricación del Acetato de Etilo.
Tal es la importancia de la actividad del catalizador, que es la que limita la
capacidad de producción de la planta, la calidad del producto final obtenido, y el
rendimiento del proceso. Así pues, la importancia de la actividad del catalizador
en el proceso de fabricación del Acetato de Etilo es vital, porque el catalizador es
el recuso escaso .
Hay que destacar que la preparación del catalizador en la planta, se realiza en
reactores agitados tipo mezcla perfecta en proceso batch: tienen un inicio y un
final definidos en el tiempo.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 6 de 29
2. Objetivo
Dado que el catalizador es el recurso escaso en el proceso de fabricación del
Acetato de Etilo, porque la actividad de éste limita la capacidad de producción de
la planta. El objeto de este trabajo es determinar qué variables y/o parámetros de
la reacción de preparación del catalizador de la reacción de Tischtschenko son
significativos y relacionados directamente con la actividad del catalizador.
Se entiende por actividad, cuánta materia prima (acetaldehído) se puede
reaccionar con una cantidad de catalizador constante. En este caso, la actividad se
define como:
rCatalizadooreaccionadAldehído
Actividad
=
De esta forma, controlando las variables en la preparación del catalizador que
maximizan la actividad de éste en la reacción de condensación del Acetaldehído a
Acetato de Etilo, se conseguirá mejorar los siguientes tres aspectos del proceso de
fabricación del Acetato de Etilo:
Ø Ampliar capacidad de producción de la planta sin realizar inversión en
equipos. Financieramente, esta ampliación es muy rentable porque una
cantidad de inmovilizado constante, ya amortizado, aumenta su valor
para la empresa.
CosteFunción
Valor =
Ø Aumento del rendimiento del proceso con la respectiva disminución de
los costes variables de explotación, con el consecuente aumento de
margen de contribución del Acetato de Etilo.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 7 de 29
Ø Mejor pureza del producto final obtenido, por tanto, ventaja
competitiva en el mercado del Acetato de Etilo con un potencial de
aumento de cota de mercado muy importante.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 8 de 29
3. Justificación y necesidades
La actividad del catalizador de Tischstchenko actúa directamente sobre:
Ø Rendimiento del proceso. El aporte de catalizador a la reacción de
condensación del Acetaldehído a Acetato de Etilo es la entrada de residuos
en el proceso de fabricación del Acetato de Etilo. Estos residuo son los que
después habrá que eliminar del proceso en posteriores etapas de separación
y rectificación.
Ello se traduce en un menor consumo de energía específica en la etapa de
separación, e igualmente, un menor consumo específico de materias
primas en la preparación del catalizador.
Ø Todo ello repercute directamente sobre los costes variables de explotación.
Ø Calidad del producto final. Cuanto menos catalizador, impurezas, mayor
facilidad de separación y rectificación, por tanto, mayor facilidad de
obtener producto de mayor pureza. Esta mejora de la pureza o
aseguramiento de la calidad se traduce en una ventaja competitiva, que
repercute directamente en los costes variables de explotación, y sobretodo
en un aumento de cuota de mercado con el correspondiente aumento de la
contribución dl Acetato de Etilo a la Cuenta de Resultados.
Por todo ello, es muy importante primero poder averiguar que variables del
proceso de preparación del catalizador de Tischstchenko son las importantes para
controlar y así obtener actividades elevadas. Y una vez conocidas, implementar el
control que permita preparar catalizadores de actividad elevada que se repitan en
el tiempo.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 9 de 29
De esta forma se conseguirá conocer la limitación del proceso de producción antes
de consumir un catalizador determinado, y así programar la producción futura de
la planta con mucha mayor seguridad de lo que se venía haciendo hasta ahora
Por todo ello, es muy importante controlar las variables relevantes y
predeterminar la actividad de un catalizador:
rCatalizadooreaccionadAldehído
Actividad
=
Donde el objetivo es maximizar este ratio para el buen funcionamiento de la
planta.
Como se ha comentado, el recurso escaso del proceso es el catalizador, ya que no
hay límite de suministro de materia prima, y los equipos de la planta permiten
mayor capacidad de producción, excepto los reactores de preparación de
catalizador.
Los reactores de preparación de catalizador operan en batch y tienen un volumen
de producción limitado en un tiempo de operación limitado, por lo tanto, el
consumo de catalizador en la reacción Aldehído a Acetato de Etilo jamás podrá
ser superior a la capacidad de producción del catalizador.
Este límite técnico en el consumo del catalizador fija una actividad mínima.
Funcionar por debajo de esta capacidad rompería las existencias de Catalizador.
Así pues, la necesidad de poder obtener catalizadores con actividades es vital para
mantener la producción nominal de la planta.
Se puede apreciar que para un aporte de catalizador constante ‘x’, el aumento de la
actividad del catalizador de u a v representa un aumento de capacidad de la
producción de la planta sin invertir en equipos de mayor volumen. Además, las
impurezas que se introducen al proceso a través del catalizador se diluyen y por
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 10 de 29
tanto las corrientes de purga de eliminación de las impurezas del proceso se
pueden reducir, repercutiendo directamente en los costes variables de explotación.
De igual forma, se reduce el coste de las materias primas de preparación de
catalizador.
Las ventajas y/o beneficios que representa este aumento en la actividad de los
catalizadores son las siguientes:
Ø Por un lado se reduce el stock de materiales en curso.
Ø Reducción de la entrada de impurezas que repercuten en el coste de la
energía de separación, básicamente vapor.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 11 de 29
4. Antecedentes
4.1 Antecedentes históricos
La planta inicial de Acetato de Etilo estaba ubicada en Guardo (Palencia) en la
fábrica de ERT (Explosivos Río Tinto), buque insignia de la compañía en la
división de carboquímica a nivel nacional desde la postguerra hasta la década de
los 70, en que con el desarrollo de la petroquímica, y sus costes de explotación
más baratos, desbancaron la carboquímica hasta acabar cerrando la fábrica de
Guardo.
Por este motivo, en el año 1974 se decide trasladar la producción de Acetato de
Etilo de la fábrica de Guardo a la nueva fábrica que ERT estaba construyendo en
Tarragona, nuevo centro de trabajo insignia de la compañía.
Aunque la planta de Tarragona presentaba importantes mejoras con respecto a la
de Guardo, ambas plantas sufrían del mismo defecto: el proceso de fabricación era
originario de Hoechst (compañía alemana) fruto de los convenios de colaboración
entre Alemania y España tras la Guerra Civil y posteriores participaciones de
empresas españolas en las inversiones extranjeras en España en las décadas del
desarrollo industrial, años 60 y 70.
A partir de ese momento, y hasta la actualidad, se ha tenido que aprender el know-
how, ideando un proceso de mejora empírica en base a los datos históricos del
proceso. Este proceso de reaprendizaje se ha basado mucho en el conocimiento
del personal de operación que permanece en la planta desde la puesta en marcha
de la planta, proporcionando información y puntos de vista vitales para fijar el
punto de partida de la generación de conocimiento del proceso.
También hay que tener en cuenta que el proceso de Tischtschenko es un proceso
mucho más antiguo que los actuales, como por ejemplo el de transesterificación
del Ácido Acético. Tischtschenko descubrió el proceso de condensación del
aldehído para producir Acetato de Etilo con Etilato de Aluminio en el año 1906, y
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 12 de 29
la primera empresa que lo trasladó a escala industrial fue el Consortium für
Elecktrochemische Industrie
Esto implica pocas referencias de investigación sobre este proceso, encontrando
tan solo artículos en países del Este por devoción a su compatriota, mientras que
todas las referencias actuales tratan sobre el proceso de transesterificación del
Ácido Acético con Etanol.
Fruto de este proceso de mejora empírico, se muestran en este trabajo los datos
concluyentes a los que se han llegado después de dos años.
4.2 Antecedentes del proceso
Debido a todos los antecedentes históricos que se acaban de exponer sobre el
proceso de fabricación del Acetato de Etilo, en concreto en la reacción, se han
venido observando episodios de muy baja actividad de la reacción obligando a
bajar la producción de la planta.
La baja actividad de la reacción puede ser debida a varias circunstancias:
Ø Acetaldehído con impurezas.
Ø Catalizador de baja actividad.
Ø Contaminación de la reacción por perforaciones de los equipos de
refrigeración de la reacción.
Aunque esta última alternativa se puede descartar porque su detección no ofrece
dudas al respecto, no se puede decir lo mismo de las otras dos posibilidades.
No obstante, aunque las impurezas del Aldehído afectan directamente en la
actividad del catalizador, son parámetros que no son controlables en el proceso de
Acetato de Etilo y dependen de la calidad del suministro. Por tanto, este trabajo
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 13 de 29
sólo se va a centrar en proceso de fabricación del catalizador suponiendo un
Aldehído materia prima con especificación de calidad estándar.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 14 de 29
5. Descripción del proceso
5.1 Proceso de fabricación del Acetato de Etilo
El acetato de etilo se fabrica a partir de la reacción de condensación del
acetaldehído en presencia de un catalizador de Alcóxido de Aluminio.
(kJ/kg) Q Etilo de Acetato1 Aldehido +⇔2
La reacción tiene lugar en una serie de reactores tipo mezcla perfecta refrigerados
con salmuera en proceso continuo. La refrigeración es fundamental para desplazar
la reacción de equilibrio termodinámicamente hacia la producción de acetato de
etilo. La refrigeración de la reacción es un factor muy importante en la conversión
de la reacción.
Después de la etapa de reacción se obtiene una corriente de acetato de etilo junto
con acetaldehído sin reaccionar e impurezas introducidas con el catalizador.
El líquido evaporado: acetato de etilo, acetaldehído no reaccionado y pesados, es
alimentado a la etapa de destilación.
En la etapa de destilación se purifica el Acetato de Etilo eliminando por
rectificación las impurezas ligeras, acetaldehído no reaccionado, y las impurezas
pesadas para obtener al final un acetato de etilo producto final con una pureza del
99,9% y una concentración en etanol ≤ 0,04%.
Más detalles sobre el proceso se exponen en el anexo 1.
5.2 Preparación de catalizador
El catalizador de la condensación de acetaldehído a acetato de etilo consiste en un
alcóxido de aluminio producto de la reacción, anexo 2:
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 15 de 29
QHROAlOHRAl +↑+−→−+ 23 5,1)(3
La preparación de este catalizador se realiza en reactores tipo mezcla perfecta
según proceso batch.
El proceso se controla manteniendo un desprendimiento de hidrógeno constante.
La reacción mantiene una temperatura constante durante toda su operación.
La estrategia de control inicial implementada por la ingeniería que desarrolló el
proceso es la que se muestra en el volumen de planos.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 16 de 29
6. Recogida y análisis de los datos
En el Anexo 2 de este estudio se presenta el esquema de preparación de los
catalizadores como ayuda para el mejor seguimiento de las variables y
operaciones presentadas en este apartado.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 17 de 29
7. Estrategia de control propuesta
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 18 de 29
8. Condiciones técnicas y alcance del suministro
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 19 de 29
9. Justificación económica
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 20 de 29
10 Conclusiones
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 21 de 29
11 Referencias bibliográficas
Ø “Estudio de la cinética del proceso de formación de etialacetato a partir
del acetaldehído”. G.G. Arbuzova, I.N. Azerbaev, R.D. Jakubov, G.A.
Shitov.
(Temirtau, Fábrica de caucho sintético “XXIII Congreso del PCUS” de
Karaganda, condecorada con la orden del Trabajo de la Bandera Roja). Marzo,
1970.
Ø “Artículo sobre la caracterización del catalizador de Alcóxido de
Aluminio utilizado en la síntesis del Acetato de Etilo a partir del
Acetaldehído”. Detlef Ulrich y Harry Jankowski, KDT.
Comunicación del combinado VEB de la Industria Química BUNA, Dirección
de Investigación y Desarrollo. Septiembre, 1988.
Ø “Algunas particularidades del Etóxido de Aluminio como catalizador en
la reacción de Tishchenko”. Ivan Ginev, Ljubomir Filipov, Rumen
Tärkalanov. Instituto Químico-tecnológico Superior de Sofía. Vladimir
Dimitrov. Instituto de Química Orgánica de la Academia Búlgara de Ciencias.
Octubre, 1977.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 22 de 29
Anexo 1: Descripción del proceso de fabricación del Acetato de
Etilo.
El proceso de fabricación del Acetato de Etilo de la planta de Ercros Industrial,
S.A. en Tarragona se basa en la condensación del Acetaldehído a Acetato de Etilo
en presencia de un catalizador del Alcóxido de Aluminio. Esta reacción fue
descubierta por Tischstchenko en el año 1906.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 23 de 29
Anexo 2: Descripción del proceso de preparación del catalizador.
El catalizador de Tischstchenko (1906), Alcóxido de Aluminio, se prepara en
reactores agitados mezcla perfecta (CSTR) y en un proceso batch, con un inicio y
un final definidos en el tiempo.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 24 de 29
Anexo 3: Lógica de la preparación del catalizador
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 25 de 29
Anexo 4: Datos empíricos del proceso de condensación de
Acetaldehído a Acetato de Etilo.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 26 de 29
Anexo 5: Datos empíricos del proceso de preparación del Alcóxido
de Aluminio.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 27 de 29
Anexo 6: Descripción del SAM: Sistema de Acondicionamiento de la
Muestra
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 28 de 29
Anexo 7: Programa del PLC SIEMENS S7 de la preparación de
catalizador.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.
Estudio de mejora de los catalizadores de la reacción de Acetato de Etilo
César Valero Proyecto final de carrera de Ing. Automática Página 29 de 29
Anexo 8: Pantalla de control que visualiza el controlador del
proceso.
Por motivos de confidencialidad de la información que se detalla en este apartado
no se puede hacer pública.