simulaciÓn de procesos quÍmicos btx

Álvaro Martínez Valiente

Ana Nieto Prado

Sandra Rodrigo Villanueva

Jesús Ruiz del Moral Banegas

SEPARACIÓN DE BTX

Simulación de Procesos Químicos Separación BTX

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ÍNDICE

Página

1. Introducción……………………………………….….……..2

2. Objetivos…………………………………………….……….3

3. Base de cálculo……………………………………….……..4

4. Descripción del proceso y diagrama de flujo…….………...5

5. Simulación……………………………..……………………6

5.1 Aspen………………………...………………………….6

5.2 Hysys…………………………………………………….7

6. Comparación de resultados………………………………...9

7. Mejoras y recomendaciones………………………………..10

8. Bibliografía…………………………………………………10


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1. INTRODUCCIÓN

Lo que en la industria petroquímica se conoce como hidrocarburos aromáticos, bajo

la denominación de fracción BTX, es un conjunto de moléculas que podríamos

considerar como derivados básicos de benceno y formado por benceno, tolueno, orto-

xileno, meta-xileno, para-xileno y etil-benceno.

Las mayores fuentes de obtención de BTX son: gasolinas del reformado catalítico,

gasolina de pirólisis provenientes de craqueo térmico y catalítico (FCC), subproductos

de la coquización del carbón y gasolina de platforming.

Actualmente, la petroquímica basada en naftas de petróleo aporta más del 96% de la

producción mundial de BTX.

Generalmente los BTX van acompañados de una fracción de no aromáticos, la cual hay

que separar de la fracción de BTX, los métodos de separación son los siguientes:

Destilación extractiva: en esta operación se utiliza un disolvente de aromáticos

no polar para evitar la formación de dos fases líquidas. Los principales solventes

extractores utilizados en la industria son anilina, furfural, nitrobenceno, fenol.

Alguno de los procesos basados en la destilación extractiva son el proceso Lurgi

y Toray.

Destilación azeotrópica: debido a que los compuestos aromáticos y los no

aromáticos pueden formar azeótropo, uno de los métodos de separación es la

destilación azeotrópica. En este caso se usa un disolvente polar, para aumentar la

volatilidad de los compuestos no aromáticos.

Extracción líquido-líquido: Esta es con mucha diferencia la técnica de

separación más extendida.

Una vez que los aromáticos han sido separados, se procede a su fraccionamiento en los

distintos componentes, benceno, tolueno, xilenos y C8 +. Para llevar a cabo la separación

recurrimos a una destilación basada en los distintos puntos de ebullición de cada uno de

los componentes.

Compuesto Temperatura (ºC)

Benceno 80

Tolueno 110

o-Xileno 145

m-Xileno 139

p-Xileno 138

Etilbenceno 136

Mientras que el benceno y el tolueno se separan con facilidad, los xilenos son

prácticamente inseparables debido a la proximidad de su punto de ebullición.

Tabla 1. Puntos de ebullición


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2. OBJETIVOS

El proceso de destilación consta de tres columnas, en la primera columna el objetivo

es separar el benceno del resto de aromáticos.

Las fracciones de destilado a obtener en la primera columna serán:

Componente Fracción molar

Benceno >99%

Tolueno <0,01%

o-Xileno Traza

m-Xileno Traza

p-Xileno Traza

Etilbenceno Traza

En la segunda columna el objetivo es la recuperación de tolueno, las fracciones de

destilado a obtener en la segunda columna son las siguientes:


Benceno <0,01%

Tolueno >99%

o-Xileno Traza

m-Xileno Traza

p-Xileno Traza

Etilbenceno Traza

La última columna de destilación tiene como misión separar los Xilenos de los

componentes C8+.


Benceno Traza

Tolueno Traza

o-Xileno >20%

m-Xileno >50%

p-Xileno >22%

Etilbenceno <6%

Otros de los objetivos son la optimización de las condiciones del proceso y la

introducción de mejoras.

Tabla 2. Objetivos columna 1

Tabla 3. Objetivos columna 2

Tabla 4.Objetivos columna 3


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3. BASE DE CÁLCULO

La corriente de aromáticos que se va a tratar en la planta tiene las siguientes

condiciones iniciales:

Temperatura (ºC) 80

Presión (bar) 2

Caudal molar de los componentes (Kmol/h)

Benceno 87,85

Dimetilciclopentano 0,0124

Metilciclohexano 0,0075

Tolueno 338,1

n-Octano 0,049

Etilbenceno 14,975

o-Xileno 60,16

m-Xileno 128,55

p-Xileno 57,798

n-nonano 0,0057

n-pentilbenceno 0,33

Metiletilbenceno 26,01

Trimetilbenceno 75,95

o-Cumeno 4,12

Tetrametilbenceno 4,75

Pentametilbenceno 2,2389

Tabla 4. Base de cálculo


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4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y DIAGRAMA DE FLUJO

En la figura1, se representa la disposición general de cada una de las unidades

del proceso para la separación de BTX.

En el primer equipo se trata de una columna de rectificación, que denominaremos BZ-

COLUM, ya que su función es la separación por cabeza de benceno, y por fondo se

obtiene el resto de los componentes.

La segunda columna, llamada TL-COLUM, se alimenta de la corriente de fondo de la

anterior columna (BZ-COLUM) y se lleva a cabo la separación por cabeza de tolueno,

por fondo de columna el resto de componentes.

En la tercera columna, denominada XY-COLUM, es alimentada por la corriente de

fondo de TL-COLUM, obteniéndose como producto por la corriente de cabeza xilenos,

y por fondo se obtiene el resto de componentes que no fueron separados en las

anteriores columnas.

Figura 1. Diagrama de Aspen


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5. SIMULACIÓN

5.1. Aspen

Una vez diseñado las columnas y corrientes de nuestra planta, incluimos todos

los componentes de la corriente que vamos a tratar y elegimos el paquete

termodinámico para la resolución de la simulación, en este caso Peng-Robinson.

A continuación, se introduce la temperatura, presión y los diferentes caudales de todos

los componentes, para la corriente de alimento de nuestra planta.

Después, pasamos a la simulación de la primera columna de rectificación (BZ-

COLUM). Se introduce en número de pisos (66), seleccionamos el condensador total,

caudal de destilado (86,97 kmol/h) y caudal de reflujo (571,2 kmol/h). Luego, se

introduce en número de piso de alimento (33) y perfil de presiones de la columna

(cabeza de columna 2 bar, fondo de columna 3 bar). Para el resto de columna

realizaremos lo mismo, cambiando los datos, los cuales se muestras en la tabla1:

Nº

pisos

Condensador Caudal

destilado

(Kmol/h)

Caudal

reflujo

(Kmol/h)

Entrada

alimento

PCabeza Pfondo

BZ-COLUM 66 Total 86,97 571,2 33 2 3

TL-COLUM 50 Total 339 896,8 25 2 3

XY-COLUM 48 Total 261 357,5 24 2 3

Tabla 5. Variables de cada columna


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Los resultados de la simulación en Aspen se recogen en la siguiente tabla:

5.2. Hysys

Resolvemos la simulación del proceso para la separación de BTX también en

Hysys.

Figura 2. Diagrama de Hysys.

Tabla 6. Resultados Aspen


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Los resultados que se obtienen tras la simulación de Hysys se encuentran en la siguiente

tabla:

Tabla 7. Resultados Hysys


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6. COMPARACIÓN DE RESULTADOS ENTRE ASPEN Y HYSYS

Los resultados obtenidos para la simulación con Aspen y Hysys son muy

parecidos, pero se observa que en Hysys se obtiene mayor caudal de destilado de

bencenos, toluenos y xilenos.

Caudal molar destilado (Kmol/h) Alimento Aspen Hysys

Benceno 87,85 86,96 86,97

Tolueno 338,1 337,75 338

o-Xileno 60,16 54,509 55,33

m-Xileno 128,55 127,017 127,21

p-Xileno 57,798 57,17 57,23

La separación en general es buena en ambos simuladores, aunque existe una pequeña

diferencia entre el o-xileno y todos los demás, que se obtienen con mayor pureza. Esto

se debe a que en el destilado de la tercera columna, junto con los xilenos, también hay

una fracción de etilbenceno que hace que la pureza de los xilenos quede reducida.

Tabla 8.Comparación entre Aspen y Hysys


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7. RECOMENDACIONES Y MEJORAS

Una de las mejoras que se podrían aplicar al proceso, viene relacionada con

obtener un mayor porcentaje de benceno, ya que es el hidrocarburo aromático más

valioso. La mejora consiste en producir benceno a partir de la corriente obtenida de

tolueno. Existen dos procesos:

Proceso de dealquilación: se basa en producir benceno y metano a partir de

tolueno, este proceso puede hacerse mediante vía térmica o catalítica

obteniéndose con este último una mayor selectividad. Algunos de los procesos

industriales son los de Mitsubishi, Gulf y Exxon.

Proceso de desproporcionación: se basa en producir benceno y p-xileno a partir

de tolueno, este proceso mejora al anterior ya que es preferible la obtención del

p-xileno a la de metano, debido a que el p-xileno tiene un creciente interés en la

actualidad.

Otra de las mejoras que puede introducirse en el proceso está relacionada con la

separación de los isómeros de xileno obtenidos en la última columna. Esta separación

puede realizarse mediante un proceso de cristalización o bien mediante una adsorción

(proceso PAREX).

Además puede aumentarse la producción de p-xileno mediante isomerización de m-

xileno u otros. Existen tres tipos de isomerización, diferenciadas por el catalizador

empleado y por las condiciones de operación:

Isomerización hidrocatalítica con catalizadores de Pt/Al2O3.SiO2 en presencia de

hidrógeno.

Isomerización en condiciones de craqueo sobre Al2O3.SiO2.

Isomerización por Friedel-Crafts en fase líquida con HF.F3B.

También se puede obtener p-xileno a partir de etilbenceno según una reacción de

octafinación mediante el proceso Atlantic/Engelhard, que consiste en una previa

hidrogenación de etilbenceno para dar etilciclohexano, el cual es isomerizado

posteriormente para obtener una mezcla de o-, m- y p-xileno.


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8. BIBLIOGRAFÍA

Young Han Kim, Dae Woong Choi, Kyu-Suk Hwang. 2003. “Industrial Application of an

Extended Fully Thermally Coupled Distillation Column

to BTX Separation in a Naphtha Reforming Plant”. Korean J. Chem. Eng., 20 (4), 755-761.

Robert A. Meyers. “Handbook of Petroleum Refining Processes”. McGraw-Hill

HANDBOOKS. Third edition.

James H. Gary, Glenn E. Handwerk. 2001. “Petroleum Refining technology and economics”.

Fourth Edition, Marcel Dekker Inc. 303-312

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