Simulación mediante ASPEN PLUS de un proceso de

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.
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Introducción
Rectificación
Reacción
Stripping
• Destilación reactiva: Proceso de destilación acompañado de
reacción química.
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Introducción
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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.
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Introducción
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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Métodos
– Simulación en ASPEN PLUS.
Columna de RADFRAC
Data Browser > Streams >Feed
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Métodos
– Simulación en ASPEN PLUS.
Columna de RADFRAC
Data Browser > Streams > Metanol
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Métodos
– Simulación en ASPEN PLUS.
Columna de RADFRAC
Data Browser > Blocks > B1
15 equilibrio L/V
+
condensador
+
caldera
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Métodos
– Simulación en ASPEN PLUS.
Columna de RADFRAC
Data Browser > Blocks > B1
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Métodos
– Simulación en ASPEN PLUS.
Columna de RADFRAC
Data Browser > Blocks > B1
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Métodos
Data Browser > Reactions > Reactions > R-1 > REACT-DIST > New
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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
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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
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Resultados y discusión
Results Summary > Blocks > B1 >
Profiles > Plot > Plot Wizard >
Next > Comp > Next >
> Liquid
> Next > Finish
Results Summary > Blocks > B1 >
Profiles > Reactions > Plot
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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
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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.
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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%
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Resultados y discusión
– Plato de entrada de la corriente de metanol
Sección de reacción
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Resultados y discusión
– Reacción de equilibrio
Conversión = 99,9%
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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
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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.
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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.
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