86420600 Produccion de Acetato de Metilo

DISEO Y SIMULACION DE UNA PLANTA DE PRODUCCION DE ACETATO DE

METILO A PARTIR DE ACIDO ACTICO Y METANOL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MANIZALES

Ingeniera de Procesos II

Profesores:

lvaro Gmez Pea

Carlos Ariel Cardona

PAOLA YULIANA TRUJILLO PAZ (304044)

Junio de 2011.

2

Contenido

1. GENERALIDADES: .................................................................................................................. 4

1.1 Fabricacin y uso de acetato de metilo: .................................................................................... 4

1.2 Precauciones y Toxicidad: ........................................................................................................ 4

1.2.1 Datos fsico-qumicos bsicos: ............................................................................................... 4

2. ANALISIS TERMODINAMICO: .................................................................................................. 5

2.1 Caracterizacin De La Mezcla A Separar ..................................................................................... 8

3. ESTRUCTURAS ENTRADA SALIDA: ...................................................................................... 11

3.1 Estructura Entrada Salida Global: ........................................................................................... 11

3.1.1. Alternativa 1 de Estructura Entrada Salida con Reciclo. ................................................. 11



4. ESTRUCTURAS REACCION SEPARACION: .......................................................................... 13

4.1 Opcin 1: ................................................................................................................................. 13

4.1.1 Escogencia del Reactor: ................................................................................................... 13

4.1.2 Estructura de separacin: ................................................................................................. 13

4.1.3 Simulacin ........................................................................................................................ 14

4.1.4 Balances de materia, especificaciones de flujos y equipos en Aspen Plus.................... 14

4.1.4 Anlisis de Sensibilidad: .................................................................................................. 16

4.1.5 Integracin energtica: ..................................................................................................... 17

4.2 Opcin 2: ................................................................................................................................. 21

4.2.2 Simulacin ........................................................................................................................ 23

4.2.3 Anlisis de sensibilidad: ................................................................................................... 24

4.2.4 Integracin energtica: ..................................................................................................... 25

5. COMPARACION IMPACTO AMBIENTAL .............................................................................. 28

6. CONCLUSION: ............................................................................................................................ 29

7. BIBLIOGRAFIA: ......................................................................................................................... 29

4

1. GENERALIDADES:

1.1 Fabricacin y uso de acetato de metilo:

Acetato de metilo es un lquido inflamable con un olor no desagradable parecido al de ciertas colas

o quitaesmalte de uas. Sus caractersticas son muy similares al del acetato de etilo.

El acetato de metilo de alta pureza es usado, en grandes cantidades, como intermediario en la

manufactura de gran variedad de polisteres, como base para pelculas fotogrficas, como materia

prima para la produccin de acetato de celulosa, plsticos de celulosa, filtros de cigarrillo y,

principalmente, en la produccin de solventes, colorantes y otros productos anlogos.1

1.2 Precauciones y Toxicidad:

Acetato de metilo

Incendio: Altamente inflamable.

Explosin: Las mezclas vapor/aire son explosivas.

Exposicin:

*Inhalacin Puede causar tos, pesadez, dolor de cabeza, dolor de garganta, vmitos y prdida de

conocimiento (Sntomas de efectos no inmediatos).

*Ingestin Puede provocar dolor abdominal, pesadez, nusea, vmitos y debilidad.

*Contacto con la piel Puede producir piel seca, enrojecimiento y aspereza.

*Contacto con los ojos Puede causar enrojecimiento, dolor y visin borrosa.

1.2.1 Datos fsico-qumicos bsicos:

Acetato de metilo:

Aspecto Lquido incoloro Olor Caracterstico

Punto/intervalo de ebullicin a 101,3 kPa: 57 C Punto de inflamacin: 13C

Lmite inferior de explosividad, % vol. 3,1 Lmite superior de explosividad, % vol. 16

Presin de vapor a 20 C, hPa (mbar) 217 Densidad relativa del lquido (agua=1) 0,93

Solubilidad en agua a 20 C, g/100ml 24,4 Densidad relativa de vapor (aire=1) 2,6

Densidad relativa de la mezcla vapor/aire 1,3 a

20C (aire=1)

Punto/intervalo de fusin, 98 C

Temperatura de ignicin espontnea, 455C Frmula molecular CH3COOCH3

Peso molecular 74,1 Temperatura crtica (K): 506.8

Presin crtica (atm): 46,3

1 http://www.ellaboratorio.co.cc/documentos/iq/acetato_metilo2.pdf

5

Estabilidad y reactividad

Por evaporacin de esta sustancia a 20C se puede alcanzar muy rpidamente una concentracin

nociva en el aire.

El vapor es ms denso que el aire y puede extenderse a ras del suelo; posible ignicin en punto

distante, y puede acumularse en los lugares excavados produciendo una deficiencia de oxgeno.

Ignicin en punto distante, y puede acumularse en los lugares excavados produciendo una

deficiencia de oxgeno.2

Acido Actico:

Frmula molecular CH3COOH1 Propiedades fsicas

Densidad (g/cm3): 1.0492 ndice de refraccin: 1.3716

Masa molar 60.05 g/mol Punto de fusin 290 K (16,85 C)

Punto de ebullicin 391,2 K (118,05 C) Acidez (pKa) 4,76

Momento dipolar 1,74 D Temperatura crtica (K): 594,4


Metanol:

Frmula molecular CH4O Densidad 791,8 kg/m3; 0.7918 g/cm3

Masa molar 32,04 g/mol Punto de fusin 176 K (-97,16 C)

Punto de ebullicin 337,8 K (64,7 C) Viscosidad 0,59 mPas a 20 C.

Acidez (pKa) ~ 15,5 Solubilidad en agua totalmente miscible.

Momento dipolar 1,69 D Temperatura crtica (K): 512,6


Agua:

Formula molecular: Densidad (g/cm3): 0,9999

ndice de refraccin: 1.333 Masa molar 60.05 g/mol

Punto de fusin 0 C Punto de ebullicin 100 C

Temperatura crtica (K): 647,3 Presin crtica (atm): 217,6

2. ANALISIS TERMODINAMICO:

Por medio del anlisis termodinmico se puede predecir los rangos de las condiciones de operacin

de la reaccin de esterificacin para la produccin de Acetato de Metilo. Esta reaccin se lleva a

cabo haciendo reaccionar el cido actico con el metanol, para producir 1 molcula de acetato de

metilo y 1 mol de agua, como se muestra a continuacin:

Reaccin reversible en fase lquida:

2 http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/132198-ACETATO_DE_METILO.pdf

6

Tomando:

A: B: C: D:

La ecuacin de velocidad con respecto al reactivo A:

Si es la constante de equilibrio:

La ecuacin de velocidad queda:

[

]

(

)

(

)

Donde la temperatura esta en Kelvin3

Para poder predecir las condiciones de operacin del reactor, se realizaron las graficas del cambio

de la entalpia de reaccin (Hrxn) y el cambio de la energa libre de Gibbs (Grxn) respecto a la

temperatura. Segn la literatura, el reactor debe operar a 60 C Y 1 bar4:

Ilustracin 1. Fig. 1. Hrxn Vs. Temperatura para la reaccin

3 Reactive distillation for methyl acetate production. Robert S. Huss, Fengrong Chen, Michael F. Malone,

Michael F. Doherty *Department of Chemical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003, USA. Received 6 December 2002; accepted 12 June 2003 4 http://www.diquima.upm.es/docencia/modysim2000/docs/proyecto_intro_acetato.pdf

240 260 280 300 320 340 360 380 400-1000

-500

0

500

1000

1500

2000INFLUENCIA DE T SOBRE EL CALOR DE REACCION

Temperatura K

deltaH

rxn,

KJ/K

mol

7

Ilustracin 2. Grxn Vs. Temperatura para la reaccin

Ilustracin 3. Keq Vs. Temperatura para la reaccin

Como se puede observar en las figura 1, el calor de reaccin es menor que cero, para valores de

temperatura menores a 300 K para los cuales las reaccin tendra un comportamiento exotrmico.

Mediante las figura 2, se puede observar que la energa libre de Gibbs es negativa para un intervalo

de temperatura entre 260 K y 340 K , lo cual indica que es muy probable que la reaccin sea

factible en dicho intervalo de temperatura. Lo cual corrobora los datos obtenidos en la literatura

para las condiciones de operacin del reactor

Como las reacciones son reversibles, ocurren en fase liquida, y a temperaturas relativamente bajas,

se debe utilizar un reactor CSTR.

240 260 280 300 320 340 360 380 400-40

-20

0

20

40

60

80INFLUENCIA DE T EN LA ENERGIA LIBRE DE GIBBS

Temperatura K

deltaG

rxn,

KJ/K

mol

240 260 280 300 320 340 360 380 4001

1

1

1.0001

1.0001

1.0001

1.0001

1.0001

1.0002

1.0002INFLUENCIA DE T SOBRE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

Temperatura K

Keq

8

2.1 Caracterizacin De La Mezcla A Separar

A continuacin se muestran, los diagramas de equilibrio, para las mezclas ternarias.

Ilustracin 4. Diagrama ternario Agua-Acetato de Metilo-Metanol

Componente T (C) Clasificacin

Agua 100,02 Saddle

Acetato de

Metilo

57,05 Saddle

Metanol 64,53 Saddle

cido

Actico

118,01 Stable node

Tabla 1.Componentes puros

T (C) Clasificacin Tipo No.

Comp.

Agua Acetato

de Metilo

Metanol

56,66 Saddle Homogeneous 2 0,085 0,915 0

53,62 Unstable Node Homogeneous 2 0 0,6682 0,3318

Tabla 2. Azetropos de la mezcla

Te rna ry M a p (M o le B a s is )

WATER

METHA-01 ME

THY-01

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1 56,66 C

53,62 C

9

T (C) Clasificacin Tipo No. Comp. Agua Acetato

de

Metilo

Metanol cido

Actico

100,02 Saddle Homogeneous 1 1 0 0 0



118,01 Stable node Homogeneous 1 0 0 0 1

56,66 Saddle Homogeneous 2 0,085 0,915 0 0

53,62 Unstable

Node

Homogeneous 2 0 0,6682 0,3318 0

Tabla 3. Puntos singulares

Ilustracin 5. Equilibrio Lquido Vapor Acetato de Metilo-Metanol

Ilustracin 6. Equilibrio Liquido Vapor Metanol-Acido Actico

10

Ilustracin 7.Equilibrio Liquido Vapor cido Actico-Agua

Ilustracin 8. Equilibrio Lquido Vapor Acetato de Metilo-cido Actico

Ilustracin 9. Equilibrio Liquido Vapor Metanol-Agua

11

Ilustracin 10. Equilibrio Liquido Vapor Acetato de metilo-Agua

3. ESTRUCTURAS ENTRADA SALIDA:

3.1 Estructura Entrada Salida Global:

Para poder plantear las diferentes alternativas posibles de las estructuras Entrada Salida del

proceso, primero es necesario determinar las corrientes de entrada y salida globales.

Conocidas las sustancias involucradas en las corrientes de entrada y salida, ahora se procede a

determinar si se puede presentar un exceso de reactivos y si existe un reciclo de un reactivo o un

subproducto para favorecer la reaccin para de esta forma contribuir a la ganancia econmica global

del proceso. Tambin se debe analizar la conversin, la cual est limitada por la conversin en el

equilibrio Xeq debido a la reversibilidad de las reacciones involucradas en el proceso, que ser la

mxima conversin posible que puede alcanzar el sistema.

3.1.1. Alternativa 1 de Estructura Entrada Salida con Reciclo.

Ilustracin 12.Estructura Entrada Salida con recirculacin del Metanol.

PROCESO

cido actico

Metanol

Acetato de metilo

Agua

Ilustracin 11.Estructura Entrada Salida Global.

PROCESO

cido actico

Metanol

cido actico

cido actico

Metanol

Metanol

Agua

Acetato de Metilo

12

Esta estructura permite recircular el metanol, es conveniente recircular este reactivo debido a que

puede generar un mayor rendimiento del proceso y evitar desperdiciar una materia prima, y as

generar menos costos en la obtencin de este reactivo.


Ilustracin 13. Alternativa 2 de Estructura Entrada Salida con Reciclo.

Esta estructura permite recircular el cido actico, el cual debe ingresar en exceso al proceso para

favorecer la reaccin directa y as tratar de convertir los reactivos ms valiosos que este, como el

metanol, en forma total, es decir, favorecer la produccin del acetato de metilo. Tambin es

conveniente recircular este reactivo debido a que puede generar un mayor rendimiento del proceso y

evitar desperdiciar una materia prima, y as generar menos costos en la obtencin de este reactivo.


Ilustracin 14. Estructura Entrada Salida con recirculacin de cido actico y el Metanol.

Tanto el metanol como los cido actico son los reactivos involucrados en las reacciones. La

recirculacin de estos dos reactantes, permite favorecer el equilibrio de las reacciones hacia la

produccin de Acetato de metilo es decir, favorece las reacciones directas. Esta estructura es

factible, debido a que se estn recuperando dos materias primas y se generan menos costos en su

adquisicin, aunque se debe tener en cuenta el costo energtico necesario para la recirculacin de

estos dos reactivos.

El exceso de cido actico es con el fin de favorecer las reacciones directas, es conveniente solo

recircular este para mejorar la conversin y/o la selectividad de las reaccin; adems, teniendo en

cuenta que el metanol es reactivo limite, aquellas molculas que salen como productos, es decir, los

que no reaccionaron, se presentan en menor proporcin que el cido actico presente en los

productos de la reaccin, por ende, recircularlos no sera conveniente, ya que implicara un mayor

costo en su recirculacin para una cantidad pequea de metanol.

PROCESO

cido actico cido actico

Metanol

Metanol

Agua

Acetato de Metilo

PROCESO

cido actico cido actico

Metanol

Metanol

Agua

Acetato de Metilo

13

En conclusin, la alternativa 1 donde se recircula el Acido Actico, sera la ms apropiada para el

proceso ya que pude generar un mayor rendimiento; adems, considerando que su conversin no es

completa, es ms efectivo reincorporar el Acido Actico al proceso que dejarlo como residuo.

4. ESTRUCTURAS REACCION SEPARACION:

4.1 Opcin 1:

Ilustracin 15. Estructura Reaccin separacin, opcin 1

Debido a que la reaccin es en fase liquida, para poder determinar el grado de separacin de las

corrientes de salida, es necesario basarse en las volatilidades de las sustancias para as obtener un

buen esquema de separacin con el fin de obtener una buena calidad de producto deseado (Acetato

de metilo), aprovechando la materia prima y los subproductos generados y poder recircular los

reactivos escogidos para favorecer al proceso tanto en a nivel operacional, econmico y ambiental.

4.1.1 Escogencia del Reactor:

Debido a que la reaccin es reversible, y de acuerdo al anlisis termodinmico ya realizado a la

misma se encontr que existe una temperatura optima de reaccin a la cual se debe llevar a cabo

para garantizar una mxima conversin (conversin de equilibrio). De acuerdo a lo investigado en

la literatura los reactores que ms se emplean en este tipo de reacciones (esterificacin), son los

reactores de tanque agitado (CSTR)5 del tipo de operacin continua y del tipo semibatch, isotrmico

de manera que al retirar el calor de reaccin de la mezcla reaccionante se prevenga el calentamiento

de la misma y una posible disminucin de la conversin del equilibrio.

4.1.2 Estructura de separacin:

La corriente saliente del reactor est compuesta por metil acetato, agua, metanol y cido actico sin

reaccionar. Para la separacin de dicha mezcla se utilizan dos torres de destilacin.

5 Anlisis del comportamiento de los reactores CSTR y PFTR en la produccin de acetato de metilo.

Javier.F.A. Miguel.G.

14

En la primera torre, que recibe la corriente que sale del reactor, se destila el azetropo (metanol-

acetato de metilo) como producto de cabeza en la cual se saca todo el acetato presente en la mezcla,

esta corriente tiene una concentracin de 0.92 de acetato de metilo por tanto no se requiere de otra

torre de destilacin para purificar el acetato.

El producto de los fondos contiene metanol, agua y cido actico. Esta corriente pasa a una segunda

torre de destilacin con el objetivo de separar el cido actico del metanol para una posterior

recirculacin del cido.

4.1.3 Simulacin

Para evaluar el desempeo de los procesos, se us del Software Aspen Plus en el cual se

encuentra una base de datos de las propiedades de algunos de los componentes utilizados en el

proceso.

El esquema de produccin de Acetato de Metilo contiene principalmente un CSTR, un mezclador,

dos torres de destilacin, y 7 intercambiadores de calor como se muestra en el siguiente diagrama.

4.1.4 Balances de materia, especificaciones de flujos y equipos en Aspen Plus

1 A-METILC A-METILO AC-ACET AGUA-C AGUA-F AL-METAN

IC-5

MIX IC-6

CSTR

COLUM1 IC-5

COLUMN-2 IC-6 BOMBA-3

LIQUID LIQUID LIQUID LIQUID LIQUID LIQUID

Mass Flow kg/sec

WATER 0,0371592 0,0371592 0,0373459 0,210279 0,210279 0,0371594

METHY-01 0,711106 0,711106 0 0 0 0

METHA-01 0,0268546 0,0268546 0 4,41E-10 4,41E-10 0,3344349

ACETI-01 6,80E-07 6,80E-07 0,7095734 0,1331826 0,1331826 0

Mass Frac

WATER 0,0479399 0,0479399 0,05 0,6122337 0,6122337 0,1

METHY-01 0,9174135 0,9174135 0 0 0 0

METHA-01 0,0346457 0,0346457 0 1,29E-09 1,29E-09 0,9

ACETI-01 8,77E-07 8,77E-07 0,95 0,3877653 0,3877653 0

Total Flow kmol/sec 0,0125 0,0125 0,0138888 0,01389 0,01389 0,0125

Total Flow kg/sec 0,7751205 0,7751205 0,7469194 0,3434619 0,3434619 0,3715943

Total Flow cum/sec 8,65E-04 8,19E-04 7,07E-04 3,83E-04 3,48E-04 4,86E-04

Temperature K 329,0157 293,15 293,15 374,8643 293,15 333,1622

Pressure N/sqm 1,00E+05 1,00E+05 1,00E+05 1,00E+05 1,00E+05 1,10E+05

Enthalpy Watt -5,07E+06 -5,17E+06 -5,99E+06 -4,27E+06 -4,35E+06 -3,04E+06

Entropy J/kg-K -5569,265 -5966,072 -4208,922 -6344,959 -6979,368 -7222,12

Tabla 4. Resultados de la simulacin en Aspen Plus para los Flujos msicos.

15

2 ALIMEN IN-COL2 IN-CSTR IN-IC3 INCOLUM1 MET-HOT

IC-1 COLUMN-2 CSTR IC-3 COLUM1 BOMBA-3

MIX BOMBA-2 IC-1 COLUM1 BOMBA-1 IC-7


Mass Flow

kg/sec

WATER 0,0373672 0,2103004 0,0373672 0,2103004 0,2474596 0,0371594

METHY-01 0 1,61E-16 0 1,61E-16 0,711106 0

METHA-01 0 4,41E-10 0 4,41E-10 0,0268546 0,3344349

ACETI-01 0,9448394 0,36838 0,9448394 0,36838 0,3683807 0

Mass Frac

WATER 0,0380442 0,3634137 0,0380442 0,3634137 0,1827888 0,1

METHY-01 0 2,79E-16 0 2,79E-16 0,5252663 0

METHA-01 0 7,63E-10 0 7,63E-10 0,0198364 0,9

ACETI-01 0,9619558 0,6365863 0,9619558 0,6365863 0,2721085 0

Total Flow

kmol/sec 0,0178077 0,0178077 0,0178077 0,0178077 0,0303077 0,0125

Total Flow

kg/sec 0,9822067 0,5786804 0,9822067 0,5786804 1,353801 0,3715943

Total Flow

cum/sec 9,26E-04 5,81E-04 9,60E-04 6,46E-04 1,39E-03 4,86E-04

Temperature K 293,1548 293,1666 323,15 377,5237 298,1537 333,15



Entropy J/kg-K -4159,173 -5699,59 -4139,236 -5289,455 -6446,143 -7222,246

Tabla 5.Resultados de la simulacin en Aspen Plus para los Flujos msicos.

3 METANOL OUT-CSTR OUT-IC2 OUT-IC3 OUT-IC4 RECICLO

IC-7 IC-2 BOMBA-1 BOMBA-2 MIX IC-4

CSTR IC-2 IC-3 IC-4 COLUMN-2


Mass Flow kg/sec

WATER 0,0371594 0,2474596 0,2474596 0,2103004 2,14E-05 2,14E-05

METHY-01 0 0,711106 0,711106 1,61E-16 0 0

METHA-01 0,3344349 0,0268546 0,0268546 4,41E-10 0 0

ACETI-01 0 0,3683807 0,3683807 0,36838 0,2351974 0,2351974

Mass Frac

WATER 0,1 0,1827888 0,1827888 0,3634137 9,12E-05 9,12E-05

METHY-01 0 0,5252663 0,5252663 2,79E-16 0 0

METHA-01 0,9 0,0198364 0,0198364 7,63E-10 0 0

ACETI-01 0 0,2721085 0,2721085 0,6365863 0,9999121 0,9999121

Total Flow kmol/sec 0,0125 0,0303077 0,0303077 0,0178077 3,92E-03 3,92E-03

Total Flow kg/sec 0,3715943 1,353801 1,353801 0,5786804 0,2352181 0,2352181

16

Total Flow cum/sec 4,58E-04 1,46E-03 1,39E-03 5,81E-04 2,18E-04 2,49E-04

Temperature K 293,15 333,15 298,15 293,15 293,15 390,722



Entropy J/kg-K -7648,155 -5558,458 -6446,266 -5699,667 -4020,44 -3949,566

Tabla 6. Resultados de la simulacin en Aspen Plus para los Flujos msicos.

4.1.4 Anlisis de Sensibilidad:

El anlisis de sensibilidad planteado est definiendo el flujo de salida del reactor (corriente OUT-

CSTR) variando el tiempo de residencia, se obtiene:

Ilustracin 16. Variacin del flujo de cido Actico contra el tiempo de residencia.

En esta grafica se encuentra un mximo en 5,75 horas.

El anlisis de sensibilidad en la primera columna de separacin, presenta los siguientes

comportamientos:

Ilustracin 17. Variacin composicin msica de Acetato de metilo vs Plato de alimentacin

17

En la grfica (17) se observa que el intervalo ptimo para escoger un punto de alimentacin de la

columna es entre los platos 15 a 22.

4.1.5 Integracin energtica:

Se utiliz la herramienta Hint para el diseo de la red de intercambio de calor.

El esquema del proceso de obtencin de Acetato de Metilo presenta 7 intercambiadores de calor los

cuales son los encargados de adecuar la temperatura de la corriente de alimentacin al reactor y de

acondicionar las corrientes de salida, sin embargo debe tenerse en cuenta que la red de intercambio

de calor tambin puede ser establecida a partir de las corrientes de entrada y salida de cada una de

las unidades.

Para el diseo de la red de intercambio de calor es necesario establecer los tipos de corriente

involucrados en el proceso definiendo su tipo si es caliente o fra, sus temperaturas de entrada y

salida, tambin los fluidos de servicio.

Las correlaciones que se han empleado para estimar coeficientes de transmisin de calor son las

siguientes:

Corriente Tipo Correlacin Forma Correlacin

1 Conveccin forzada en el interior de tubos Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.33







Tabla 7. Estimacin de los coeficientes de transferencia de calor.

18

Corriente Descripcin Tipo Tipo calor T1 (K) T2 (K) H (kW) mcp (kW/K)

1 MET-HOT Fra Sensible 293,15 333,15 3037,8 75,945

2 ALIMEN Fra Sensible 293 333 5951,8 148,795

3 OUT-CSTR Caliente Sensible 333 298,15 -1 2,87E-02

4

COLUM1-

CONDENSADOR Fra Sensible 298 329 5072 163,6129

5 A-METILC Caliente Sensible 329 293 -5169 143,5833

6 REHERVIDOR1 Fra Sensible 298,15 377,52 6032,4 76,00353

7 IN-IC3 Caliente Sensible 377 293 -6139,4 73,0881

8

IN-COLUM2-

CONDENSADOR Fra Sensible 293 374,86 4268,3 52,14146

9 AGUA-C Caliente Sensible 374,8643 293 -4351,1 53,15015

10

IN-COLUM2-

REHERVIDOR Fra Sensible 293 390,72 1 1,02E-02

11 RECICLO Caliente Sensible 390,72 293,15 -1788,3 18,32838

Tabla 8. Descripcin de corrientes

10min T

Ilustracin 18. Diagrama de trama lado caliente/ lado fro Tmin=10

13037.8 75.945293.15333.15

25951.8 148.795293.333.

3-1. 2.86944e-002333. 298.15

45072. 163.613298.329.

5-5169. 143.583329. 293.

66032.4 76.0035298.15377.52

7-6139.4 73.0881377. 293.

84268.3 52.1415293.374.86

9-4351.1 53.1502374.864 293.

101. 1.02333e-002293.390.72

11-1788.3 18.3284390.72 293.15

308.

308.

298.

298.

19

Ilustracin 19. Diagrama de curvas compuestas Tmin=10

Ilustracin 20. Diagrama de cascada Tmin=10

20

Ilustracin 21. Curva Grand Compuesta

Ilustracin 22.Variacion de los costos totales mnimos con DT mnima

Ilustracin 23. Variacin del rea mnima de intercambio con

La diferencia mnima de temperatura

0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50.

1.e+005

3.e+005

5.e+005

7.e+005

9.e+005

1.1e+006

1.3e+006

1.5e+006

1.7e+006

1.9e+006

DT min (K)

Coste ($)

Variacin de los costes totales mnimos con DT mnima

10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50.

799.92

999.92

1199.9

1399.9

1599.9

1799.9

1999.9

DT mnimo (K)

A (m2)

Variacin del rea mnima de intercambio con la diferencia mnima de temperatura

21

Del clculo de la cascada de energa, se obtienen los siguientes resultados:

Necesidades de Calefaccin: 9861.22 kW

Necesidades de refrigeracin: 2946.72 kW

Temperatura pinch: 303 K.

rea y Costes mnimos

En el clculo del rea y coste mnimos de la red de intercambio, se han obtenido los siguientes

resultados:

Numero de intercambiadores mnimos: 11

rea mnima de intercambio de calor: 1708.63 m2

Los costos mnimos requeridos para este proceso son:

De operacin: 54740. $/ao.

De inmovilizados totales: 524100 $

De inmovilizado anuales: 52410. $.

Totales anuales: 107150 $.

4.2 Opcin 2:

DESTILACION REACTIVA: [6] [7] [8]

La destilacin reactiva es un proceso combinado, utilizando principalmente para aquellas reacciones

qumicas en las que el equilibrio de reaccin limita la conversin.

Este es el procedimiento ms usado actualmente ya que sus caractersticas presentan ciertas ventajas

siendo una de las ms importantes la disminucin en el consumo de energa y la reduccin del costo

de mantenimiento de los equipos. Por llevarse a cabo la reaccin qumica y la destilacin en un

mismo equipo, un paso del proceso es eliminado, en asocio con las bombas, vlvulas e

instrumentacin.

La destilacin reactiva se lleva a cabo en una columna de reaccin a contracorriente. La reaccin

ocurre en la zona media de la columna o seccin de reaccin, en una serie de etapas de evaporacin

a contracorriente. En la superior, el agua es extrada con cido actico en la zona de destilacin

extractiva en la que se ubica la alimentacin de cido actico. El cido actico y el acetato de metilo

6 Comparative control study of ideal and methyl acetate reactive distillation. MuhammadA. Al-Arfaj, William

L. Luyben. Department of Chemical Engineering, Lehigh University, Bethlehem, PA 18015, USA 7 Destilacin Reactiva: Anlisis y diseo bsico. C.A. Cardona. Agroindustria Rural sin misterio. Arcano.

8 Process alternatives for methyl acetate conversion using reactive

distillation. 1. Hydrolysis. Yu-Der Lin, Jun-Hong Chen, Jian-Kai Cheng, Hsiao-Ping Huang, Cheng-Ching Yu. Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, Taipei 106-17, Taiwan

22

son separados por encima de la alimentacin de cido actico, en la seccin de rectificacin. En la

seccin de agotamiento el metanol es despojado del agua.

Dentro del marco conceptual y terico se encuentran las diferentes bondades que la destilacin

reactiva presenta en lo referente a la eliminacin de algunas limitaciones impuestas en los procesos

convencionales, tales como restricciones de pureza y limitaciones del equilibrio qumico. En

algunas ocasiones es necesaria la ayuda de un solvente para poder obtener las indicaciones de

pureza establecidas, cuando esto es indispensable es comn nombrarlos como procesos de

destilacin reactiva extractiva.

Dentro de los procesos que reportan tal comportamiento esta la produccin de acetato por

destilacin reactiva, entre los que se encuentran la produccin de acetato de metilo que es producido

por la reaccin entre el cido actico y el metanol, utilizando un catalizador acido, la mezcla

reaccionante presenta la formacin de azetropo entre el acetato de metilo-Agua y acetato de

metilo-metanol. El cido actico es utilizado como agente extractivo y como reactivo.

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 (numeral 4.2).

4. Trayectoria de operacin. Diagrama de flujo simplificado.

5. Modelamiento matemtico.

6. Simulacin.

7. Experimentacin fsica. Lo mnima posible 105

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.

23

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.

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.9

4.2.2 Simulacin

1 COLUM-DR

B2

COLUM-

DR3

B1

B2

COLUM-

DR

B1

COLUM-

DR


Mass Flow kg/sec

WATER 0 0,2215196 0,2215196 0 1,41E-04 1,41E-04

ACETI-01 0,9174697 0,1673538 0,1673538 0 0,0112258 0,0112258

METHY-01 0 0,3086095 0,3086095 0 0,602868 0,602868

METHA-01 0 0,0507679 0,0507679 0,44503 1,36E-05 1,36E-05

Mass Frac

WATER 0 0,2960499 0,2960499 0 2,30E-04 2,30E-04

ACETI-01 1 0,2236601 0,2236601 0 0,0182757 0,0182757

METHY-01 0 0,4124412 0,4124412 0 0,981472 0,981472

METHA-01 0 0,0678488 0,0678488 1 2,21E-05 2,21E-05

Total Flow

kmol/sec 0,0152777 0,0208333 0,0208333 0,0138888 8,33E-03 8,33E-03

Total Flow kg/sec 0,9174697 0,7482508 0,7482508 0,44503 0,6142488 0,6142488

Temperature K 298,15 293,15 338,694 298,15 293,15 330,6956



Entropy J/kmol-

K -2,41E+05 -2,20E+05 -2,09E+05 -2,41E+05 -3,90E+05 -3,73E+05

Entropy J/kg-K -4020,812 -6133,826 -5807,989 -7518,514 -5293,796 -5064,793

Density kg/cum 1072,524 970,8041 912,3895 792,9208 940,8992 888,9204

Average MW 60,05256 35,91604 35,91604 32,04216 73,70986 73,70986

Ilustracin 24.Resultados de la simulacin en Aspen Plus para los Flujos msicos.

9 http://www.bdigital.unal.edu.co/2358/9/johnalexanderposadaduque.2008_Parte9.pdf

24

4.2.3 Anlisis de sensibilidad:

El anlisis de sensibilidad en la columna de destilacin reactiva, presenta los siguientes

comportamientos:

Ilustracin 25. Anlisis de sensibilidad Composicin de metilo vs Plato de alimentacin de cido actico

En esta grfica se puede observar que para una alta composicin de salida de acetato de metilo la

etapa ptima a la cual se debe alimentar cido actico es la etapa 4.

Ilustracin 26. Anlisis de sensibilidad Composicin de metilo vs Plato de alimentacin de Metanol

En esta grfica se puede observar que para una alta composicin de salida de acetato de metilo la

etapa ptima a la cual se debe alimentar el metanol es la etapa 15.

25

4.2.4 Integracin energtica:

Corrient Descripcin Tipo Tipo calor T1 (K) T2 (K) H (kW)

mcp

(kW/K)

1 ACIDACE Fra Sensible 293 330,69 473,4671 12,56214

2 METHANOL Fra Sensible 293 338,69 6935 151,7838

3 METHYL-H Caliente Sensible 330,69 293,15 -7020 187,0005

4 METHYL-H Caliente Sensible 330,69 293,15 -3709,3 98,80927 Tabla 9.Descripcin de corrientes

Delta de Tmin= 10

Ilustracin 27. Diagrama de trama lado caliente/ lado fro Tmin=10

1473.467 12.5621293.330.69

26935. 151.784293.338.69

3-7020. 187.001330.69 293.15

4-3709.3 98.8093330.69 293.15

330.69

330.69

320.69

320.69

26

Ilustracin 28.Diagrama de cascada Tmin=10

Ilustracin 29.Diagrama de curvas compuestas Tmin=10

Ilustracin 30. Curva Grand Compuesta

0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. 12000 14000 16000 18000 20000

199.98

219.98

239.98

259.98

279.98

299.98

319.98

339.98

359.98

379.98

399.98

H (kW)

T (K)

Curvas Compuestas

0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000.

199.98

219.98

239.98

259.98

279.98

299.98

319.98

339.98

359.98

379.98

399.98

H (kW)

T (K)

Curva Grand Compuesta

27

Ilustracin 31. Variacin de costes totales mnimos con Dt mnima

Del clculo de la cascada de energa, se obtienen los siguientes resultados:

Necesidades de Calefaccin: 2857.73 kW

Necesidades de refrigeracin: 6178.56kW

Temperatura pinch: 325.69 K rea y Costes mnimos

En el clculo del rea y coste mnimos de la red de intercambio, se han obtenido los siguientes

resultados:

Numero de intercambiadores mnimos: 6

rea mnima de intercambio de calor: 6178.56 m2

Costes mnimos:

o De operacin: 92.1905 $/ao.

o De inmovilizado total: $ 962232

o De inmovilizado anual: $ 96223.2

o Total anual: $ 96315.4

0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 45. 50.

30000

1.3e+005

2.3e+005

3.3e+005

4.3e+005

5.3e+005

6.3e+005

7.3e+005

8.3e+005

9.3e+005

DT min (K)

Coste ($)

Variacin de los costes totales mnimos con DT mnima

28

5. COMPARACION IMPACTO AMBIENTAL

Ilustracin 32. Potencial de impacto ambiental total de salida-Anlisis de productos

Anlisis de la grfica:

Se observa que el potencial de impacto ambiental de salida total por segundo es mayor para el

mtodo convencional con un valor de 39 (PEI/sec), mientras que para la destilacin reactiva es de

13 (PEI/sec). Por tanto se puede inferir que la DR es un proceso amigable ambientalmente puesto

que tiene poca generacin y salida de Potencial de impacto ambiental. Dicho potencial se

relaciona directamente con el consumo energtico de los procesos por tanto el procesos

convencional muestra un mayor consumo de energa en comparacin a la DR.

Ilustracin 33.

Anlisis de la grfica:

El proceso convencional triplica la contaminacin producida por el proceso con DR por kilogramo

de acetato producido, se puede afirmar que es inviable frente a la DR.

29

6. CONCLUSION: La opcin ms apropiada para la obtencin de acetato de metilo es la Destilacin reactiva, esto se

infiere comparando los resultados de cada uno de los Anlisis realizados donde se observa que:

En la integracin energtica es la mejor alternativa en cuanto a menor costo total

Anual, se necesita de menos cantidad de intercambiadores de calor y simplifica

muchas unidades en cuanto a la opcin 1 (Estructura con reaccin CSTR) esto

disminuye los gastos energticos.

En el anlisis de impacto ambiental se observa que la destilacin reactiva genera un

menor impacto sobre el ambiente puesto que reduce la subproductos, facilitando la

recirculacin de los reactivos que no se convierten (esto se plantear en un trabajo

posterior). Comparado con proceso tradicional obtencin de Acetato de metilo se

reducen ostensiblemente los equipos utilizados, proyectndose como una tecnologa

ms amigable con el medio ambiente.

Se observa en los resultados que la Destilacin Reactiva gnero un aumento en la

conversin del Reactivo Limite y una mayor selectividad.

7. BIBLIOGRAFIA: [1] http://www.ellaboratorio.co.cc/documentos/iq/acetato_metilo2.pdf

[2] http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/132198-ACETATO_DE_METILO.pdf

[3] Robert S. Huss, Reactive distillation for methyl acetate production. Department of Chemical

Engineering, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003, USA. 2003

[4] http://www.diquima.upm.es/docencia/modysim2000/docs/proyecto_intro_acetato.pdf

[5] Gmez. M. Anlisis del comportamiento de los reactores CSTR y PFTR en la produccin de

acetato de metilo. 1999

[6] Al-Arfaj MuhammadA Comparative control study of ideal and methyl acetate reactive

distillation. Department of Chemical Engineering, Lehigh University, Bethlehem, PA 18015, USA

[7] Cardona C.A.Destilacin Reactiva: Anlisis y diseo bsico. Agroindustria Rural sin misterio.

Arcano.

[8]Lin Y.D. Process alternatives for methyl acetate conversion using reactive distillation. 1.

Hydrolysis. Department of Chemical Engineering, National Taiwan University, Taipei 106-17,

Taiwan

[9] http://www.bdigital.unal.edu.co/2358/9/johnalexanderposadaduque.2008_Parte9.pdf

86420600 Produccion de Acetato de Metilo

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