Departamento de Ingeniería Química

Diseño de Procesos(76.57)

Diseño de una planta de MTBE Trabajo Práctico N°1

Diseño de una Planta de MTBE Diseño de Procesos 76.57

Comentarios sobre la Pre-entrega

Se analizaron las distintas variables que modifican la cinética de la reacción con el objetivo de optimizar el tamaño del reactor, sin importar costos de equipos o posibles reciclos. Las restricciones a nuestro diseño están dadas por el hecho de que la cinética es válida sólo en fase líquida y para un exceso de metanol de al menos un 20%. Además la reacción es reversible por lo cual no es posible alcanzar una conversión de 100%.

En primer lugar se analizan reactores del tipo isotérmico, variando la temperatura de operación y modificando el exceso de metanol. Analizando la expresión de la velocidad de reacción se concluye que la velocidad específica de la reacción directa es significativamente mayor que la de la inversa, por lo tanto si bien un exceso de metanol disminuye la velocidad de la reacción inversa, es más notorio el descenso de la velocidad directa.

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Concluimos que no es conveniente utilizar un exceso de metanol superior al mínimo requerido. A bajas temperaturas el reactor isotérmico requiere de volúmenes de catalizador elevados. Debido a que la reacción es exotérmica, sería beneficioso utilizar el calor liberado por la reacción para aumentar la temperatura y así trabajar a velocidades más elevadas. Por este motivo, se prueban reactores adiabáticos.

Para que el reactor adiabático opere a velocidades de reacción adecuadas, se propuso utilizar un precalentador. Se obtuvieron volúmenes de catalizador más pequeños, trabajando a temperaturas y presiones más elevadas.

Por último se analizó trabajar con dos reactores adiabáticos y un enfriamiento intermedio. Si bien esto permite operar a presiones menores, el descenso de temperatura perjudica la velocidad de reacción por lo que esta propuesta queda descartada. Añadimos que al estar operando en fase líquida no es necesario trabajar a presiones bajas.

Para las temperaturas de operación se buscaron las conversiones óptimas, es decir las que optimizan la velocidad. Para el reactor adiabático elegido, se halló que la conversión óptima es de 80%. A continuación, se presenta el gráfico de la inversa de la velocidad en función de la conversión:

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Concluyendo, se presentan las características del sistema de reacción elegido.

- Tipo de reactor: adiabático- Volumen de catalizador: 17,6 m3

Alimentación #1 Alimentación #2Temperatura de entrada (°C) 60 60,6Temperatura de salida (°C) 100,6 108Presión de operación (atm) 20 23Producción de MTBE (kmol/h) 212 260Conversión (%) 81 82

Por último debemos analizar la presión de operación del reactor. Dado que la expresión de la cinética de la reacción exige que esta sea en fase líquida, debemos analizar para todo el rango de temperaturas a lo largo del reactor, cuál es la presión de vapor de cada componente presente. A partir de las correlaciones extraídas del Manual del Ingeniero Químico, se calculan las siguientes presiones de todos los componentes tanto a la temperatura de entrada como a la de salida.

Compuesto P (atm) (60,6°C) P (atm) (100,6°C) P (atm) (108°C)1-buteno 7,78 18,13 20,79iso-buteno 7,71 14,23 20,87trans-2-buteno 6,23 15,22 17,60cis-2-buteno 5,80 18,14 16,46MTBE 1,19 3,54 4,32Metanol 0,85 3,63 4,45Agua 0,20 1,02 1,32

Tomamos entonces como criterio de selección de presión operativa, un 10% más que la presión de vapor del componente más volátil a la mayor temperatura que opera el reactor, siendo aproximadamente una presión de 23 atm.

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Estructura entrada - salida

Teniendo en cuentas las volatilidades se pueden definir los componentes presentes en cada una de las corrientes. Los butenos son los más volátiles mientras que el MTBE, metanol y agua son los más pesados. A continuación se presenta una tabla donde las cruces representan los componentes presentes en cada corriente.

F I O MTBE Reciclo líq

Subproducto

1-buteno X X X - - XIsobuteno X X X - - Xtrans-2-buteno X X X - - Xcis-2-buteno X X X - - XMTBE - - X X - -Metanol X X X - X -Agua X X X - - -

Decisiones acerca de los reciclos

Respecto al reciclo gaseoso, es muy difícil separar los butenos debido a sus volatilidades relativas cercanas. Por lo tanto, si quisiéramos recircular la corriente de isobuteno, necesariamente deberíamos recircular toda la corriente de butenos. Además solo el 9% de la corriente total representa al reactivo. Concluimos que el reciclo gaseoso no es favorable por lo que se decide condensar y vender la corriente de butenos emergente del tren de separación gaseoso.

333K 380KCompuesto P vap (atm) Vol Rel P vap (atm) Vol Rel1-buteno 7,669 1,009 20,354 0,997iso-buteno (2-metil propeno) 7,604 1,000 20,423 1,000trans-2-buteno 6,141 0,808 17,208 0,843cis-2-buteno 5,708 0,751 16,094 0,788

Por otro lado, considerando separaciones ideales en el tren líquido, podríamos eliminar el agua y obtener metanol puro, que es recirculado.

Sistema de separación

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La corriente líquida que abandona el reactor deberá atravesar una válvula a fin de disminuir su presión y generar dos fases. Sabemos que las presiones bajas favorecen las separaciones por volatilidades, sin embargo un exceso en la caída de presión traería inconvenientes posteriormente.Inicialmente se propuso que dicha mezcla en equilibrio ingrese a un separador flash, para realizar una primera separación entre componentes volátiles y pesados. Sin embargo, se analizó un amplio rango de presiones y temperaturas y se encontró que la distribución de componentes no resulta favorable. Por ejemplo para una presión de 3 atm y una temperatura de 52°C, mediante la simulación en HYSYS, se obtuvo la siguiente distribución:

f (kmol/h) v (kmol/h) l (kmol/h) % V % L1 buteno 79.20 40.8 38.4 48.5 51.5isobuteno 51.29 30.2 21.1 41.1 58.9trans-2-buteno 225.80 105.9 119.9 53.1 46.9cis-2-buteno 225.80 100.0 125.8 55.7 44.3MTBE 210.16 33.0 177.2 84.3 15.7metanol 103.57 12.4 91.2 88.1 11.9Agua 0.84 0.1 0.8 93.9 6.1

Observando estos resultados notamos que las composiciones de ambas corrientes, vapor y líquido, son muy similares por lo que requerirán procesos de separación iguales aguas abajo. Esto nos indica que un separador flash no es apropiado para nuestro proceso. Por lo tanto, elegimos una columna de destilación como separador primario. La separación en la columna será considerada ideal. Por tope, obtendremos la totalidad de la corriente de butenos en fase líquida, ya que contará con un condensador total. Por fondo saldrá la mezcla líquida de MTBE, metanol y agua.Esta corriente ingresará a una nueva torre, donde se separará el MTBE de la mezcla metanol-agua. Finalmente en una tercera columna, se eliminará el agua a fin de recircular el metanol puro. A continuación se presenta un diagrama de flujo que incluye al reactor y al tren de separación de líquidos:

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Cierre aproximado del balance de materia

Teniendo en cuenta los reciclos se obtiene el siguiente balance:Alimentación del 60% del año (33% de la corriente es de isobuteno)

F I O Butenos Líquidos MTBE Descarte Reciclo1 buteno 79,25 79,25 79,25 79,25 0 0 0 0Isobuteno 261,53 261,53 52,38 52,38 0 0 0 0Cis-2-buteno 225,86 225,86 225,86 225,86 0 0 0 0Trans-2-buteno 225,86 225,86 225,86 225,86 0 0 0 0MTBE 0 0 209,15 0 209,15 209,15 0 0MeOH 209,15 380,40 171,25 0 171,25 0 0 171,25Agua 0,56 0,56 0,56 0 0,56 0 0,56 0

Alimentación del 40% del año (40% de la corriente es de isobuteno)

F I O Butenos Liquidos MTBE Descarte Reciclo1 buteno 336,21 336,21 336,21 336,21 0 0 0 0Isobuteno 317,00 317,00 63,50 63,50 0 0 0 0Cis-2-buteno 120,08 120,08 120,08 120,08 0 0 0 0Trans-2-buteno 120,08 120,08 120,08 120,08 0 0 0 0MTBE 0 0 253,50 0 253,50 253,50 0 0MeOH 253,50 380,40 126,90 0 126,90 0 0 126,90Agua 0,68 0,68 0,68 0 0,68 0 0,68 0

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Análisis económico preliminar

Para realizar una primera estimación del potencial económico de la planta, se considera únicamente los costos de los reactivos utilizados y el precio de venta del producto.La corriente de butenos no convertida es revendida al mismo valor de la corriente de butenos de entrada.Los equipos a utilizar no serán tenidos en cuenta ya que sus costos serán amortizados a medida que la planta esté funcionando.Cabe destacar que los costos operativos, al no haber compresores (las corrientes están en fase líquida), y al ser baja la potencia necesaria tanto de las bombas como de los intercambiadores de calor (se trabaja a presiones moderadas en las columnas de destilación, lo que disminuye los calores necesarios para los rebullidores y los condensadores) van a ser bajos en relación a los costos de materia prima y valores del producto terminado.

Costos de Reactivos

Butenos (kmoles/año) 6340000

Butenos (Ton/año) 355712

Metanol (Ton/año) (incluye el agua) 58172

Costo Metanol ($/ton) 400

Costo Butenos ($/ton) 600

Costo de reactivos ($/año) 236.695.896

Ganancia de Producto

Butenos sobrantes (ton/año) 271468

Producción MTBE anual (ton/año) 160000

Costo ($/ton) 800

Costo Butenos ($/ton) 600

Ganancia ($/año) 290.880.826

Ganancia total (ganancia - costo) 54.184.930

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