Información Tecnológica-Vol. 15 N° 2-2004, págs.: 3-6

SIMULACIÓN Y MODELADO DE PROCESOS

Simulación del Proceso de Producción del Éter Etil Tert-Butílico (ETBE). Influencia de la Relación Etanol/Isobuteno

Simulation of Production Process for Ethyl Tert-Butyl Ether (ETBE). Influence of the Ethanol/Isobutene Ratio
 
 

P.A. Dávila¹ e I. Ortiz²

(1) Univ. Autónoma de San Luis Potosí, Fac. de Ciencias Químicas, Avda. Dr. Manuel Nava N°6, 78210 San Luis Potosí, S.L.P.-México (e-mail: palonsod@uaslp.mx)
(2) Univ. de Cantabria, Dpto. Ingeniería Química y Química Inorgánica, E.T.S.I.I. y T., Avda. de los Castros s/n, 39005 Santander-España (e-mail: ortizi@unican.es)

Resumen

Este trabajo describe una metodología que combina el diseño conceptual y la simulación de procesos para determinar la influencia de la relación molar de alimentación etano/isobuteno sobre la selectividad hacia éter etil tert-butílico. El diseño conceptual de la columna de destilación se basó en un método gráfico de curvas de residuo y permitió determinar los esquemas de separación factibles y maximizar la concentración de éter en los productos de fondo de la columna de destilación. La simulación del proceso permitió determinar las condiciones de operación y los parámetros de diseño de los reactores y de la columna de destilación. Se concluye que la metodología disminuye drásticamente el tiempo necesario para obtener resultados con un simulador de procesos.

Abstract

This work describes a methodology which combines conceptual design and process simulation to determine the influence of the molar feed ratio of ethanol/isobutene on tert-butyl ethyl ether selectivity. The conceptual design of distillation columns was based on the residue curve map and it allowed determination of feasible separation schemes and maximization of the concentration of ether in the stream bottom of the distillation column. Simulation of the process has allowed determining the operating variables and design parameters for the reactors and the distillation column. It is concluded that this methodology significantly reduces the time required to obtain results with a process simulator.

Keywords: petrochemical distillation, process simulation, ethyl tert-butyl ether, residue curves

Introducción

Los éteres tert-butílicos son los principales adi-tivos oxigenados que se utilizan en la refor-mulación de gasolinas. Los más utilizados son: éter metil tert-butílico (MTBE), éter etil tert-butílico (ETBE) y éter etil tert-amílico (TAME). Se han detectado problemas ambientales con el MTBE, por eso las nuevas normativas obligan a buscar otros aditivos que lo sustituyan. El ETBE presenta mejores propiedades de mezclado, además se obtiene de etanol que procede de fuentes renovables. Estas características facili-tan la adaptación progresiva de una planta que produce MTBE para producir ETBE.

La síntesis de ambos éteres son similares, pero la termodinámica es más restrictivas para el éter etílico (Sneesby, et al., 1997). Por la existencia de dos azeótropos, la mayor parte del alcohol re-sidual se obtiene con el ETBE en los fondos de la columna de destilación. La cinética de la reacción de formación de ETBE fue estudiada por Zhang et al. (1997), Jensen y Datta (1995) y Schwarzer et al. (2000), ellos observaron que un exceso de alcohol favorece la formación del éter e inhibe las reacciones secundarias. En los centros activos del catalizador se adsorben etanol e isobuteno; a alta concentración de alcohol, este domina la superficie, pero a baja concentración, el isobuteno tiende a adsorbese en centros activos adyacentes, favoreciendo la formación de los di-isobutenos (DIB). Fité et al. (1994), estudiaron la formación de ETBE y ob-servaron que un gran exceso de etanol tiene un efecto inhibidor en la reacción de formación del éter y por lo tanto, debe existir un valor de la relación molar de alimentación etanol/isobuteno (E/I) que maximiza la selectividad hacia el éter y reduce la concentración de alcohol en los fondos de la columna de destilación.

El proceso Hüls de producción de éteres tert-butílicos se muestra en la figura 1; y lo forman tres etapas principales:

Fig. 1: Diagrama de flujo del proceso de producción de ETBE

• Reacción (dos reactores);
• purificación del éter (destilación);
• recuperación y recirculación del alcohol que no reaccionó.

Metodología

Para la descripción del equilibrio líquido-vapor se utilizaron modelos de coeficiente de actividad. Debido a la falta de suficientes datos experimentales para todos los binarios que forman la mezcla, se utilizó el modelo, UNIFAC-Dortmund (Gmehling, 2003). Este modelo pro-duce buenos resultados en la predicción del ELV para los sistemas éter-alcohol-butenos Coto et al., (2000). La planta estudiada aquí producía 45000 t/año de MTBE al 98% en peso, al transformarse produce ahora 50,000 t/año de ETBE al 95 % y 4% de alcohol. La máxima conversión que se puede obtener en los reac-tores está determinada por la relación molar de alimentación E/I y la temperatura a la salida del reactor Esta relación afecta fuertemente la selectividad a ETBE y el funcionamiento de la columna de destilación y por lo tanto la pureza del éter que se obtiene como producto.

Se construyeron los diagramas de curvas de residuo en el rango de presiones de operación y se determinaron los productos factibles en la columna de destilación como una función de la relación molar E/I. Las curvas de residuo son equivalentes al perfil de composición del líquido, en una columna de altura infinita, operada a reflujo total (Widago y Seider, 1996; Kiva et al., 2003).

La presión en los equipos de proceso está de-terminada por la necesidad de mantener la mezcla en estado líquido. La reacción se lleva a cabo en fase líquida, esto fija la presión en el reactor. La presión en la columna fija la tem-peratura en el condensador y rehervidor.

Conocida la relación molar de alimentación E/I, se construyó el modelo de la planta en el si-mulador de procesos ASPEN-PLUS y se deter-minaron los parámetros de diseño de la columna de destilación, la razón de reflujo mínima, la razón de reflujo real, el número de platos teóricos y las necesidades térmicas de la columna.

Resultados y discusión

El sistema de reacción para producir ETBE está formado por dos reactores catalíticos en serie. A temperaturas bajas, la reacción está controlada por la cinética de la reacción y a temperaturas altas por la termodinámica. Para obtener la máxima conversión se opera el primer reactor isotérmicamente a una temperatura alta para efectuar la mayor parte de la reacción y el segundo reactor se opera adiabáticamente a una temperatura más baja para incrementar la con-versión total.

La figura 2 muestra el efecto de la temperatura y la relación molar E/I, sobre la concentración de ETBE y DIB en el efluente del reactor. A temperaturas mayores a 310°K y valores de la relación molar E/I > 1.10, la fracción molar de DIB fue menor al 0.5% molar y la de ETBE se aproxima asintóticamente a un máximo. El segundo reactor podría operarse a temperaturas que varían entre 313 K y 323 K para maximizar la conversión total a ETBE.

Fig. 2. Fracción molar en el equilibrio de DIB y ETBE como función de la temperatura y la relación molar de alimentación E/I.

Para analizar el efecto del exceso de etanol en el comportamiento de la columna de destilación; en el diagrama de curvas de residuo de la figura 3, se presentan los balances de masa en la co-lumna para tres relaciones de alimentación E/I. La presión en el condensador es 8 kg/cm² y a una relación molar igual o menor a 1.1 se satisfacen las especificaciones requeridas para el producto de fondos (6% molar de etanol y 1.5 % de DIB.

Fig. 3: Diagrama de curvas de residuo. Efecto de la relación molar E/I sobre la composición de destilado y fondos. Balance de masa en la columna debutanizadora.

Para establecer las condiciones de operación y los parámetros de diseño de la columna de destilación, se utilizó el métodos simplificado de diseño (Winn-Underwood-Gilliland). Por medio de un análisis de sensibilidad se estableció la presión en el condensador (8 kg/cm²), rehervidor (8.7 kg/cm²) y conocido el grado de recuperación de los componentes clave (1-buteno y ETBE), se obtuvieron los siguientes resultados:

razón de reflujo mínima = 0.301;
número mínimo de etapas = 15;
razón de reflujo real = 0.5
número real de etapas = 26;
etapa de alimentación = 11;
carga térmica en el rehervidor 8905.9 MJ/hr y en el condensador = 7704.9 MJ/hr.

Se simuló rigurosamente la columna de destilación y se obtuvo, una corriente de ETBE con trazas de butenos, 3 % en peso de etanol, y 1.5 % de DIB. Estos resultados satisfacen la especificación comercial del producto.

Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

La metodología de diseño conceptual permite establecer los productos factibles y la relación molar de alimentación etanol/isobuteno. El valor de la relación molar de alimentación etanol/ isobuteno que se determinó, permite garantizar una alta selectividad hacia ETBE.

Los diagramas de curvas de residuo permiten visualizar las alternativas de separación en una columna de destilación de mezclas, facilitando la obtención de resultados con un simulador de procesos.

La simulación del proceso permitió obtener las condiciones de operación y los parámetros de diseño.

Referencias

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