Reporte-de-proyecto-de-simulacion-final.docx

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NAYARIT UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIAS PROGRAMA DE INGENIERIA QUÍMICA

ASIGNATURA: SIMULACIÓN DE PROCESOS PARTICIPANTES: ANGEL ARAIZA GONZALEZ GARRAFA FRANQUEZ JOSE DARÍO DOCENTE: DR. RAÚL DELGADO DELGADO

PROYECTO FINAL

Titulo SIMULACION MEDIANTE ASPEN PLUS PARA LA PRODUCCION DE ACETATO DE METILO POR ESTERIFICACION DE METANOL Y ÁCIDO ACETICO.

CONTENIDO I.

Introducción

II.

Resumen

III.

Generalidades del acetato de metilo

IV.

Aspen plus v8.0

V.

Descripción de los equipos

VI.

Descripción del proceso

VII.

Metodología

VIII.

Resultados

IX.

Conclusiones

X.

Bibliografía

INTRODUCCIÓN

La simulación de procesos juega un papel muy importante en las industrias, como una herramienta adecuada y oportuna de diseño, caracterización, optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. El acetato de metilo, también conocido como MeOAc, metil éster de ácido acético o etanoato de metilo, es un éster de carboxilato con la fórmula CH3COOCH3. Es un líquido inflamable que se usa ocasionalmente como disolvente, siendo débilmente polar y lipófilo, aunque su pariente cercano, acetato de etilo, es un disolvente más común que es menos tóxico y menos soluble en agua. El acetato de metilo se produce industrialmente mediante la carbonilación del metanol como un subproducto de la producción de ácido acético (Cheung et al., 2002). También surge de la esterificación del ácido acético con metanol en presencia de ácidos fuertes como el ácido sulfúrico. El último proceso de producción de acetato de metilo es muy famoso debido al proceso intensificado de Eastman Kodak que utiliza una destilación reactiva. La destilación reactiva es un proceso que combina separación y reacción química en una sola unidad. En la aplicación de destilación reactiva, las volatilidades de los componentes deben ser tales que los productos pueden ser removidos y los reactivos retenidos dentro de la columna. Al levar a cabo la reacción química y separación en un solo proceso, la operación y los costos de inversión pueden ser minimizados. (Prakash et al., 2011); Algunos beneficios adicionales ofrecidos por la tecnología de destilación coreactiva incluyen: 1) mayor rendimiento, debido a la superación de limitaciones del equilibrio químico y termodinámico. 2) selectividad mejorada mediante la supresión de reacciones secundarias 3) Consumo energético reducido, debido a la utilización efectiva del calor de reacción, en el caso de reacciones exotérmicas. 4) Capacidad para separar componentes de ebullición cerrada. Debido a estas ventajas y con el crecimiento del entendimiento de este proceso, la industria de procesos químicos ha desarrollado un gran número de procesos basados en la destilación reactiva. (Bock et al., 1997). En los últimos años, la simulación de procesos ha llegado a ser una herramienta de apoyo para el diseño y evaluación de distintos procesos relacionados a la industria química, hidrocarburos, minería, etc. La simulación de procesos juega un papel muy importante en las industrias antes mencionadas, como una herramienta adecuada y oportunidad de diseño,

caracterización, optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. (Valadez et al., 2017). De acuerdo a la información obtenida en la literatura del proceso de destilación extractiva, se utilizará Aspen Plus v8.0 como medio para la simulación de este proceso aplicado a la producción de Acetato de Metilo por medio de la esterificación de Metanol y Ácido acético.

RESUMEN: Se lleva a cabo una simulación, haciendo uso del programa ASPEN PLUS V8.0, el proceso tuvo como objetivo obtener acetato de metilo a partir de una alimentación compuesta por 110.231 Lbmol/h de Metanol y 121.254 lbmol/h de Ácido acético a 122ºC y 24.7 psia un reactor de equilibrio. Los parámetros para correr el programa de Aspen Plus fueron proporcionados por una fuente bibliográfica. Se usa una columna RadFrac; donde se separan los componentes, obteniendo por el domo Acetato de metilo como producto y el flujo saliente por el fondo es recirculado al reactor; con este proceso se obtuvo un rendimiento mayor.

PALABRAS CLAVE: Destilación reactiva, alimentación, temperatura, mezcla, rEquil, RadFrac.

GENERALIDADES Fabricación y uso de acetato de metilo. Acetato de metilo es un líquido inflamable, su punto de ebullición es de 57.1°c. En alta pureza es usado, en grandes cantidades, como intermediario en la manufactura de gran variedad de poliésteres, como base para películas fotográficas, como materia prima para la producción de acetato de celulosa, plásticos de celulosa, filtros de cigarrillo y, principalmente, en la producción de solventes, colorantes y otros productos análogos como barnices, disolvente de resinas y pinturas industriales. (Trujillo., 2011).

ANÁLISIS DE LA REACCIÓN Por medio del análisis termodinámico se puede predecir los rangos de las condiciones de operación de la reacción de esterificación para la producción de Acetato de Metilo. Esta reacción se lleva a cabo haciendo reaccionar el ácido acético con el metanol, para producir 1 molécula de acetato de metilo y 1 mol de agua, como se muestra a continuación:

Reacción reversible en fase líquida:

ÁCIDO ACÉTICO 𝐶𝐻₃𝐶𝑂𝑂𝐻

METANOL

𝐶𝐻₃𝑂𝐻

ACETAO DE METILO

𝐶𝐻₃𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻₃

AGUA H2O

𝐶𝐻₃𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝐶𝐻₃𝑂𝐻 ⇔ 𝐶𝐻₃𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻₃ + H₂O

ASPEN PLUS V8.0 Es un simulador modular secuencial que permite ejecutar una secuencia orientada a ecuaciones. Este paquete de software sofisticado es usado en aspectos de ingeniería de proceso desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad. Tiene una biblioteca modelo incorporada para columnas de destilación, separadores, cambiadores de calor, reactores, etc. Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca de modelos. Tiene un banco de datos de propiedades incorporado para los parámetros termodinámicos y físicos. Usa las relaciones físicas fundamentales de balances de masa y energía, relaciones de equilibrio, correlaciones de velocidad (Reacción, transferencia de masa y calor). Aspen plus predice flujos, composiciones, propiedades de las corrientes, condiciones de operación y tamaño de equipo. Ofrece múltiples ventajas ya que reduce el tiempo de diseño de una planta, permite al diseñista examinar rápidamente varias configuraciones de planta, ayuda a mejorar procesos actuales, responde a las interrogantes en el proceso, determina condiciones óptimas del proceso dentro de las restricciones dadas.6

DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Reactor (REquil); se emplea cuando una o más reacciones involucradas son reacciones de equilibrio, El bloque requiere el conocimiento de la estequiometria de la reacción, y realiza reacciones químicas y de equilibrio de fase. REquil tiene flujos de productos en fase líquida y vapor (ambos son necesarios). La única información requerida para este bloque es el flujo de salida y la reacción.

2

1

B1

3

5

4

B2

6

RadFrac es un modelo aplicable en un amplio número de situaciones, ofrece suficiente complejidad y rigor en el cálculo, es sencillo en la construcción del modelo de columna en ASPEN PLUS. Es un modelo de columna de destilación riguroso similar a los basados en Underwood-Fenske; tiene el suficiente rigor para destilaciones convencionales.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Se tiene una alimentación compuesta por 110.231 lbmol/h de Metanol y 121.254 lbmol/h de Ácido acético a 122 ºC y 24.7 psia un reactor de equilibrio. La reacción entre el Metanol y el Ácido acético forma Acetato de metilo y agua. El efluente resultante del rector se encuentra formado por una combinación de Metanol, Ácido Acético, Acetato de metilo y Agua son introducidos a una mezcladora para tener un solo flujo de estos componentes. El efluente de la mezcladora pasa a través de una bomba para aumentar la presión y así poder entrar a una torre de destilación donde se separará el agua y el producto deseado que es el Acetato de metilo. La salida de la parte baja de la columna pasa por un divisor donde se realizará una purga y la otra salida será recirculada al reactor para recuperar componentes claves de la reacción que son el Metanol y el Ácido acético.

Metodología 1. Se introdujeron las sustancias a emplear o participantes en el proceso (corriente C-2), en este caso Metanol (𝐶𝐻4 𝑂), Acetato de metilo (𝐶3 𝐻6 𝑂2), Ácido acético (𝐶2 𝐻4 𝑂2) y agua (𝐻2 𝑂). 2. En la hoja de simulación se insertó un reactor de equilibrio (REquil) con una alimentación (corriente C-2), de 50 Kmol/h de Metanol y 55 Kmol/h de Ácido acético a 50ºC y 1 atm. 3. Los efluentes (corrientes C-3 y C-5) son introducidos en un mezclador (MIXER) 4. La corriente (C-4) se introduce una bomba para cambiar la presión del efluente del mezclador a una presión de 25 psía. 5. La corriente (C-6) se introduce un RadFrac (columna de destilación) la cual está constituida por 25 etapas, la entrada de alimentación se encuentra en la etapa 20. La columna tiene un condensador total, un radio de destilado de 45 Kmol/h y radio de reflujo de 2.2. se toma una caída de presión de 5 psia en el condensador y 5 psia por toda la columna. 6. La salida (C-10) es el producto final 7. La salida (C-7) es llevada a un divisor, donde se la mitad del flujo es purgado(C-8) y la otra mitad es recirculado al reactor(c-11).

FIGURA1.- DIAGRAMA DE PROCESO: PARA OBTENCION DE ACETATO DE METILO.

RESULTADOS REACTOR corriente/compuesto

Metanol (lbmol/h)

Ácido Acético (lbmol/h)

Agua (lbmol/h)

Acetato de metilo (lbmol/h)

Presión (psia)

Temperatura (°F)

C2

110.231

121.254

0

0

14.5038 122

C3

3.28501

28.6053

213.903 117.969

14.5038 122

C11

0.00546597 14.3027

106.952 11.0178

24.7

232.147

Tabla 1.- Resultados de las corrientes en el reactor

La corriente C-2 es la entrada al reactor, como se muestra solo se tiene una alimentación de Metanol y Ácido acético, en la salida C-3 que es el efluente del reactor se tiene ya el acetato producido, en este caso 117.969 lbmol/h de acetato, los componentes como el Metanol y el Ácido acético disminuyen en el reactor y por lo tanto tambien en la salida de este. La corriente C-11 es la corriente de recirculación, la cual sale de la torre de destilación, esta corriente lleva poca cantidad de todos los componentes (en especial de los reactivos) para su recuperación, esto explica la cantidad de salida de los componentes en C-3. Torre de destilación corriente/compuesto

Metanol (lbmol/h)

Ácido Acético (lbmol/h)

Agua (lbmol/h)

C-6

3.28501

28.6053

C-7

0.0109319 28.6053

c-10

3.27409

1.322 × 10−14

Presión (psia)

Temperatura (°F)

213.903 117.969

25

122.257

213.903 22.903

24.7

232.147

14.7

133.025

3.207 × 10−9

Acetato de metilo (lbmol/h)

95.9339

Tabla 1.- Resultados de las corrientes en la columna

Radio de destilado Radio de reflujo No. platos No. De plato de alimentación

99.208 2.2 25 20

Tabla 1.- Caracteristicas y resultados en la columna

En la torre de destilación la corriente de entrada C-6 se introdujo a una presión de 25 psia ya que la columna trabaja a una presión atmosférica. La corriente C-7 es la corriente de salida de la parte del rehervidor, en esta corriente sale la mayor cantidad de agua separada en la torre de destilación, una pequeñísima parte de Acetato y otras impurezas. La corriente C-10 es la que se desea, ya que esta contiene la mayor cantidad de acetato de metilo 95.9339 lbmol/h que es el 0.966 % de recuperación de la

Acetona producida en el reactor. y muy poca concentración de agua, con impurezas de los otros componentes. Siendo C-7 y C-10 las salidas de la torre de destilación, se puede observar como en C-7 trabaja a una presión atmosférica y como en C-10 aumenta dicha presión, así como su temperatura.

Grafica1. - Cambio de concentración de los compuestos en cada etapa de la columna de destilación.

Conclusiones Con el fin de obtener un producto en un solo proceso, se ha optado por la destilación reactiva, que consiste en producir el producto en el reactor mediante su respectiva reacción y después una columna para la máxima recuperación de este. Con este proceso se pudo obtener una recuperación del 96.666% de recuperación del producto producido justo después de obtenerla en el reactor, teniendo muy pocas impurezas en la parte de nuestro producto. El uso de los softwares como Aspen Plus en una herramienta bastante accesible y fácil de utilizar, que nos permite realizar la simulación del proceso de una manera rápida, y con unos resultados más confiables.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. G. K. Surya Prakash, 2011. Remarks on the mechanism of ethylene formation from methyl alcohol. Jornal of Engineering and Applied Sciencies, 5, 23-44 2. Paola Yuliana Trujillo Paz. (junio 2011). Diseño y simulación de una planta

de producción de acetato de metilo a partir de ácido acético y metanol. Ingeniería de procesos II (30). Colombia: 1. 3. A. GIWA. (mayo 2013). Methyl acetate reactive distillation process modeling, simulation and optimizatión using aspen plus. ARPN Jornal of Engineering and Applied Sciencies, 8, 386-387 4. Pisarenko book, Yu.A.; Serafimov, Leonid A Cardona Alzate, Carlos Ariel;. New perspectives in C1- 4 acetates production using reactive distillation: Acetic Acid or Acetic Anhydride as raw materials. En: 3rd European Congress of Chemical Engineering, 1997. 5. Ing. Sergio Valadez Rodríguez M. en A. Jahel Valdés Sauceda, M. en C. Ana María Atencio de la Rosa. (2017). Procesos de separación, columnas de destilación utilizando simuladores en laboratorios de ingeniería química industrial, en el Instituto Politécnico Nacional. Tendencias y desafíos en la innovación educativa, sn, 572-582. 6. https://www.aspentech.com/en/products/engineering/aspen-plus