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Producciond eacetato de etilo en la industria
Tipo: Monografías, Ensayos
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El presente proyecto tiene como objetivo diseñar el sistema de control requerido para la producción de acetato de etilo. Este proceso consta de un diseño innovador, el cual se basa en la esterificación catalítica del etanol seguido de una separación eficiente mediante técnicas de destilación azeotrópica y extractiva en comparación a los procesos convencionales los cuales se producen mediante una reacción de esterificación de Fischer. A través de este proceso el número de columnas de destilación disminuye, dado que no se forma un azeótropo ternario que requiere de altas relaciones de reflujo. Este método permite aumentar la eficiencia de separación del proceso y así mismo la pureza del acetato de etilo al 99 %. El control del proceso se realiza a través del proceso de producción general de la planta. Para dicho control se dividió la planta tomando la sección de los siguientes equipos: Columna de destilación extractiva (C1), columna fraccionada (C2), columna de purificación de disolvente (C5), condensadores y rehervidores. Dicho proyecto se centra principalmente en el análisis de control general del funcionamiento de la planta que corrientes de alimentación ingresan teniendo en cuenta que las materias primas empleadas son etanol y ácido acético, así mismo su comportamiento dentro de la reacción resultante, sus productos y subproductos obtenidos para así, determinar el control de la variables del proceso. Se utilizan instrumentos como: sensores, controladores, válvulas, actuadores, sistemas de alarmas) con el fin de mantener el proceso dentro de límites óptimos que se ajusten a las condiciones de operación y así mismo cumpla con los objetivos de control establecidos.
Objetivo general: Diseñar un sistema de control de proceso eficiente y adaptable para la producción de Acetato de etilo, manteniendo un rendimiento óptimo del proceso en respuesta a las variaciones de las condiciones operativas dando cumplimiento a los objetivos de control establecidos. Objetivos específicos ● Analizar el tamaño de la planta en términos de capacidad de producción y dimensionamiento de equipos y tuberías, destacando aspectos que puedan afectar la operación. ● Identificar y definir variables involucradas en el proceso. ● Desarrollar estrategias de control que permitan cumplir las condiciones de operación y los objetivos de control.
Tabla 1. Propiedades físicas del acetato de etilo Teniendo en cuenta que el acetato de etilo puede formar azeótropos secundarios o terciarios con etanol y agua a un punto de ebullición de 70.3 ºC, siendo su composición (%wt) 83.2 de acetato de etilo, 7.8 agua y 9.0 etanol. Se toma en cuenta el comportamiento a presión atmosférica Tabla 2. Azeótropos del acetato de etilo a P=1 atm Propiedad física Valor Peso molecular (g/mol) 88. Punto ebullición (˚C) 77 Punto fusión (˚C) -83. Densidad del líquido (kg/m3 ) 902 Densidad relativa del vapor (Aire=1) 3. índice de refracción (nD 20) 1. Viscosidad cinemática a 20˚C (kg/m s) 0. Tensión superficial a 20˚C (N/m) 0. Temperatura crítica (˚C) 250 Presión crítica (bar) 0. Presión vapor (bar) 0. Acidez (pKa) 25 Momento dipolar (D) 1. Otro compuesto Punto de ebullición (°C) Composición AE (%wt) Agua 70.4 93. Metanol 62.3 56 Etanol 71.8 69. Isopropano 75.3 75 Disulfuro de carbono 46.0 7. Ioduro de etilo 70.4 24 Ciclohexano 72.8 46 Hexano 65.0 58
Tabla 3. Propiedades termodinámicas más importantes Propiedades termodinámicas Valor Punto flash (°C) -4. Temperatura de autoignición (°C) 427 Límite de explosividad inferior (%) 2. Límite de explosividad superior (%) 11 Calor de combustión (kJ/mol) 2238. Calor latente de vap. a 25 °C (kJ/mol) 35. Calor específico (kJ/mol ˚C) 0. Entalpía estándar de formación (kJ/mol) -442.
Descripción del proceso de obtención de acetato de etilo, el manejo de las corrientes de materias primas y los productos obtenidos a lo largo del proceso. Preparación de Materias Primas: Las materias primas, que son etanol y ácido acético, se bombean desde los tanques de almacenamiento T1 y T2. Estas corrientes se combinan en una relación molar de 3:1 y se precalientan a 40 °C en el intercambiador de precalentamiento PH1 antes de ingresar al reactor R1. Reacción en el Reactor R1: La mezcla de etanol y ácido acético se introduce en el reactor R1, que contiene gránulos de catalizador Amberlyst 35. Esta reacción es exotérmica y se controla a una temperatura máxima de 50 °C. La reacción impulsa la conversión del ácido acético hasta alcanzar aproximadamente un 90%. Separación en el Sedimentador V1: La salida del reactor R1 se dirige al sedimentador V1, donde se separa continuamente cualquier catalizador arrastrado de la corriente de salida. El catalizador sólido se sedimenta en el fondo y se devuelve al reactor por gravedad. Destilación Extractiva en C1: La corriente líquida que sale del sedimentador V1 se alimenta a la columna de destilación extractiva C1. En esta etapa, se separa el acetato de etilo, el etanol, el agua y una pequeña cantidad de ácido acético. Se utiliza una mezcla de etilenglicol y DMSO como disolvente para mantener la mezcla de etanol y agua como producto de fondo y el acetato de etilo como producto de cabeza. Recuperación de Disolvente en C2: E l producto de fondo de C1, que contiene etanol, agua y disolvente, se dirige a la columna de recuperación de disolvente C2. Sulfuro de etilo 73.0 77 1,3-ciclohexadieno 72.8 46
El objetivo del proceso de obtención de acetato de etilo desde el punto de vista de operaciones unitarias es transformar el ácido acético y el etanol para producir acetato de etilo de alta pureza mediante un catalizador Amberlyst 35.
La planta de producción de acetato de etilo se encuentra ubicada en India. Cuenta con una capacidad de diseño de 10.000 TM/año. Esta producción es equivalente a 8400 horas de trabajo por 350 días por año. El diseño de la planta se basó en una publicación de Global Asset Protection Services LLC, la cual se apoya en el diseño seguro de plantas y equipos disponibles en línea que cumple con las normas y reglamentos medioambientales. La simulación de la planta se realizó por medio del software ASPEN para verificar la viabilidad del diseño. Cada equipo se evalúa individualmente y se optimizan mediante el análisis de sensibilidad para lograr el máximo rendimiento. Al ser una planta auxiliar de producción asume las siguientes consideraciones: ● Las instalaciones de extinción de incendios y los servicios públicos están presentes como una instalación central de la planta ● El diseño adecuado de la planta permite reducir la probabilidad de daños y reducir el costo operativo ● La torre de enfriamiento se mantiene en el borde oeste para que el efluente no se esparza sobre la planta debido al viento. La inversión inicial de la planta oscila alrededor de $2.774.750 USD. Este dato se deriva del costo del equipo total adquirido utilizando datos (años base 1990) disponibles en el libro Plant.
2.3.1. Ácido Acético: Es un compuesto químico que actúa como el reactivo principal en la transesterificación. Se utiliza para reaccionar con el etanol y producir acetato de etilo. 2.3.2. Etanol: Es un alcohol que se utiliza como reactivo en la transesterificación. Reacciona con el ácido acético para formar acetato de etilo.
2.3.3. Etilenglicol y Glicerol: Estos dos solventes se utilizan en la destilación extractiva para separar el acetato de etilo, el etanol y el agua. El etilenglicol y el glicerol forman una mezcla solvente que es selectiva para extraer el acetato de etilo. 2.3.4. Etilenglicol y DMSO (Dimetilsulfóxido): Estos solventes se utilizan para recuperar el etanol de la corriente de producto superior de la columna fraccionadora. El etanol se extrae de la mezcla etanol-agua utilizando esta mezcla de solventes. Productos Intermedios: 2.3.5. Corriente del Sedimentador: Después de la transesterificación, se obtiene una mezcla que contiene acetato de etilo, etanol, agua y pequeñas cantidades de ácido acético. Esta mezcla es el producto intermedio que se envía a la columna de destilación extractiva. 2.3.6. Corriente de Producto Superior de la Columna Fraccionadora: En la columna fraccionadora, se separan el etanol, el agua y pequeñas cantidades de ácido acético. La corriente resultante contiene principalmente etanol y se somete a un proceso de recuperación adicional. Producto Final: 2.3.7. Acetato de Etilo : Es un éster ampliamente utilizado en la industria química. Es una sustancia líquida con un olor característico agradable y se utiliza en la fabricación de productos químicos, solventes, productos farmacéuticos, fragancias y productos de cuidado personal, entre otros.
● Para el proceso se utiliza un intercambiador de calor de carcasa y tubos ya que tiene mayor eficiencia y es más fácil de operar y mantener. Material de construcción: IS 2002:1962 Grado 2B • Las normas
● Reactor: La producción de acetato de etilo es una reacción de un solo paso. La velocidad de reacción es el paso limitante de la velocidad del proceso y dicta el volumen del reactor continuo. El reactor de acetato de etilo es un CSTR con catalizador sólido y los reactivos y productos están en fase líquida. Se contempla un CSTR con un sedimentador que separa el catalizador y lo recicla al reactor. La proporción (etanol:acetato de etilo) debe ser alta para garantizar una alta conversión de ácido acético, ya que es mucho más costoso que el etanol. El sedimentador está situado a 2 m por encima del CSTR para garantizar una altura de gravedad suficiente para transferir la fase rica en catalizador de regreso al reactor. Tabla 5. Especificación de reactor. Reactor R- Función Reacción de esterificación para la producción de acetato de etilo Tipo de operación Adiabático, agitado continuamente Componentes Etanol, ácido acético, agua, acetato de etilo. Tipo de catalizador Amberlyst 35 Diámetro del catalizador 0.8 mm Tipo de reactor CSTR Condiciones de operación Temperatura 49.85 °C Presión 1.5 bar Conversión 90% de ácido acético Construcción Tipo de turbina Disco estandar de 6 cuchillas Diámetro del impulsor 420mm Potencia de turbina 930 w Revoluciones de la turbina 135 Longitud del reactor 12.58 m Diámetro del reactor 12.58 m Volumen 1.530.000 cm^3 Material de construcción Acero inoxidable
● Sedimentador: separa el catalizador y recircula el mismo al reactor. La proporción (etanol:acetato de etilo) debe ser alta para garantizar una alta conversión de ácido acético, ya que es mucho más costoso que el etanol. Una vez que se ha logrado esta separación preliminar en el sedimentador, la fase superior, que contiene principalmente acetato de etilo, se dirige a la columna de destilación extractiva para una separación más refinada utilizando un solvente de etilenglicol+glicerol. Tabla 6. Especificación intercambiador de sedimentador ● Columnas de destilación De acuerdo a la información proporcionada por el libro “Process equipment and plant design”se estiman condiciones de operación y datos de diseño para los diferentes tipos de columnas de acuerdo al proceso, los datos de referencia se toman del Sedimentador U- Funciones Recuperación del catalizador arrastrado Tipo de operación Continuo Componentes Fluido de salida del reactor, Amberlyst 35 partículas de 0.8 mm Condiciones de operación Presión 1 bar Temperatura 49.85 °C Fracción líquido 1. Velocidad de líquido superficial 3 m/s Tiempo de retención 15 min Orientación Vertical Datos de diseño Diámetro 650 mm Longitud 410 mm Volumen 1.36 m^3 Material de construcción Acero carbono Grosor de la carcasa 6 mm Eficiencia conjunta 0.
El costo de la torre depende directamente del peso de la columna, mientras que el costo de las partes internas depende del diámetro de la torre y del tipo de bandeja utilizada. Tabla 8. Especificación columna fraccionadora. Columna de destilación T- Función Recuperación del solvente Tipo de operación Continuo Componentes Agua, etanol y Etilenglicol + glicerol Condiciones de operación Presión 1.5 bar Temperatura máxima 54 °C Temperatura mínima 40 °C Servicio del condensador -391000 W Servicio de rehervidor 501250 W Orientación Vertical Datos de diseño Tipo de columna Columna de bandeja Material de columna Acero inoxidable 18 Cr/Ti Ni estabilizado Ranuras Tapas de burbujas Tipo de bandeja Paso único, flujo inverso Tamaño de tapa 60 mm de diámetro Altura de columna 7 m Diámetro de columna 200 mm Espesor de columna 18.5 mm
Tabla 9. Especificación columna azeotrópica Tabla 10. Especificación columna de separación. Columna de destilación T- Función Recuperación de etanol Tipo de operación Continuo Componentes Etilenglicol + DMSO, agua y etanol Condiciones de operación Presión 1.5 bar Temperatura máxima 65 °C Temperatura mínima 40 °C Servicio del condensador -391000 W Servicio de rehervidor 501250 W Orientación Vertical Datos de diseño Tipo de columna Columna de bandeja Material de columna Acero inoxidable Ranuras Bandejas de válvulas Tipo de bandeja Paso único, cascada Tamaño de tapa 35 mm Paso 25 mm Altura de columna 6 Diámetro de columna 610 mm Espesor de columna 1000 mm Relación de reflujo 1: Ubicación de bandeja de alimentación 3 Número de etapas 10 Columna de destilación T- Función Recuperación de fondo de T-
Tabla 12. Especificación columna de recuperación. Presión 1.5 bar Temperatura máxima 70 °C Temperatura mínima 40 °C Servicio del condensador -391000 W Servicio de rehervidor 501250 W Orientación Vertical Datos de diseño Tipo de columna Columna de bandeja Material de columna Acero inoxidable 18 Cr/Ti Ni estabilizado Ranuras Tapas de burbujas Tipo de bandeja Paso único, flujo inverso Tamaño de tapa 50 mm de diámetro Paso 25 mm Altura de columna 7 m Diámetro de columna 710 mm Espesor de columna 18 mm Columna de destilación T- Función Purificación del arrastrador Tipo de operación Continuo Componentes Arrastrador Condiciones de operación Presión 1.5 bar Temperatura máxima 70 °C Temperatura mínima 40 °C Servicio del condensador -391000 W Servicio de rehervidor 501250 W Orientación Vertical Datos de diseño
Las unidades de trabajo se seleccionaron de modo que las tres puedan operar en serie garantizando la producción de acetato de etilo, asimismo la recuperación del etanol y la purificación del solvente para ser realimentado al proceso, se seleccionan tres columnas de destilación extractiva (verde), fraccionadora(amarillo) y purificadora (azul) respectivamente como se muestra en la figura 1 tomada del libro “Process equipment and plant design”. Figura 1. Equipos seleccionados (C1) columna extractiva, (C2) columna fraccionadora y (C5) columna purificadora.[7] Tipo de columna Columna de bandeja Material de columna Acero inoxidable 18 Cr/Ti Ni estabilizado Ranuras Tapas de burbujas Tipo de bandeja Paso único, flujo inverso Tamaño de tapa 70 mm de diámetro Altura de columna 7 m Diámetro de columna 200 mm Espesor de columna 20 mm
