Simulación de procesos, análisis y optimización de un proceso de carbón a etilenglicol

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Simulación de procesos, análisis y optimización de un proceso de carbón a etilenglicol

Qingchun Yang a, * , Dawei Zhang a , Huairong Zhou b , Chenwei Zhang a a School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, PR China b School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, PR China article info Article history: Recibido el 15 de noviembre de 2017 Recibido en forma revisada el 19 de febrero de 2018 Aceptado el 25 de abril de 2018 Disponible en línea el 27 de abril de 2018 Palabras clave: Con el rápido desarrollo de la industria del poliéster, la creciente demanda de etilenglicol (EG) está en conflicto con la escasez de suministro en China. El gran proyecto de producción de EG a partir del carbón ha recibido cada vez más atención. Sin embargo, se ha hecho poco trabajo para modelar y simular el proceso completo de carbón a etilenglicol (CtEG), y hay una falta de investigación que analice u optimice el rendimiento de su sistema. En este trabajo, el proceso CtEG fue modelado y simulado para calcular y analizar su balance de masa y energía. Los modelos fueron validados por comparación con los datos industriales. El balance de elementos y el rendimiento termodinámico del proceso CtEG se analizaron para identificar el cuello de botella técnico y proporcionar apoyo teórico para la producción real. Se investigaron y optimizaron parámetros clave para aumentar el rendimiento del producto y mejorar el rendimiento del sistema del proceso CtEG. Los resultados indican que el proceso produce 37,50 t/h EG a partir de 118,98 t/h de carbón. La eficiencia energética del proceso CtEG es del 30,68%. Las unidades de gasificación del carbón y de síntesis EG tienen el mayor potencial de reducción de la destrucción de exergía. Después de la optimización, la producción y la eficiencia energética del proceso se incrementa en un 3,04% y un 2,64%.

1. Introducción

 El etilenglicol (EG), una de las materias primas químicas orgánicas más importantes, se utiliza ampliamente en diversos campos, como precursor para la fabricación de fibras y resinas de poliéster, anticongelante y refrigerante en automóviles, líquido de deshielo de parabrisas y aviones[1]. Con el rápido desarrollo de la industria del poliéster, la demanda del mercado de EG continuó creciendo, especialmente en China[2]. La tasa media de crecimiento anual de su capacidad de producción es de alrededor del 10% en los últimos años, sin embargo, está lejos de satisfacer la demanda de consumo interno de EG, como se muestra en la Fig. 1. Está claro que la dependencia de China del etilenglicol extranjero es superior al 60%. Por lo tanto, es urgente e importante aumentar la capacidad de producción de etilenglicol para aliviar el conflicto entre la oferta y la demanda de etilenglicol. Existen dos tipos de tecnologías para la producción de EG en la industria: una son las rutas tradicionales basadas en el petróleo, representadas por la tecnología de hidratación del óxido de etileno; y la otra son las rutas basadas en el carbón. La tecnología de hidratación de óxido de etileno es una tecnología madura y de amplia aplicación; sin embargo, se caracteriza por los importantes inconvenientes de los altos costos de producción, el alto consumo de energía y de agua. Además, la principal materia prima para la producción de óxido de etileno, el etileno, se produce mediante pirólisis de petróleo[3]. Hace que la tasa de crecimiento de la capacidad de producción de EG esté sujeta a la planta de etileno de apoyo. Como resultado, la capacidad de producción de EG aumenta lentamente. Como más de diez grandes plantas de carbón a etilenglicol (CtEG) están funcionando con éxito en China. La tecnología CtEG se ha vuelto inmensamente prometedora para aumentar la capacidad de producción de EG Ref. [4]. En comparación con las rutas a base de aceite, el proceso CtEG tiene las siguientes ventajas[2,4]: (1) Utiliza plenamente los abundantes recursos de carbón de China para reducir el grado de dependencia del petróleo y garantizar la seguridad energética nacional; (2) la tecnología CtEG tiene un coste de producción más bajo, menos complejidad, menor consumo de energía y condiciones de funcionamiento más moderadas; (3) el rendimiento del catalizador es buena estabilidad, alta conversión y selectividad[5]; (4) debido a que el óxido nítrico se encuentra siempre en un estado cerrado, por lo que la descarga del proceso CtEG es relativamente baja; y (5) la fluctuación de los precios del carbón tiene un impacto menor en los costes de producción. Por lo tanto, la tecnología CtEG ha sido considerada como una ruta alternativa para la producción de EG. * Autor correspondiente. El proceso CtEG convencional incluye tres pasos: gasificación de

Figura 1

carbón a syngas, acoplamiento catalítico de CO con ésteres de nitrito a oxalatos de dialquilo (por ejemplo, oxalato de dimetilo), e hidrogenación de oxalatos a EG Ref. [6]. Se han realizado muchos trabajos previos sobre la preparación, caracterización y optimización de catalizadores de síntesis de oxalatos de dialquilo[7,8] y catalizadores de síntesis de EG[9,10]. Por ejemplo, He et al.[6] investigaron el efecto del dopaje del óxido bórico sobre la estabilidad y actividad de un catalizador de Cu-SiO2 para la hidrogenación en fase vapor del oxalato de dimetilo en un producto EG. Ye et al.[11] desarrollaron un nuevo método efectivo y de bajo costo para mejorar el rendimiento catalítico de los catalizadores de Cu-SiO2 para la síntesis de etilenglicol. Mientras que el proceso CtEG consta de varias unidades (como la unidad de gasificación de carbón, la unidad de cambio de agua-gas, la unidad de separación y purificación de gas y la unidad de síntesis EG), el flujo de masa y energía, así como su integración del proceso, son relativamente complejos. Además, estas unidades están interconectadas y restringidas. Como resultado, si se cambia un parámetro de operación de un equipo o unidad, es probable que se produzca un efecto de cadena, como por ejemplo tener un gran efecto en los parámetros del flujo, la carga y los costos de operación, e incluso afectar la estabilidad así como el rendimiento general del proceso. La simulación, el análisis y la optimización de procesos son herramientas útiles para abordar estos problemas. Por ejemplo, Li y otros[12] establecieron el modelo matemático de un carbón a metanol para identificar su balance de masa y energía. Lee y otros[13] llevaron a cabo la simulación del proceso y el análisis termodinámico de una planta de ciclo combinado de gasificación integrada con un gasificador de carbón arrastrado para analizar el efecto de los carbones de diferentes grados sobre el rendimiento técnico y económico del sistema. Man et al.[14] realizaron un análisis exhaustivo para determinar el mejor escenario de desarrollo del proceso de gasificación del carbón con/sin captura de CO2 sobre la base del modelo matemático de estos procesos. Yi y Li[15e17] adoptaron métodos convencionales de Ingeniería de Sistemas de Proceso para investigar el efecto de los parámetros clave en los procesos químicos basados en carbón para optimizar su rendimiento tecno-económico. El análisis de exergía, una herramienta eficiente para determinar la magnitud, ubicación y fuente de ineficiencias de los sistemas de conversión de energía, se ha aplicado para analizar un proceso de poligeneración basado en carbón[18], un sistema de cogeneración basado en GNL[19], una central eléctrica de carbón supercrítico[20], un sistema de poligeneración basado en biomasa[21], y un sistema de tratamiento termoquímico de lodos de depuradora[22]. Nuestros trabajos anteriores[23,24] también habían utilizado estos métodos para analizar y optimizar un proceso de retorta de esquisto bituminoso tipo Fushun. Hasta la fecha, sin embargo, no se han publicado trabajos sobre el modelo y que simulen el proceso CtEG completo, y hay una falta de investigación que analice u optimice el rendimiento del sistema de todo el proceso CtEG. Las principales contribuciones de este documento son: (1) establecer y validar el modelo matemático del proceso CtEG completo para calcular su masa y el balance energético; (2) aplicar el análisis de exergía al proceso CtEG para identificar el cuello de botella energético; (3) investigar los efectos de cada parámetro clave en cada unidad y en todo el sistema; y (4) sugerir posibles estrategias de mejora para aumentar la producción y la eficiencia energética del proceso CtEG.

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