Termodinamica de produccion de acetona

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DISEÑO DE UNA PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ACETONA A PARTIR DE ISOPROPANOL

Grupo #3

James Cantillo, Walter Álvarez, Styht Gutiérrez, Carlos Munive, Jonhatan Pérez.

Estudiantes de la Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia

Diseño del tren de separacion

• Aspectos generales.

En el proceso de producción de acetona por medio de la deshidrogenación de IPA, la corriente que sale del reactor del reactor, que contiene acetona, hidrógeno, agua, IPA sin reaccionar y demás componentes entrantes en la corriente de alimento y que no participan en la reacción como lo es el isobutileno, la Metil Etil cetona (MEK), Ácido acético y pentanol como componente pesado, se enfrían en dos intercambiadores de calor antes de entrar en el separador de fase. El vapor que sale del separador se lava con agua para recuperar más acetona, y luego este líquido se combina con el líquido del separador y se envía a la sección de separación.[1]

Esta mezcla a separar involucra azeótropos formados por dos componentes principales presentes en la reacción, aunque no se forme azeótropo entre ellos si lo hacen con otras sustancias presentes en la mezcla y pueden en cualquier caso intervenir con el proceso, estas sustancias principales como el IPA con un punto de ebullición de 82,4 °C siendo el punto de ebullición más alto a condiciones normales, la acetona con un punto de ebullición de 56,2 °C y por último el metanol con un punto de ebullición de 64,7 °C, que aunque no participa en la reacción, es de interés en la sección de separación ya que forma azeótropo negativo con el producto deseado acetona (aproximadamente 87% de acetona) y el otro azeótropo negativo formado en la mezcla es el de IPA y agua (aproximadamente a 12% de agua) el cual es recirculado nuevamente al proceso. [2]

En la Tabla 1 se muestran las principales propiedades físicas de los productos principales obtenidos en el reactor, que se tienen en cuenta para los procesos de separación involucrados.[2]

Tabla 1. Propiedades de las sustancias importantes en el proceso.

• Modelo termodinámico.

Los modelos de solución más conocidos incluyen ecuaciones de los modelos de Margules, Van Laar, Wilson, NRTL y UNIQUAC para los sistemas en fase liquida y vapor, mientras que para los gases se utilizan mas las ecuaciones cubicas que modelan mejor el comportamiento de estos en un proceso, estas ecuaciones son comúnmente las ecuaciones ecuación Virial, Peng Robinson, Soave-Redlick-Kwong entre otras. En la Tabla 2 se muestra el modelo más adecuado de acuerdo con los compuestos manejados en fase liquida y en la Tabla 3 es mostrado los modelos más adecuados para la fase gaseosa.

Tabla 2. Modelo usado de acuerdo con el compuesto para los líquidos.

Tabla 3. Modelo usado de acuerdo al proceso para el gas

En el equilibrio de un gas con un líquido puede y debe separarse en dos tipos separados de problemas de separación:

1. La separación de compuestos orgánicos volátiles de un gas como el nitrógeno.

2. La separación del gas de un líquido.

Para este sistema, el gas típicamente es escasamente soluble en el líquido, y debido a esto, los modelos de solución como la ecuación de NRTL estiman con precisión la presión de vapor de los orgánicos volátiles, tales como los trabajados (Acetona, IPA, Metanol, isobutileno, la Metil Etil cetona (MEK), Ácido acético y pentanol). Además, se prefiere el modelo NRTL debido a su capacidad mejorada para corregir los cambios de temperatura.[3]

Por tanto, el modelo NRTL es seleccionado para la actividad líquida con Peng-Robinson para la fase de vapor. La ecuación de estado de Peng-Robinson puede adaptar para predecir equilibrios líquido-vapor, mucho mejor que Van der Waals y además se ajusta a las necesidades del gas Hidrogeno producido en la reacción que al ser un gas inerte esta ecuación es válida para el mismo.[8]

• Equilibrio de fases.

Luego que ha ocurrido la reacción se procede a separar el producto deseado del resto de componentes presentes en la mezcla por medio de un tren de separación. Los diagramas de equilibrio liquido – vapor se realizan para los sistemas binarios correspondientes al producto deseado (Acetona) para los rangos de presión y temperatura estimadas para predecir los azeótropos formados, Para la solubilidad parcial de los líquidos se utiliza el modelo de NRTL. Para describir la solubilidad del gas se pueden emplear tres métodos:

1. Coeficientes de Henry para soluciones diluidas

2. Ecuaciones de estado

3. Definición asimétrica de fugacidad del componente con líquido - modelado de actividad.

Por tanto, para poder obtener los diagramas de equilibrio de fase se toma como ecuación de estado NRTL-Peng Robinson y emplea el modelo de actividad para predecir el comportamiento ya que este es quien mejor se ajusta a la realidad.

Los diagramas de fase son construidos y evaluados a través de una regresión en el programa de simulación de Aspen plus a distintas presiones empleando el modelo seleccionado con anterioridad donde advierte la presencia de azeótropos en la mezcla, haciendo dificultosa la destilación y separación del componente deseado (Acetona), sin embargo, es posible realizar una separación usando una destilación simple evitando los puntos azeotrópicos y aun así obtener una composición deseada de acetona. Estos comportamientos pueden ser evidenciados en las figuras 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 mostradas a continuación.

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Figura 1. Diagrama Txy Acetona-Metanol a diferentes presiones.

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Figura 2. Diagrama Txy Acetona-IPA a diferentes presiones.

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Figura 3. Diagrama Txy Acetona-Isobutileno a diferentes presiones.

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Figura 4. Diagrama Txy Acetona-Pentanol a diferentes presiones.

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Figura 5. Diagrama Txy Acetona-Ácido acético a diferentes presiones.

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Figura 6. Diagrama Txy Acetona-MEK a diferentes presiones.

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Figura 6. Diagrama Txy Acetona-agua a diferentes presiones.

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Figura 7. Diagrama Txy IPA-Agua a diferentes presiones.

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