Control simulado en Aspen Dynamics para la producción de epóxido de limoneno a escala piloto (resumen)

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ

SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

TEMA:

CONTROL SIMULADO EN ASPEN DYNAMICS PARA LA PRODUCCIÓN DE EPÓXIDO DE LIMONENO A ESCALA PILOTO (RESUMEN)

AUTORES

GARCÍA PALLO FERNANDO DAVID

MACIAS PICO EVELYN JANINA

DOCENTE:

ING. FRANCISCO SÁNCHEZ

PARALELO:

“C”

Control simulado en Aspen Dynamics para la producción de epóxido de limoneno a escala piloto

INTRODUCCION.

El epóxido de limoneno es un compuesto de alto valor agregado que se obtiene a partir del limoneno, sustancia presente en cítricos como la cáscara de la naranja Para la obtención del epóxido a partir de la oxidación selectiva del limoneno, se ha reportado que con el sistema catalítico PW-Amberlita (catalizador sólido), peróxido de hidrógeno acuoso (oxidante) y acetonitrilo (solvente), se obtienen altas productividades (conversión de limoneno ~80% y selectividad al epóxido (90%). Uno de los mayores atractivos de este sistema catalítico, figura 1, es que al utilizar como oxidante el H2O2, se disminuye notablemente la generación de desechos contaminantes con respecto a otros sistemas propuestos; adicionalmente, el sistema permite recuperar y reutilizar el catalizador

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Figura 1. Esquema de la reacción de epoxidación de limoneno.

METODOLOGIA.

Las simulaciones se desarrollaron utilizando software de simulación Aspen Plus y Aspen Dynamics versión 8.0., simuladores comerciales ampliamente utilizados en la industria de procesos químicos, petroquímicos, farmacéuticos y biotecnológicos, entre otros. Con Aspen Plus es posible predecir el comportamiento físico, químico y termodinámico de un proceso, a partir del diseño y la selección de los modelos termodinámicos apropiados, los cuales se seleccionan según el tipo de componentes y condiciones de operación. Aspen Plus permite modelar gran variedad de aplicaciones tanto en estado estacionario como no estacionario. El uso de Aspen Plus permite un sencillo desarrollo, mantenimiento y actualización de modelos.

Simulación del sistema en continuo

El diagrama de flujo para el sistema de reacción en continuo se muestra en la figura 2. Se supone una batería de dos reactores CSTR de aproximadamente 13 litros (altura 0,306 m y diámetro 0,235 m) cada uno, operando al 80% de su capacidad y con un tiempo de residencia total cercano a 22 horas (bloques CSTR y CSTR2, figura 2). Esto con el objeto de simular un proceso continuo que produce alrededor de 1000g de epóxido de limoneno por hora, según datos reportados por Barrera et. El modelo estacionario en Aspen Plus se implementó utilizando las estrategias de simulación (paso a paso) reportadas por Agudelo et . Los reactores se simularon operando a 1 atmosfera de presión y 33 °C, con un flujo másico inicial de 11333,1 g/h (0,303 kmol/h) y una composición molar en la mezcla de alimentación de 0,03, 0,06, 0,27 y 0,64 para limoneno, peróxido de hidrógeno, agua y acetonitrilo, respectivamente.

Considerando datos experimentales para el sistema real, se espera que la conversión del limoneno sea aproximadamente del 80% a la salida del segundo reactor. Con el sistema operando a las condiciones de alimentación reportadas (temperatura, presión y concentración inicial de reactivos), la corriente de salida de los reactores estará compuesta principalmente por epóxido de limoneno, agua, acetonitrilo y el limoneno que no alcanza a reaccionar; sin embargo, frente a eventuales fluctuaciones en dichas condiciones, la corriente de salida de los reactores (corriente S2, figura 2) podría eventualmente contener peróxido de hidrógeno. Por otro lado, para la etapa de separación (bloque RADFRAC, figura 2) esta sustancia no se considera en el sistema ya que, según los reportes de Agudelo, la temperatura a la cual ingresa la mezcla a este bloque garantiza la descomposición.

El bloque “RSTOIC” consiste en un reactor estequiométrico, donde se simula, a las condiciones de salida de los reactores CSTR (33 °C, 1 atm de presión), la descomposición total del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno, según la reacción 2H2O2  2 H2O+O2. El bloque SEP consiste en un separador donde la corriente S3 (salida del reactor estequiométrico), se divide en dos corrientes: GAS y S4. La corriente GAS lleva el oxígeno formado por la descomposición de peróxido de hidrógeno y parte del agua, de modo tal que la corriente S4 lleva epóxido de limoneno, limoneno, acetonitrilo y agua. En este bloque se retira agua del sistema a través de la corriente GAS para garantizar la presencia de una sola fase líquida en la corriente que irá posteriormente a la torre de destilación, pues el exceso de agua desplaza el equilibrio líquido-líquido del sistema fuera de la zona de miscibilidad total. En un sistema real, tal separación es posible usando adsorbentes o filtros específicos selectivos al agua. Por su parte el bloque IC (intercambiador de calor) simula el calentamiento de la corriente S4 (33°C) a la temperatura de alimentación a la torre (bloque RADFRAC, figura 2), 77 °C. En la simulación se supone vapor de agua como fluido de calentamiento(100°C). El bloque RADFRAC (figura 2) simula la torre de destilación donde se recupera el epóxido de limoneno. Este se especifica en las simulaciones utilizando información y siguiendo recomendaciones de Barrera et al, quienes determinan que es posible llevar a cabo la separación de la mezcla en cuestión en una columna de destilación de ocho etapas (6 platos + condensador + rehervido), alimentación en el plato número 4, relación de reflujo de 3,1, condensador total y especificada de tal modo que la composición de epóxido de limoneno en los fondos presente un porcentaje másico mayoral 90%.[pic 3]

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Figura 2. Diagrama de flujo del proceso en continuo para la obtención del epóxido de limoneno.

En la figura 3 se muestra nuevamente el diagrama de flujo para la simulación del proceso una vez incluidos equipos hidráulicos como bombas (bloques P1, P2, P3 y P4) y válvulas (bloques V1, V2, V3, V4 y V5) que permiten simular el control del proceso. Para efectos de simplicidad y considerando que los bloques RSTOIC, SEP e IC no se incluyen en la estructura de control que se propone posteriormente para los reactores y la torre de destilación, estos tres bloques se agrupan en un subproceso o “Jerarquía” nombrado como el bloque ADE (figura 3).

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