Departamento de Ingeniería QuímicaDiseño de Procesos (76.57) Diseño de una planta de MTBE Trabajo Práctico N°1 por lo tanto si bien un exceso de metanol disminuye la velocidad de la reacción inversa. es más notorio el descenso de la velocidad directa. Además la reacción es reversible por lo cual no es posible alcanzar una conversión de 100%. 2 . Analizando la expresión de la velocidad de reacción se concluye que la velocidad específica de la reacción directa es significativamente mayor que la de la inversa. En primer lugar se analizan reactores del tipo isotérmico. variando la temperatura de operación y modificando el exceso de metanol. sin importar costos de equipos o posibles reciclos.Diseño de una Planta de MTBE Diseño de Procesos 76. Las restricciones a nuestro diseño están dadas por el hecho de que la cinética es válida sólo en fase líquida y para un exceso de metanol de al menos un 20%.57 Comentarios sobre la Pre-entrega Se analizaron las distintas variables que modifican la cinética de la reacción con el objetivo de optimizar el tamaño del reactor. se propuso utilizar un precalentador. trabajando a temperaturas y presiones más elevadas. se halló que la conversión óptima es de 80%. Por este motivo. se presenta el gráfico de la inversa de la velocidad en función de la conversión: 3 . Para el reactor adiabático elegido. Se obtuvieron volúmenes de catalizador más pequeños. es decir las que optimizan la velocidad. Añadimos que al estar operando en fase líquida no es necesario trabajar a presiones bajas. Por último se analizó trabajar con dos reactores adiabáticos y un enfriamiento intermedio. se prueban reactores adiabáticos.57 Concluimos que no es conveniente utilizar un exceso de metanol superior al mínimo requerido.Diseño de una Planta de MTBE Diseño de Procesos 76. Para las temperaturas de operación se buscaron las conversiones óptimas. Debido a que la reacción es exotérmica. Para que el reactor adiabático opere a velocidades de reacción adecuadas. sería beneficioso utilizar el calor liberado por la reacción para aumentar la temperatura y así trabajar a velocidades más elevadas. A bajas temperaturas el reactor isotérmico requiere de volúmenes de catalizador elevados. el descenso de temperatura perjudica la velocidad de reacción por lo que esta propuesta queda descartada. A continuación. Si bien esto permite operar a presiones menores. 4 .Diseño de una Planta de MTBE Diseño de Procesos 76. cuál es la presión de vapor de cada componente presente.6 (°C) Presión de operación 20 (atm) Producción de MTBE 212 (kmol/h) Conversión (%) 81 Alimentación #2 60. debemos analizar para todo el rango de temperaturas a lo largo del reactor. se presentan las características del sistema de reacción elegido. se calculan las siguientes presiones de todos los componentes tanto a la temperatura de entrada como a la de salida.6 m3 Alimentación #1 Temperatura de 60 entrada (°C) Temperatura de salida 100.6 108 23 260 82 Por último debemos analizar la presión de operación del reactor. Dado que la expresión de la cinética de la reacción exige que esta sea en fase líquida.57 Concluyendo. A partir de las correlaciones extraídas del Manual del Ingeniero Químico. - Tipo de reactor: adiabático Volumen de catalizador: 17. un 10% más que la presión de vapor del componente más volátil a la mayor temperatura que opera el reactor.60 18.85 0.79 14. siendo aproximadamente una presión de 23 atm. metanol y agua son los más pesados.57 P (atm) (60.32 3.23 20.23 5. Estructura entrada .6°C) 1-buteno iso-buteno trans-2-buteno cis-2-buteno MTBE Metanol Agua 7.salida Teniendo en cuentas las volatilidades se pueden definir los componentes presentes en cada una de las corrientes. A continuación se presenta una tabla donde las cruces representan los componentes presentes en cada corriente.78 7. Los butenos son los más volátiles mientras que el MTBE.02 1. 5 .63 4.Diseño de una Planta de MTBE Compuesto Diseño de Procesos 76.32 Tomamos entonces como criterio de selección de presión operativa.13 20.71 6.22 17.46 3.20 P (atm) P (atm) (100.80 1.54 4.14 16.87 15.19 0.45 1.6°C) (108°C) 18. 708 0. Concluimos que el reciclo gaseoso no es favorable por lo que se decide condensar y vender la corriente de butenos emergente del tren de separación gaseoso. Sistema de separación La corriente líquida que abandona el reactor deberá atravesar una válvula a fin de disminuir su presión y generar dos fases. Por ejemplo para una presión de 3 atm y una temperatura de 52°C. que es recirculado.208 0. si quisiéramos recircular la corriente de isobuteno. 333K Compuesto 1-buteno iso-buteno (2-metil propeno) trans-2-buteno cis-2-buteno 380K P vap Vol P vap Vol (atm) Rel (atm) Rel 7. necesariamente deberíamos recircular toda la corriente de butenos. considerando separaciones ideales en el tren líquido.000 17. para realizar una primera separación entre componentes volátiles y pesados. sin embargo un exceso en la caída de presión traería inconvenientes posteriormente. es muy difícil separar los butenos debido a sus volatilidades relativas cercanas.843 16.423 1.997 7. se obtuvo la siguiente distribución: 6 .000 6.094 0. Inicialmente se propuso que dicha mezcla en equilibrio ingrese a un separador flash.009 20. podríamos eliminar el agua y obtener metanol puro.354 0.604 1.141 0. Además solo el 9% de la corriente total representa al reactivo.751 20.808 5. se analizó un amplio rango de presiones y temperaturas y se encontró que la distribución de componentes no resulta favorable.57 F I O MTBE X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X - Reciclo líq X - Subproducto X X X X - Decisiones acerca de los reciclos Respecto al reciclo gaseoso. Sin embargo.788 Por otro lado. Por lo tanto.669 1.Diseño de una Planta de MTBE 1-buteno Isobuteno trans-2-buteno cis-2-buteno MTBE Metanol Agua Diseño de Procesos 76. mediante la simulación en HYSYS. Sabemos que las presiones bajas favorecen las separaciones por volatilidades. donde se separará el MTBE de la mezcla metanol-agua.16 103. Por tope. vapor y líquido.4 21.1 53. metanol y agua. elegimos una columna de destilación como separador primario.9 225.84 33.3 210.1 51. Por lo tanto. obtendremos la totalidad de la corriente de butenos en fase líquida. Esto nos indica que un separador flash no es apropiado para nuestro proceso.29 225.5 58.8 55.3 88. La separación en la columna será considerada ideal.1 119.0 125.9 46. son muy similares por lo que requerirán procesos de separación iguales aguas abajo.2 105.Diseño de una Planta de MTBE 1 buteno isobuteno trans-2buteno cis-2buteno MTBE metanol Agua Diseño de Procesos 76.8 84. Esta corriente ingresará a una nueva torre. se eliminará el agua a fin de recircular el metanol puro.7 11. Por fondo saldrá la mezcla líquida de MTBE.57 0.1 Observando estos resultados notamos que las composiciones de ambas corrientes.9 %V %L 48.4 0.20 51.57 f (kmol/h ) 79. ya que contará con un condensador total.2 91.80 100.8 30.7 44.9 l (kmol/h ) 38.2 0.9 6.80 v (kmol/h ) 40.1 93.0 12.9 15. Finalmente en una tercera columna.5 41.1 177. A continuación se presenta un diagrama de flujo que incluye al reactor y al tren de separación de líquidos: 7 . 0 0 Buten Liqui MTBE Desca Recicl os dos rte o 336.56 171.56 225.5 3 225.50 63.2 5 0.1 5 171.2 1 317.Diseño de una Planta de MTBE Diseño de Procesos 76.8 6 209.2 5 0.56 Buten Líqui MTBE Desca Recicl os dos rte o 79.50 0 0 0 0 8 .25 261.4 0 0.1 5 0.56 380.2 1 317.0 0 I O 336.38 52.8 6 225.8 6 225.8 6 0 209.5 3 225.1 5 0 0 0 0 0 0.8 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 209.8 6 0 79.38 0 0 0 0 225.2 5 0 Alimentación del 40% del año (40% de la corriente es de isobuteno) F 1 buteno Isobuteno 336.25 79.2 336.25 0 0 0 0 52.56 209.25 261.57 Cierre aproximado del balance de materia Teniendo en cuenta los reciclos se obtiene el siguiente balance: Alimentación del 60% del año (33% de la corriente es de isobuteno) F 1 buteno Isobuteno Cis-2buteno Trans-2buteno MTBE MeOH Agua I O 79.2 0 0 0 0 1 1 63.1 5 171.8 6 225.8 6 225. 880.896 Ganancia de Producto Butenos sobrantes (ton/año) Producción MTBE anual (ton/año) Costo ($/ton) Costo Butenos ($/ton) Ganancia ($/año) Ganancia total (ganancia .9 0 0. Cabe destacar que los costos operativos.4 0 0.5 0 0 0 0 0 0 0.68 253. y al ser baja la potencia necesaria tanto de las bombas como de los intercambiadores de calor (se trabaja a presiones moderadas en las columnas de destilación.0 8 0 120.826 54.930 9 .Diseño de una Planta de MTBE Cis-2buteno Trans-2buteno MTBE 120.9 0 0 Análisis económico preliminar Para realizar una primera estimación del potencial económico de la planta.184.0 8 253.9 0 0. al no haber compresores (las corrientes están en fase líquida).68 120.5 0 0.0 8 0 MeOH 253.68 380.0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 253.68 126.68 Agua Diseño de Procesos 76. lo que disminuye los calores necesarios para los rebullidores y los condensadores) van a ser bajos en relación a los costos de materia prima y valores del producto terminado. La corriente de butenos no convertida es revendida al mismo valor de la corriente de butenos de entrada.5 0 126.5 0 126. Los equipos a utilizar no serán tenidos en cuenta ya que sus costos serán amortizados a medida que la planta esté funcionando.costo) 271468 160000 800 600 290. Costos de Reactivos Butenos (kmoles/año) Butenos (Ton/año) Metanol (Ton/año) (incluye el agua) Costo Metanol ($/ton) Costo Butenos ($/ton) Costo de reactivos ($/año) 6340000 355712 58172 400 600 236.57 120.0 8 120.0 8 120.0 8 120.0 8 120. se considera únicamente los costos de los reactivos utilizados y el precio de venta del producto.695.