Facultad de Ingeniería Química Departamento de Ingeniería Química Diseño de Plantas QuímicasProceso de producción del Éter Etil Tert-Butílico (ETBE) Influencia de la relación Etanol/Isobuteno Resumen Este trabajo describe una metodología que combina el diseño conceptual y la simulación de procesos para determinar la influencia de la relación molar de alimentación etano/isobuteno sobre la selectividad hacia éter etil tert-butílico. El diseño conceptual de la columna de destilación se basó en un método gráfico de curvas de residuo y permitió determinar los esquemas de separación factibles y maximizar la concentración de éter en los productos de fondo de la columna de destilación. La simulación del proceso permitió determinar las condiciones de operación y los parámetros de diseño de los reactores y de la columna de destilación. Se concluye que la metodología disminuye drásticamente el tiempo necesario para obtener resultados con un simulador de procesos. Keywords: petrochemical distillation, process simulation, ethyl tert-butyl ether, residue curves Introducción Los éteres tert-butílicos son los principales aditivos oxigenados que se utilizan en la reformulación de gasolinas. Los más utilizados son: éter metil tert-butílico (MTBE), éter etil tert-butílico (ETBE) y éter etil tert-amílico (TAME). Se han detectado problemas ambientales con el MTBE, por eso las nuevas normativas obligan a buscar otros aditivos que lo sustituyan. El ETBE presenta mejores propiedades de mezclado, además se obtiene de etanol que procede de fuentes renovables. Estas características facilitan la adaptación progresiva de una planta que produce MTBE para producir ETBE. La síntesis de ambos éteres son similares, pero la termodinámica es más restrictivas para el éter etílico (Sneesby, et al., 1997). Por la existencia de dos azeótropos, la mayor parte del alcohol residual se obtiene con el ETBE en los fondos de la columna de destilación. La cinética de la reacción de formación de ETBE fue estudiada por Zhang et al. (1997), Jensen y Datta (1995) y Schwarzer et al. (2000), ellos observaron que un exceso de alcohol favorece la formación del éter e inhibe las reacciones secundarias. En los centros activos del catalizador se adsorben etanol e isobuteno; a alta concentración de alcohol, este domina la superficie, pero a baja concentración, el isobuteno tiende a adsorbese en centros activos adyacentes, favoreciendo la formación de los di-isobutenos (DIB). Fité et al. (1994), estudiaron la formación de ETBE y observaron que un gran exceso de etanol tiene un efecto inhibidor en la reacción de formación del éter y por lo tanto, debe existir un valor de la relación molar de alimentación etanol/isobuteno (E/I) que maximiza la selectividad hacia el éter y reduce la concentración de alcohol en los fondos de la columna de destilación. 1 2000) y el efecto de la relación molar de alimentación E/I sobre la selectividad y la concentración de ETBE en la corriente de fondos de la columna de destilación. 1: Diagrama de flujo del proceso de producción de ETBE Reacción (dos reactores). Una metodología de diseño conceptual basada en un grafico de curvas de residuo.Con la simulación de procesos se determinaron las mejores condiciones de operación (Wasylkiewicz et al. La planta estudiada aquí producía 45000 t/año de MTBE al 98% en peso. UNIFAC-Dortmund (Gmehling. permitió determinar el esquema de separación factible (Thong y Jobson 2001). y lo forman tres etapas principales: Fig. Este modelo pro-duce buenos resultados en la predicción del ELV para los sistemas éteralcohol-butenos Coto et al. (2000). al transformarse produce ahora 50 000 t/año de ETBE al 95 % y 4% de alcohol.. purificación del éter (destilación).Facultad de Ingeniería Química Departamento de Ingeniería Química Diseño de Plantas Químicas El proceso Hüls de producción de éteres tert-butílicos se muestra en la figura 1. Metodología Para la descripción del equilibrio líquido-vapor se utilizaron modelos de coeficiente de actividad. Se construyeron los diagramas de curvas de residuo en el rango de presiones de operación y se determinaron los productos factibles en la columna de destilación como 2 . La máxima conversión que se puede obtener en los reactores está determinada por la relación molar de alimentación E/I y la temperatura a la salida del reactor Esta relación afecta fuertemente la selectividad a ETBE y el funcionamiento de la columna de destilación y por lo tanto la pureza del éter que se obtiene como producto. se utilizó el modelo. Debido a la falta de suficientes datos experimentales para todos los binarios que forman la mezcla. recuperación y recirculación del alcohol que no reaccionó. 2003). en una columna de altura infinita. La figura 2 muestra el efecto de la temperatura y la relación molar E/I. la razón de reflujo mínima. la razón de reflujo real. 2003).10. se construyó el modelo de la planta en el simulador de procesos ASPEN-PLUS y se determinaron los parámetros de diseño de la columna de destilación.. la fracción molar de DIB fue menor al 0. Resultados y discusión El sistema de reacción para producir ETBE está formado por dos reactores catalíticos en serie. 3 . La reacción se lleva a cabo en fase líquida.Facultad de Ingeniería Química Departamento de Ingeniería Química Diseño de Plantas Químicas una función de la relación molar E/I. Las curvas de residuo son equivalentes al perfil de composición del líquido. A temperaturas mayores a 310 K y valores de la relación molar E/I > 1. Conocida la relación molar de alimentación E/I. el número de platos teóricos y las necesidades térmicas de la columna. esto fija la presión en el reactor. sobre la concentración de ETBE y DIB en el efluente del reactor. 1996. El segundo reactor podría operarse a temperaturas que varían entre 313 K y 323 K para maximizar la conversión total a ETBE. operada a reflujo total (Widago y Seider. La presión en los equipos de proceso está de-terminada por la necesidad de mantener la mezcla en estado líquido. Para obtener la máxima conversión se opera el primer reactor isotérmicamente a una temperatura alta para efectuar la mayor parte de la reacción y el segundo reactor se opera adiabáticamente a una temperatura más baja para incrementar la con-versión total. La presión en la columna fija la temperatura en el condensador y rehervidor. A temperaturas bajas. la reacción está controlada por la cinética de la reacción y a temperaturas altas por la termodinámica. Kiva et al.5% molar y la de ETBE se aproxima asintóticamente a un máximo. Fig. Para analizar el efecto del exceso de etanol en el comportamiento de la columna de destilación. Fracción molar en el equilibrio de DIB y ETBE como función de la temperatura y la relación molar de alimentación E/I.301 Número mínimo de etapas 15 Razón de reflujo real 0.7 kg/cm2) y conocido el grado de recuperación de los componentes clave (1-buteno y ETBE). Efecto de la relación molar E/I sobre la composición de destilado y fondos. en el diagrama de curvas de residuo de la figura 3. Estos resultados satisfacen la especificación comercial del producto. una corriente de ETBE con trazas de butenos.1 se satisfacen las especificaciones requeridas para el producto de fondos (6% molar de etanol y 1. se utilizó el método simplificado de diseño (Winn-Underwood-Gilliland). se obtuvo el siguiente reporte: Resultados Razón de reflujo mínima 0.5 % de DIB. 3 % en peso de etanol.Facultad de Ingeniería Química Departamento de Ingeniería Química Diseño de Plantas Químicas Fig.5 Número real de etapas 26 Etapa de alimentación 11 Carga térmica En el rehervidor 8905. 3: Diagrama de curvas de residuo.9 MJ/h En el condensador 7704. se presentan los balances de masa en la columna para tres relaciones de alimentación E/I.9 MJ/h Se simuló rigurosamente la columna de destilación y se obtuvo. Para establecer las condiciones de operación y los parámetros de diseño de la columna de destilación. Conclusiones 4 .5 % de DIB. 2. La presión en el condensador es 8 kg/cm2 y a una relación molar igual o menor a 1. Balance de masa en la columna debutanizadora. y 1. rehervidor (8. Por medio de un análisis de sensibilidad se estableció la presión en el condensador (8 kg/cm2). permite garantizar una alta selectividad hacia ETBE. facilitando la obtención de resultados con un simulador de procesos. La simulación del proceso permitió obtener las condiciones de operación y los parámetros de diseño. se pueden extraer las siguientes conclusiones: La metodología de diseño conceptual permite establecer los productos factibles y la relación molar de alimentación etanol/isobuteno.Facultad de Ingeniería Química Departamento de Ingeniería Química Diseño de Plantas Químicas A partir de los resultados obtenidos. 5 . Los diagramas de curvas de residuo permiten visualizar las alternativas de separación en una columna de destilación de mezclas. El valor de la relación molar de alimentación etanol/isobuteno que se determinó.