UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUÍZ GALLO”
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA E
F
INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
I Q DESTILACIÓN REACTIVA DOCENTE:
ING. ENRIQUE HERNÁNDEZ ORÉ
ALUMNO:
ALCANTARA ROJAS RANDY HEMILSON
LAMBAYEQUE – PERÚ PERÚ Junio del 2014
I A
I. INTRODUCCION La destilación r eactiva es un pr oceso en el cual ocu rr e simultáneamente la r eacción química y la separ ación de p r oductos. Esta es sin duda una de la s
tecnologías que más ventajas potenciales ofr ece par a la síntesis química en r elación con lo s pr ocesos convencionale s, donde la r eacción y la separ ación se llevan a cabo secuencialmente. Una de las pr incipales ventajas de los pr ocesos r ealizados por destilación r eactiva es la eliminación de equipo s par a la r ecuper ación de p r oductos y
par a la r ecir culación de r eactivos no conve r tidos, lo que lleva a la di sminución en la inversión de capital y en co stos de oper ación. Como un ejemplo espectacular se tiene el caso de pr oducción de acetato de metilo en donde se sustituye un r eactor y un t r en de nueve to rr es de destilación por una
única columna de de stilación r eactiva, alcanzando el 100 % de conversión de los r eactivos. La destilación r eactiva se car acter iza también por que puede mejo r ar el gr ado de conversión de r eactivos, la selectividad hacia p r oductos de inter és y la tr ansf er encia de ma sa a un pu nto tal que en alguno s casos puede evitar el f ouling del catalizado r heter ogéneo. Al tr atarse de un pr oceso simultáneo r eacción-separ ación, la destilaciónr eactiva es una tecnología u sada gener almente en r eacciones que se ven
limitadas por el equilibr io químico, tales como ester if icación, alquilación, r eacciones de
hidr ólisis de éster es, entr e otr as. Debido a que la
r econcentr ación de r eactivos y el r etir o constante de los pr oductos per miten
que se alcance una conve rsión super ior a la del equilib r io químico, semejante a lo que ocurr e en un r eactor con r ecir culación, solo que en este
caso se acopla la r eacción y la separ ación en un solo equipo.
Otr a
de
las bondade s que
ofr ece
esta
tecnología
es que
es
consider ada como ambientalmente amigable o “tecnología limpia”, por que su implementación gene r a un menor impacto ambiental en compa r ación con
los pr ocesos convencionale s, como ha sido mostr ado por nuestr o gr upo en el caso de pr oducción de acetato de n -butilo a par tir del algor itmo W AR, la cual es una metodología que pe r mite deter minar el potencial del impacto ambiental de un p r oceso químico. Entr e los pr ocesos simultáneos r eacción-separ ación la destilación r eactiva es la tecnología que más ha sido investigada debido a las ventajas que ofr ece, pr incipalmente en la s r eacciones r eversibles. Algunas ventajas que hasta el momento no han sido mencionada s es la signif icativa r educción de catalizador par a el mismo gr ado de conve rsión, los menor es tiempos de r esidencia, la conve rsión de los r eactantes casi al 100% que junto con el
aumento en la selectividad gene r an una alta pr oductividad en e sta tecnología. Las etapas de análisis y diseño de un sistema r eactivo par a deter minar la viabilidad ope r acional con el f in de r ealiza r un pr oceso por destilación r eactiva se muestr an a continuación:
1.
Estudio de la compatibilidad de lo s componentes de r eacción y
separ ación. La r eacción debe da rse en la f ase líquida, par a cumplir con las
condiciones mínimas de la ope r ación de destilación. 2.
Las condiciones de temper atur a y pr esión óptimas de la r eacción
deben ser compatibles con las condiciones de alta actividad del catalizador . 3.
Análisis de la inf luencia del componente de separ ación sobr e la
r eacción. Ter modinámica topológica y análi sis de la estática.
4. 5.
Tr ayector ia de oper ación. Diagr ama de f lujo simplif icado. Modelamiento matemático.
6.
Simulación.
7.
Exper imentación f ísica. Lo mínima posible
El pr oblema básico en el diseño de la de stilación r eactiva consiste en la estimación de la po sibilidad de obtene r los estados estables con máxima conversión y selectividad. La etapa p r incipal par a el diseño de una tecnología en la pr oducción de sustancias or gánicas es la síntesis del diagr ama de f lujo óptimo que asegur e la calidad del p r oducto r equer ida. Par a esto lo más adecuado e s par tir de una metodología que pe r mita establecer la secuencia de síntesis de esquemas tecnológicos de pr ocesos r ealizados por destilación r eactiva. Par a tal f in se destaca el análisis de la estática que per mite deter minar
el esquema tecnológico má s apr opiado par a pr ocesos r ealizados por destilación r eactiva. Este método tiene las siguientes ventajas sobr e otr os métodos conocidos.
Necesita pocos datos iniciales: par ámetr os del modelo del equilib r io f ásico y químico, y la estequiometr ía de la r eacción.
Es aplicable a mezcla s multicomponentes y multirr eactivas.
Es
aplicable
a
mezcla s
altamente
no
ideale s,
como
azeotr ópicas y con solubilidad limitada.
Per mite seleccionar lo s e stados e stables límites f actibles. o Puede ser f ácilmente f or malizado como algo r itmo.
Reduce el tiempo computacional y
simplif ica
labor iosos y
extensos exper imentos a gr an escala.
El método ha sido utilizado satisf actor iamente en el di seño de muchos p r ocesos industr iales.
El análisis de la estática posee un f undamento científ ico par a r ealizar la síntesis cualitativa del e squema tecnológico que p r ecede al modelamiento
matemático y expe r imental, lo cual per mite una disminución de tiempo y capital en el diseño de los pr ocesos r ealizados por destilación r eactiva.
II.
FUNDAMENTO Destilación reactiva
La destilación reactiva es una tecnología que integra la reacción y la separación en un mismo equipo. Esta integración tiene diversas ventajas potenciales, como son: Reducción en los costos, mejoras en la conversión de los reactivos y en la selectividad de los productos, así como ahorros en el uso de energía y reactivos entre otros. Los primeros reportes datan de la década de 1920. Sin embargo, el mayor auge de esta tecnología fue en la década de los 1980 particularmente por el éxito en la aplicación de esta tecnología al proceso para la producción del acetato de metilo.
El análisis en destilación reactiva es considerablemente más compleja que en destilación convencional y debido a las diferencias entre los diversos tipos de reacción (exotérmicas, irreversibles, etc.) la generalización de reglas de diseño es difícil y cada sistema reactivo debe ser analizado de forma muy particular.
Las principales líneas de investigación de esta tecnología son en el diseño, modelado, simulación, control y análisis de fenómenos no lineales como multiplicidad de estados y dinámica no lineal. Los procesos químicos industriales generalmente se basan en la transformación de materias primas en productos elaborados y dicha transformación comúnmente incluye procesos de reacción donde bajo ciertas condiciones las materias primas (reactantes), sufren cambios en sus estructuras moleculares para convertirse en productos terminados o intermedios. Debido a que los reactantes no se consumen completamente por ciertas restricciones (p. e. el equilibrio químico), es una práctica común incluir unidades de separación al proceso para alcanzar cierto grado de pureza en los productos. Las heurísticas en Ingeniería Química indican que el proceso más empleado en separaciones es la destilación (Walas, 1990), por ello es frecuente que ambas operaciones de reacción y destilación se lleven a cabo dentro de un mismo proceso químico. La Figura 1, presenta el diagrama de bloques convencional de un proceso químico
Figura 1: Diagrama de bloques convencional de un proceso químico
En los procesos químicos convencionales, las unidades de reacción y separación son necesarias para producir y separar el compuesto de interés, una manera de mejorar la economía del proceso es la utilización de corrientes de reciclo y sistemas de integración térmica, siempre y cuando su aplicación sea posible (Bessling B., Schembecker G. y Simmrock K. H., 1997).
Es importante destacar que el uso de corrientes de reciclo dentro de un proceso, constituye una estrategia para aumentar la conversión de los reactantes, sin embargo esto conduce a equipos más voluminosos y mayores requisitos para transporte de fluidos, por lo tanto la implementación de recirculaciones dentro de un proceso debe ser una decisión tomada bajo un estudio económico. En la actualidad, la optimización e integración de procesos juega un rol importante dentro de la economía de los mismos, continuas investigaciones son realizadas con el fin de reducir costos de inversión e incrementar la productividad. Estas investigaciones han propiciado el desarrollo de diversos procesos novedosos, entre los cuales está la Destilación Reactiva (DR), la cual consiste en la integración de procesos tan comunes como lo son la reacción y la destilación. La DR se puede definir como la combinación de procesos de reacción y separación, los cuales se llevan a cabo en un mismo equipo.
La DR puede aplicarse a reacciones irreversibles, reacciones reversibles, sistemas de múltiples reacciones, reacciones catalíticas (homogéneas y heterogéneas), entre otras, donde la configuración del equipo variará según las condiciones y tipo de reacción. El término de “Destilación Reactiva” aplica a todo tipo de reacciones en general, sin embargo, suele hablarse de “Destilación Catalítica”, que es un caso más específico en donde la reacción es catalizada
por un sólido, generalmente soportado en un empaque. Hoy en día, existe un gran interés industrial y académico en el desarrollo de ésta tecnología, debido a que presenta grandes beneficios como lo mencionan Taylor y Krishna (2000): • Reducción del costo de inversión, debido a que dos procesos importantes son
llevados a cabo en una misma unidad. Tal integración conduce a menores costos en equipos, tuberías e instrumentación. • Aumento significativo en la conversión de los reactantes, la cual se aproxima
a un 100%. Este incremento trae como importante beneficio la disminución de
costo relacionado con sistemas de recirculación y requerimiento de catalizadores. • Mejora en la selectividad debido a la remoción de los productos de la mezcla
de reacción. Esto es favorable, ya que la probabilidad de que se lleven a cabo reacciones colaterales se ve notablemente disminuida. • Si la DR es aplicada a reacciones exotérmicas, el calor de reacción puede ser
usado para la vaporización del líquido. Esto conduce a la disminución del costo energético, gracias a la disminución de la carga térmica del rehervidor. • La máxima temperatura en la zona reactiva está limitada por el punto de
ebullición de la mezcla de reacción, por lo que el riesgo de la formación de puntos calientes en el catalizador se ve reducido significativamente. • Un beneficio característico de la DR es la posibilidad de romper azeótropos,
sin embargo esto depende del sistema empleado.
Si bien la DR presenta grandes incentivos para su implementación industrial, evidentemente ésta presenta algunas desventajas y dificultades en su aplicación. Towler y Frey (2000) enumeraron algunas de las dificultades implícitas en las aplicaciones de procesos con DR: • Volatilidad de los compuestos involucrados: Los reactantes y productos deben
tener volatilidades tales que se puedan mantener altas concentraciones de reactantes y bajas concentraciones de productos en la zona reactiva.
• Tiempo de residencia para la reacción: Si la reacción posee un tiempo de
residencia elevado, será necesario una columna de DR con una zona reactiva muy grande en el caso de reacciones heterogéneas, u operar con elevadas retenciones de líquido en los platos en el caso de reacciones homogéneas. En estos casos, un sistema conformado por reactores y columnas de destilación convencional representa una mejor opción.
• Escalamiento de la DR a grandes capacidades: Una dificultad que se
presenta en el diseño y operación de la DR, está relacionado con la mala distribución de los flujos en columnas empacadas y su importante efecto en la conversión del proceso. • El diseño y operación: Resulta ser significativamente más complejo el diseño
y la operación de DR, comparados a los equipos de destilación convencional. La razón fundamental es que los equipos de DR cuentan con una mayor cantidad de parámetros de diseño. • Modelaje y simulación: la combinación de reacción y destilación complica el
fenómeno desde el punto de vista de modelaje, ya que efectos de transferencia de masa, transferencia de energía, hidrodinámica, conjuntamente con el efecto de la reacción química deben ser considerados de manera simultánea. • Condiciones de proceso contrarias. En algunos procesos las condiciones
óptimas de operación de temperatura y presión para la destilación, no coinciden con las condiciones óptimas de presión y temperatura para la reacción. A pesar de que la DR presenta un importante interés económico, no todas las reacciones tienen las características necesarias para ser implementadas en un proceso de DR. Westerterp (1992), resumió una serie de condiciones para la posible aplicación de DR a una reacción: • Los rangos de temperatura a los cuales se llevan a cabo la destilación , deben
coincidir con los requeridos para la reacción.
• La reacción tiene que ser lo suficientemente rápida para que la conversión
pueda ser alcanzada dentro del tiempo de residencia medio de la columna de destilación. • La DR no es viable en reacciones con efectos térmicos extremos. En el caso
de ser una reacción extremadamente exotérmica, la fase líquida vaporizará de manera más significativa, desfavoreciendo así la controlabilidad del proceso.
En el caso de reacciones extremadamente endotérmicas, ocasionará un efecto contrario y adicionalmente, desfavorecerá a la reacción desde el punto del equilibrio químico. También puede producir un efecto negativo sobre el perfil de temperaturas a lo largo de la columna (ocasionando perfiles abruptos) y una elevada carga térmica en el rehervidor. • El producto deseado debe ser el más o el menos volátil de la mezcla de
reacción. Esto para que su recuperación pueda darse por el tope o por el fondo según sea el caso. • En el caso de reacción empleado catalizadores sólidos, la actividad del mismo
debe ser prolongada, evitando así constantes paradas para la regeneración y mantenimiento del mismo.
III.
USOS Y APLICACIONES DE LA DESTILACION REACTIVA
El diagrama de procesos presentado en la Figura 2, corresponde a la aplicación de la tecnología de DR:
Figura 2: Esquema del proceso de DR de una reacción genérica aA + bB cC + dD
En este caso, los reactivos A y B, son alimentados a la zona reactiva de la columna de destilación, en la cual se lleva a cabo la reacción, donde los compuestos C y D son producidos. La zona por encima de la zona reactiva, tiene la finalidad de lograr la separación de los compuestos A y C. La zona por debajo de la zona reactiva, tiene la finalidad de lograr la separación de los compuestos B y D. Por el tope de la columna es obtenido principalmente el producto C y por el fondo el producto D. La aplicación de la destilación reactiva está condicionada por una serie de suposiciones:
La reacción debe proceder, conjuntamente con un equilibrio de fases en un mismo intervalo de presión y temperatura. Esto es así, ya que la cinética de la reacción debe ser elevada.
Las fases liquida y vapor han de estar en equilibrio en cada etapa.
La fase liquida es homogénea.
La reacción solo tiene lugar en la fase liquida.
En una columna de DR controlada cinéticamente el equilibrio químico no se alcanza, la generación de productos depende de la velocidad con que la reacción sucede, pero también de la cantidad de fase líquida presente en cada etapa reactiva cuando la reacción es homogénea, o de la cantidad de catalizador si la reacción es heterogénea. El alcance de los equilibrios de fases y reacción han de lograrse en tiempos razonables de operación. Para el diseño de una columna de N etapas para separar C componentes se necesitan las siguientes funciones: -Balances de materia global y para cada componente (dependiendo de la zona de la torre en la que nos encontramos).
Como se puede observar en los balances de materia y energía, cuando estamos en la zona central de la torre, hay que incluir el término referido a la reacción. Los principales procesos en lo que se utiliza destilación reactiva son los siguientes:
Esterificación Transesterificación Hidrolisis Alquiilación Aminación Nitración Isomerización Oligomerización Hidrodesulfuración de fracciones de petróleo Síntesis de MTBE
La Tabla presenta un resumen de las aplicaciones industriales más comunes de la DR. Aplicaciones industriales de la DR.
TIPO DE R EACCIONES
EJEMPLOS
Pr oducción
Pr oducción
Eter if icación
de MTBE a par tir de metanol e i sobuteno. de T AME a pa r tir de metanol e
isoamileno.
Pr oducción
ETBE a pa r tir de etanol y alcohol
ter butílico.
Pr oducción
de
Metil Acetato
a par tir de ácido acético
y metanol.
Ester if icación
Pr oducción
de Butil
Acetato
a par tir de ácido acético y
Vinil Acetato
a par tir de acetaldehído y
Butanol. Síntesis de Vinil Acetato
Tr ansester if icación
Condensación Aldólica Hidr atación/Deshidr atación Alquilación Isomer ización
Pr oducción
de
anhídr ido acético.
Pr oducción
de
Vinil
acetato a par tir de vinil estear ato
y ácido acético.
Pr oducción
de
2 -Etilhexanal
a
par tir
de
n-
butir aldehído
Pr oducción
de Etilenglicol a pa r tir de óxido de etileno.
Pr oducción
de cumeno a pa r tir de bence no y
pr opileno.
Pr oducción
de 1 - buteno a 2- buteno
IV.
CONSIDERACIONES PRÁCTICAS EN DESTILACIÓN REACTIVA
En el diseño de las columnas de DR, deben considerarse una cierta cantidad de parámetros de manera que su operación sea eficiente. Towler y Frey (2000) han destacado algunos aspectos importantes en la implementación de procesos de DR a nivel industrial: • Instalación, soporte y remoción del catalizador: es importante permitir una fácil
instalación y remoción del catalizador en los equipos de DR. Si el catalizador sufre desactivación, la regeneración es más convenientemente realizada fuera de la columna, por lo cual se debe proveer un sistema de fácil retiro del catalizador. Adicionalmente, se debe considerar el efecto de desactivación del mismo, el cual puede ser manejado con la incorporación de catalizador en exceso. • Contacto eficiente del líquido con las partículas del catalizador: debido a que
la reacción se lleva a cabo en la fase líquida, es indispensable tener un contacto eficiente entre la fase líquida y el catalizador. Para lograrlo, se debe cumplir básicamente con los siguientes aspectos: a) Una buena distribución del líquido y evitar efectos de canalización, esto afecta de manera importante la conversión en la columna de DR. b) Una buena dispersión radial del líquido a través del lecho catalítico. • Contacto líquido/vapor en la zona reactiva: si la reacción es rápida y está
limitada por el equilibrio, entonces el tamaño de la zona reactiva está fuertemente influenciada por la efectividad de contacto entre las fases líquido y vapor. Generalmente, este aspecto no cobra relevancia en sistemas cuya velocidad de reacción es baja. • Caída de presión a través de empaques catalíticos en la zona reactiva: La
necesidad de usar pequeñas partículas del catalizador para evitar limitaciones por la transferencia de masa dentro de los mismos, generalmente conlleva a empaques que ofrecen altas caídas de presión. Sin embargo, esto debe ser evitado para disminuir problemas de inundación dentro de la columna y excesivas pérdidas de carga.
• Retención de líquido en la zona reactiva: debido a que la reacción se lleva a
cabo en la fase líquida, la retención juega un papel importante dentro de la conversión y la selectividad del proceso, por ello el diseño de la columna debe tomar en cuenta el tiempo de residencia medio de la fase líquida de manera tal de cumplir la conversión de la reacción. Esto contrasta con las prácticas de destilación convencional, en donde la retención de líquido y su tiempo de residencia medio generalmente tiene un efecto despreciable en la transferencia de masa, ya que la fase vapor es quien comúnmente controla el fenómeno.
V.
Diagrama
VI.
BIBLIOGRAFIA
Robert E Treybal. OPERACIONES CON TRANSFERENCIA
Warren L. Mc Cabe, Julián C. Smith, Peter Harriot.
Clifford A. Hampel, Gessner G. Hawley. DICCIONARIO DE
R. Taylor, R. Krishna. Modelling reactive distillation. Chemical Engineering Science 55 (2000) 5183 – 5229.
Tuchlenski, A; Beckmann, A. Y col. “Reactive distillationindustrial applications, process design & scale- up”. Chem.
DE MASA. Segunda edición. Editorial Mc Graw Hill. México (1980). OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA. Cuarta edición. Editorial Mc Graw Hill. España (1991). QUÍMICA. Editorial Grijalbo S.A., segunda edición.Barcelona (1986).
Eng. Sci, 387-394 (2001).
VII.
LINCOGRAFIA
http://oa.upm.es/426/1/05200521.pdf
http://webs.uvigo.es/prosepav/Abstract/libro.pdf
http://operaciones-unitarias 1.wikispaces.com/Tipos+de+Destilacion
