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Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Los alcoholes son compuestos orgánicos que contienen grupos hidroxilo (-OH). La palabra alcohol es uno de los términos más antiguos, el cual se deriva del árabe al-Kuhn. Una forma de organizar la familia de los alcoholes es clasificar cada alcohol de acuerdo con el tipo de carbono que sea portador del grupo – OH y se pueden clasificar como primario, secundario y terciario. Un alcohol secundario tiene el grupo – OH unido a otros dos átomos de carbono. Un ejemplo de un alcohol secundario es el alcohol isopropilico (CH 3 -CH 2 -OH) o también llamado isopropanol, propan-2-ol, o 2-propano o API que se produce por la hidratación catalítica del propileno. Este se trata de un compuesto químico incoloro, inflamable y con un fuerte olor. Es un compuesto orgánico, que se utiliza ampliamente como disolvente. Se utiliza mucho en la industria y uno de sus usos es como alcohol desinfectante en lugar del etanol. Al igual que se utiliza como disolvente para ceras, aceites vegetales, resinas naturales y sintéticas, ésteres y éteres de celulosa [1].
También mediante la deshidrogenación catalítica del alcohol isopropílico.se puede obtener la acetona o químicamente conocida como propanona (CH 3 -CO-CH 3 ), la cual es la cetona alifática más sencilla y es un líquido incoloro, muy volátil y de olor agradable, inflamable y miscible con agua, etanol y éter. La cual se usa en disolventes y en la preparación de diversos compuestos orgánicos [2].
La acetona, por ser el compuesto químico más importante de la familia de las cetonas, debido a su utilidad como solvente y producto químico intermediario, se produce en el mundo a escala industrial desde inicios del siglo XX. Entre las industrias de procesos que más la emplean se encuentran: la industria de gases industriales, pinturas, colorantes, gomas y lacas, cosméticos, y las productoras de materiales fílmicos y fotográficos. Éste constituye uno de los reactivos más codiciados por los laboratorios de investigación científica [3].
Un estudio de mercado realizado por la empresa Market Research Reports Search Engine dio a conocer que el consumo mundial de acetona se situó en 5,9 millones
3.7.1 Normas y requerimientos respecto a la pureza y
un líquido incoloro con un olor y un sabor característicos. Se evapora fácilmente, es inflamable y se disuelve en el agua. La acetona se usa para hacer plásticos, fibras, medicamentos y otros productos químicos. También se usa para disolver otras sustancias. Se produce de forma natural en las plantas, los árboles, los gases volcánicos, incendios forestales y como producto de la descomposición de la grasa corporal. Está presente en el escape de vehículos, en el humo del tabaco y en los vertederos. Los procesos industriales aportan más acetona al medio ambiente que los procesos naturales [6].
Figura 2. Fórmula de la acetona. Tomada de referencia 6
A la hora de producir acetona se presentan diferentes métodos de los cuales se destacan tres:
Proceso de cumeno: el más común a nivel mundial, pero como producto secundario está el benceno (que además es cancerígeno) bajando la pureza de la acetona y aumentando los costes de producción por la separación. Oxidación de polipropileno: que tiene una baja conversión de acetona y la pureza de los reactivos debe de ser del 99%. Deshidrogenación de alcohol isopropílico (IPA): se obtiene acetona de alta pureza, el IPA se puede utilizar en solución acuosa y la conversión de acetona es alta.
Por lo cual teniendo en cuenta los puntos anteriores, se propone desarrollar el diseño de la planta para la producción de acetona mediante la deshidrogenación de alcohol isopropílico [7].
Al momento de llevar a cabo la reacción de deshidrogenación del alcohol isopropílico, es indispensable hacer uso de un catalizador, convirtiéndose en una reacción por catálisis heterogenea, que como se sabe, es un proceso químico que tiene lugar en la interfase entre un sólido y un fluido; por lo tanto, la efieciencia del catalizador se puede relacionar con su capacidad para favorecer la difusión, entre el sólido y el seno del fluido, de las sustancias adsorbidas o desadsorbidas, así como su habilidad para peritir la transferencia de electrones durante el rompimiento de los enlaces de los reactantes y la formación de los enlaces de los productos [8].
El catalizador que se pretende utilizar es el Niguel Raney, dicho catalizador tiene alta selectividad en comparación con los catalizadores de Platino o Paladium. El catalizador contiene 85 % Ni en peso, el tamaño del catalizador es de 1 / 40 pulgadas y el área de superficie BET está comprendida entre 50 - 500 m^2 /g. El tamaño de la partícula del catalizador tiene mucha influencia sobre el proceso de deshidrogenación del alcohol isopropílico para obtener acetona, influyendo principalmente en el tiempo espacial, actividad relativa y en la constante de reacción.
La actividad relativa es equivalente a la proporción de tamaño para dos reactores que acompañan la misma conversión, condiciones de operación de temperatura, presión y composición de alimentación. Cuando es empleado el catalizador con un tamaño de partícula de 1 / 8 pulgada el reactor es siete veces más largo que cuando se utiliza 1 / 40 pulgada.
El tiempo de espacio mínimo que podría ser empleado a una temperatura dada para producir acetona puro es aquel tiempo de espacio requerido para obtener una alta conversión de alcohol isopropílico a acetona. Se utiliza un catalizador de tamaño de partícula 1 / 40 pulgada que requiere un tiempo de espacio comprendido
Los gases no condensables que salen del absorbedor por el tope, contendrán todo el hidrógeno y pequeñas cantidades de acetona.
La corriente rica en acetona producto de las corrientes líquidas del separador y el líquido de fondos del absorbedor se enviará a un tren de tres columnas de destilación para recuperar la acetona y el alcohol isopropílico. Estas torres serán utilizadas para separar el producto, acetona con un 99.9% de pureza por el tope de la columna de destilación y así eliminar el exceso de agua en el alcohol isopropílico no reaccionado. El alcohol isopropílico recuperado, será reciclado nuevamente al proceso [10].
Nombre de la planta: CETOMAX Fecha: 02 de Junio de 2015
Localización: Av. Jacarandas, Begonias, Coatzacoalcos, Veracruz.
18 o^ 08’ 13.6’’ Norte
94 o^ 27’ 59.8’’ Oeste
3.1 Generalidades
3.1.1 Función de la planta:
Obtención de dimetilcetona (acetona) a partir de la reacción de deshidrogenación de alcohol isopropílico, utilizando paladio como catalizador.
3.1.2 Tipo de proceso:
Proceso continuo.
3.2 Capacidad, rendimiento y flexibilidad
3.2.1 Factor de servicio:
La planta operará durante 10/12 meses, excluyendo diciembre y enero.
3.2.2 Capacidad y rendimiento: a) Diseño. Se obtendrán 32.3 moles/h de acetona por cada 34.8 moles/h alimentados de alcohol isopropílico (base libre de agua). b) Normal. Aproximada a la de diseño, se estima una variación de 10%. c) Mínima. Se explica en base a factores como la desactivación del catalizador o al rendimiento de las columnas de destilación, podría disminuir hasta 15% inferior a la de diseño.
3.2.3 Flexibilidad:
La planta deberá seguir operando bajo las siguientes condiciones anormales:
a) Falla de electricidad. Sí. Se ha previsto la adquisición de generadores propios. b) Falla de vapor. No. Hasta reponer el vapor saturado que se necesita. c) Falla de aire. Sí. Podría operarse alternativamente con un intercambiador de calor para enfriar el agua.
Agua pura Líquido - /2.04/- 35/25/
Compra /Proveniente de otra unidad
3.5.2 Elementos de seguridad existentes que protegen a las líneas de alimentación:
Diques alrededor del tanque de almacenamiento, donde se aloja la alimentación principal.
3.6.1 Las condiciones de los productos en los límites de batería son los que se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Condiciones de los productos en los límites de batería.
Corriente de salida
Estado físico
Presión manométrica (kg/cm^2 ) máx/nor/mín
Temperatura (oC) máx/nor/mín
Destino
Acetona pura (producto principal)
Líquido -/1.53/- 51/61/
Almacenamiento y venta
Hidrógeno Gaseoso 1.53 24/34/
Otra planta, para utilizarse como combustible Alcohol isopropílico recuperado
Líquido -/1.22/- 73/83/88 Recirculación alproceso
Aguas residuales
Líquido – Gas -/1.43/-^ 100/109/^
Torre de enfriamiento
3.7.1 Normas y requerimientos respecto a la pureza y condiciones de:
Aguas residuales (Corriente a 109oC)
NMX – AA – 007 – SCFI – 2013
Las temperaturas elevadas en el agua pueden ser indicadores de actividad biológica, química y física, lo anterior tiene influencia en los tratamientos y abastecimientos para el agua, así como en la evaluación limnológica de un cuerpo de agua. El valor de temperatura es un criterio de calidad del agua para la protección de la vida acuática, ya que las altas temperaturas afectan la solubilidad del oxígeno en el agua (ley de Henry) y para las fuentes de abastecimiento de agua potable, es también un parámetro establecido como límite máximo en las descargas de aguas residuales.
3.7.2 Sistemas de eliminación de desechos:
Para cumplir con la norma anterior, es necesario disminuir la temperatura del agua residual antes de ser descargada (el agua residual proviene de un tren de columnas de destilación y por ello se ignoran las trazas insignificantes que pudieran existir de otros compuestos). Para ello, es necesario enviarla a una torre de enfriamiento, en la cual, al ponerse en contacto a contracorriente con aire bajo condiciones adiabáticas, se enfriará hasta una temperatura aproximada a la temperatura de bulbo húmedo del lugar, la cual es aproximadamente 24.1oC, temperatura que sí es permitida en el agua residual y que no afectará a la vida acuática.
3.8 INSTALACIONES REQUERIDAS DE ALMACENAMIENTO 3.8.1 Alimentaciones:
Tanques de almacenamiento.
Figura 3. Diagrama de flujo de entrada y salida del proceso para la obtención de acetona.
5.1 Descripción del diagrama de flujo de bloques que se presenta en la figura 4.
Una mezcla de alcohol isopropílico y agua (90% en peso de alcohol isopropílico), es alimentado a un tanque de alimentación, donde se mezcla con una corriente de reciclo de alcohol isopropílico. Esta mezcla se vaporiza antes que ingrese al reactor. El reactor es de lecho fluidizado de acero inoxidable. El efluente del reactor, que contiene acetona, hidrogeno, agua y alcohol isopropílico no reaccionado, es enfriado antes de que ingrese al separador. El vapor que sale del separador, es conducido al absorbedor, una torre de relleno con anillos Rashing, a la cual le llega una corriente de agua con la finalidad de recuperar una parte de acetona, luego la corriente liquida obtenida por los fondos del separador, se mezcla con la corriente proveniente del absorbedor el cual contiene acetona que ha sido recuperada para luego ser enviada al tren de destilación. Los gases que salen del absorbedor por el tope contienen todo el hidrógeno y en pequeñas cantidades acetona, alcohol Isopropílico y agua, se envían a otra planta con la finalidad de recuperarlos y utilizarlo como combustible para la alimentación de otros equipos. La corriente rica en acetona producto de la corriente liquida del separador y de los fondos del absorbedor se envía a un tren de columnas de destilación para la recuperación de acetona y alcohol isopropílico. Estas torres son utilizadas para separar el producto, acetona con alto grado de pureza por el tope de dicha columna y seguidamente, en otra columna, eliminar el exceso de agua en el alcohol isopropílico no reaccionado. El alcohol isopropílico recuperado, es reciclado nuevamente al proceso.
6.1 Desarrollo del proceso para la obtención de acetona.
El proceso diseñado para el proyecto se muestra en la Figura N°5 (diagrama de flujo de proceso, DFP). Una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua (90% en peso ALCOHOL ISOPROPILICO) (corriente 1), es alimentado mediante una válvula de control al tanque de alimentación (V-401) a la temperatura de 25°C y 1.01 bares de presión donde se mezcla con una corriente de reciclo, corriente 14, de alcohol isopropílico a 83 °C y 1.2 bares. Esta mezcla se bombea a través de una bomba de alimentación P- 401ª/B hacia el intercambiador de calor, E-401, a la temperatura de operación de 32 °C y una presión de salida de 3.10 bares donde se vaporiza la mezcla de alcohol Isopropílico antes que ingrese al reactor. La vaporización se lleva a cabo a 101 °C y 2.3 bares. El reactor R- 401 opera a 2.16 bares en el lecho y 2.70 bares en los tubos y a una temperatura de 350 °C, es un reactor de lecho fluidizado de acero inoxidable, se le suministra calor al reactor por medio de un quemador, H-401, en el cual se alimenta la corriente 4 a través de la bomba P-402ª/B, siendo esta una reacción endotérmica, para ello utiliza una corriente circulante de sal fundida.
El efluente del reactor, corriente 3, que contiene acetona, hidrogeno, agua y alcohol isopropílico no reaccionado, pasa a través de los intercambiadores E - y E-403 para enfriar la mezcla de 350 °C a 20 °C antes de que ingrese al separador V-402. El vapor que sale del separador, corriente 5, es conducido al Absorbedor, una torre de relleno con anillos Rashing que opera a 1.6 bares, T- 401, la cual le llega una corriente de agua a 20 °C y 2 bares con la finalidad de recuperar una parte de acetona, corriente 8. Luego la corriente líquida obtenido por los fondos del separador V-402, corriente 9, se mezcla con la corriente proveniente del absorbedor, corriente 6, el cual contiene acetona que ha sido recuperado para luego ser enviado al tren de destilación.
Los gases no condensables que salen del Absorbedor T-401 por el tope, corriente 7, que contiene todo el hidrogeno y en pequeñas cantidades acetona, alcohol
Isopropílico y agua a 34 °C y 1.50 bares se envían a la planta de fuerza con la finalidad de recuperarlos y utilizarlo como combustible para la alimentación del caldero. La corriente rica en acetona producto de las corrientes liquida del separador V-402 y de los fondos del Absorbedor T-40, corrientes 6 y 9, se envía a un tren de columnas de destilación T-402 y T-403, para la recuperación de acetona y alcohol isopropílico. La columna T-402 es alimentada por el líquido de fondos del separador y del absorbedor, por el tope de esta columna, los gases pasan a través del condensador E-404, que alimenta al tanque de almacenamiento V-403, los gases no condensables que contienen Hidrógeno en su mayor parte, corriente 16, son mandados a la planta de fuerza. Mientras que el producto que sale de fondo del tanque V-403, es el acetona con 99.9% de pureza, corriente 11, parte del producto recuperado es alimentada nuevamente a la torre T-402, corriente 10, por medio de la bomba P-403A/B mediante una válvula de control. El producto de fondos de la torre T-402, corriente 12, es alimentado a la segunda torre de destilación T-403, por medio de la bomba P-404A/B. El líquido de fondos de la torre T-403, corriente 15, se alimenta al intercambiador de calor E- 402 por medio de una válvula de control y es enviado a la planta de fuerza (la cual está fuera de los límites de batería), como agua residual. El producto que sale por el tope de la torre T-403, es alimentado al tanque de almacenamiento V-404, el cual contiene alcohol isopropílico, mismo que es alimentado nuevamente a la torre T-403, corriente 13, y recirculado al tanque de almacenamiento V-401, corriente 14, por medio de la bomba P-405A/B.
