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DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UNA PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE ACETONA A TRAVÉS DE LA DEHIDROGENACIÓN DE ALCOHOL ISOPROPÍLICO (IPA) Entrega #2: Justificación de ruta química y propuestas de optimización. Luis J. Carcamo; Yolimar A. Grimaldo; Jessica Joya Diseño de plantas I; grupo 2. Universidad del Atlántico.

Resumen: A lo largo de este escrito se describirá la razón por la que seleccionó la reacción que se lleva a cabo en la planta a diseñar, donde se busca la selección de la reacción con la mayor utilidad posible. También se enseñarán 2 propuestas para la mejora de esta utilidad a lo largo del diseño de la planta, esperando un incremento de la misma de al 20%. Justificación de ruta química: Para la obtención de la acetona se conocen 3 principales métodos, los cuales son: 

Oxidación de Cumeno. 𝐶6 𝐻5 𝐶𝐻(𝐶𝐻3 )2 + 𝑂2 → 𝐶6 𝐻5 𝐶𝐻(𝐶𝐻3 )2 𝑂 − 𝑂𝐻 + 𝐻3 𝑂+ → 𝐶6 𝐻5 𝑂𝐻 + 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝐶𝐻3

El proceso de producción de Acetona mediante la oxidación de Cumeno consta de dos etapas, en la primera de ellas se da la formación de un hidroperóxido de Cumeno por oxidación del Cumeno, y la segunda consiste en el rompimiento del hidroperóxido a través de un proceso catalítico de hidrolisis en medio acido para la formación de Fenol y Acetona. El proceso de oxidación se lleva a cabo con aire en emulsión acuosa de carbonato de sodio (pH = 8,5-10,5) a 100 °C y 5-10 atm. También puede realizarse la oxidación en ausencia de agua, a 120 °C, empleando como catalizadores sales de Mn o Co que actúan como catalizadores redox. El peróxido de cumilo así formado se disocia en fenol y acetona por tratamiento con ácido sulfúrico diluido en acetona al 0,1-2% a 60 °C. Ambos productos se separan por destilación fraccionada. La selectividad del proceso es del 91%.



Oxidación de alcohol isopropílico. 1 𝐶𝐻3 𝐶𝐻𝑂𝐻𝐶𝐻3 + 𝑂2 → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝐶𝐻3 + 𝐻2 𝑂 2

Este proceso ocurre temperaturas de 190 °C con una conversión del 90%, en presencia de un catalizador de cobre, plata o níquel, siendo el de cobre el que

permita obtener esta reacción con los parámetros anteriores, Sin embargo; es un proceso bastante exotérmico que necesita de un riguroso control de temperatura debido a que si pasa los 290 °C se daría la combustión total del alcohol y la temperatura de la reacción va desde los 200 a los 800 °C. 

Dehidrogenación de alcohol isopropílico. 𝐶𝐻3 𝐶𝐻𝑂𝐻𝐶𝐻3 → 𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝐶𝐻3 + 𝐻2

Esta reacción es la más utilizada en la industria de las dos que transforman el alcohol isopropílico en acetona, Este es un proceso endotérmico a 327 °C. Se ha estudiado un gran número de catalizadores como Cobre, Zinc y Metales de Plomo, además de los Óxidos de Cobre, Zinc, Cromo, Manganeso y Magnesio. En un proceso típico, la mezcla azeotrópica de agua y 2 – Propanol (87,8% en peso) se vaporiza y se alimenta a un lecho catalítico en un reactor especialmente diseñado para permitir una transferencia de calor eficiente. Lo cual ha permitido obtener un rendimiento en la producción de la acetona del 99,5% Utilidad por reacción: Primera ruta: Mediante oxidación de Cumeno. Cumeno Medio acido (H2SO4)

Acetona

lb mol 1 1 Peso molecular 120,19 98,08 Lb 120,19 98,08 lb/lb acetona 2,06 1,68 USD/lb 2,76 4,93 Utilidad de Rxn USD 1,62 Tabla 1. Utilidad de la reacción de la ruta química 1. Segunda ruta: Mediante oxidación de alcohol isopropílico. Alcohol isopropílico Oxigeno lb mol -1 1/2 Peso molecular 60,09 16 lb 60,09 16 lb/lb acetona 1,034 0,135 USD/lb 10,38 0 Utilidad de Rxn USD 4,72 Tabla 2. Utilidad de la reacción de la ruta química 2.

1 58,09 58,09 1 15,56

Acetona

Agua

1 58,09 58,09 1 15,46

1 18 18 0,305 0

Tercera ruta: Mediante dehidrogenación de alcohol isopropílico. Alcohol isopropílico Acetona Hidrogeno molecular lb mol -1 1 1 Peso molecular 60,09 58,08 2 lb 60,09 58,09 2 lb/lb acetona 1,034 1 0,034 USD/lb 10,38 15,46 0 Utilidad de Rxn USD 4,72 Tabla 3. Utilidad de la reacción de la ruta química 3.

Propuestas de mejora: 

Cambio de catalizador.

Para la mejora de rendimiento en la planta se propone un cambio de catalizador, el cual pasaría de ser el trimetálico de Cobre, Zinc y Cromo que convencionalmente se usa, a uno catalizador conformado por nanocompositos de Oxido de Cobre y Oxido de Níquel. Lo que traería como ventaja un menor flujo de recirculado en la planta. De acuerdo la patente número 4472593 de Estados Unidos y al artículo estudiado (Selective synthesis of acetone from isopropyl alcohol over active and stable CuO– NiO nanocomposites at relatively low-temperature), se obtuvieron los valores comparables que se observan en la tabla 4. Catalizador

Conversión

Nanocomposito Convencional

98% 90,1%

Selectividad con Temperatura la acetona reacción en °C 100% 200 99,1% 400

de

Si bien el catalizador de nanocompositos tiene ventas en la conversión, la selectividad y la temperatura de la reacción, su tiempo de vida útil no supera las 60 h y tiene un proceso de obtención, hasta la fecha; mucho más costoso que el catalizador convencional.

Figura 1. Diagrama de bloques de una planta de acetona con catalizador de nanocompositos de CuO - NiO.



Purificación del hidrogeno:

En la producción de acetona por dehidrogenación se produce hidrogeno que se puede vender comercialmente como combustible por contener restos de acetona, sin embargo la utilidad de este compuesto puede aumentar si mejoramos su separación y se vende el hidrogeno como producto industrial al aumentar su pureza y por otro lado, se recuperaría la acetona, que sería el producto principal del proceso. El hidrogeno en venta como gas combustible tendría un valor aproximado $1,6/kg de H2 y el producto industrial con mayor pureza puede llevar a tener un precio de $5,2/kg de H2.

Figura 2. Diagrama de bloques de una planta de acetona con purificación de H2.

Bibliografía: 

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