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• DanielaLópez

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DISEÑO DE UNA PLANTA PARA LA PRODUCCIÓN DE ACETONA A PARTIR DE ALCOHOL ISOPROPÍLICO POR DESHIDROGENACIÓN CATALÍTICA AVANCE 1 E. Caballero, C. Carrillo, D. López, J. Torres, A. Vega, Programa de Ingeniería Química, Universidad del Atlántico DISEÑO DE PLANTAS I - GRUPO 3 Jueves 05 de septiembre de 2019 En ingeniería de procesos, un buen diseño de la planta determina el futuro del proyecto en el que se interviene; y la competencia nacional e internacional para el mercado tiene la eficacia de encontrar soluciones a los problemas y fomentar una política de toma de iniciativas, así como incorporar innovación en tecnologías y procesos. Por lo tanto, tener una idea clara de la metodología, la creatividad y el conocimiento es esencial para garantizar lo que desea obtener como producto o servicio. La acetona se usa ampliamente en la industria, en la fabricación de metacrilato de metilo (MMA), Ácido metacrílico, metacrilatos, bisfenol A, entre otros, pero también se puede usar como:       

Disolvente para la mayoría de los plásticos y fibras sintéticas Ideal para diluir resinas de fibra de vidrio. Limpieza de prendas de lana y pieles. Limpie las herramientas de fibra de vidrio y disuelva las resinas epoxi. Limpieza de microcircuitos y componentes electrónicos. Se utiliza como componente volátil en algunas pinturas y barnices. Es útil en la preparación de metales antes de pintar.

En la producción de acetona se presentan diferentes métodos, de los cuales tres son destacados: proceso de cumeno, proceso de oxidación de polipropileno y el proceso de deshidrogenación de alcohol isopropílico. El proceso de Cumeno: es el más común en todo el mundo, pero como subproducto, el benceno (carcinógeno) reduce la pureza de la acetona y aumenta los costos de producción por separación. La oxidación del polipropileno: tiene una baja conversión de acetona y la pureza de los reactivos debe ser del 99%. La deshidrogenación de IPA, se obtiene acetona de alta pureza, el IPA se puede usar en agua solución, y la conversión de acetona es alta y no tiene sustancias, que son significativamente peligrosas para la salud. Este proceso nos deja como el principal producto de acetona del cual se mencionaron sus múltiples usos, y como productos secundarios:

Hidrógeno, ampliamente utilizado en la industria química: síntesis de amoníaco, procesos de refinería, tratamiento de carbón, entre otros. En este informe, optamos por el proceso de deshidrogenación de IPA, que ofrece grandes ventajas y resultados con bajos costos de producción. Y el desarrollo del diseño de una planta para la producción de acetona a partir de alcohol isopropílico por deshidrogenación catalítica, que debe ajustarse a una capacidad de 20000 toneladas por año, óptima, controlable, con bajos niveles de contaminantes y bajo costo de producción.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROCESO BASE El estudio de caso base trata sobre la producción de acetona a partir del alcohol isopropílico por reacción de deshidrogenación en la fase gaseosa del alcohol isopropílico en presencia del catalizador, luego se somete a enfriamiento, condensación y purificación (separación de impurezas del producto - IPA, agua) Para obtener acetona con alta pureza (99.9%), con dicho El diagrama de bloques del proceso base sería el siguiente:

En el diagrama de bloques que se muestra, se presentan las principales operaciones que conforman el proceso.

Opción 1 

MEZCLADO: La concentración de IPA en el alimento es diferente de la recirculada desde la parte superior de la columna de destilación de IPA, que contiene pequeñas cantidades del producto (acetona) que no se pudieron separar en la columna de destilación de acetona. Por esta razón, es necesario mezclar estas dos corrientes antes de ingresar al vaporizador, para homogeneizar las propiedades de la mezcla.

La mezcla resultante de IPA, agua y una cantidad depreciable de acetona requiere ser vaporizada, ya que la reacción de deshidrogenación catalítica se lleva a cabo en la fase gaseosa para mejorar el contacto entre el catalizador y la mezcla de reactivos. 

REACTOR: Para llevar a cabo la reacción es necesario poner la mezcla de alimentación en contacto con el catalizador, suministrar el calor de reacción porque es endotérmico, alimentar los reactivos y retirar los productos de manera que favorezca la cinética y selectividad. Todas estas operaciones deben llevarse a cabo en un reactor que permita que los reactivos se conviertan en los productos deseados.

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CONDENSADOR Y ENFRIAMIENTO: La corriente de salida del reactor está a altas temperaturas, por esta razón es necesario enfriar esta corriente, condensar los vapores de IPA, acetona y agua para mejorar la separación de las fases líquida y gaseosa en la pestaña Flash.

La corriente de salida del reactor está compuesta de producto (acetona), agua, alcohol isopropílico sin reaccionar e hidrógeno. Para separar el producto deseado de los otros componentes, es necesario llevar a cabo varias operaciones de separación, que son: 

SEPARADOR DE FASES: La formación de una fase líquida y gaseosa después del enfriamiento permite utilizar una separación instantánea, lo que permite separar todo el hidrógeno de la fase líquida porque tiene una solubilidad baja (insignificante). En la fase gaseosa, el hidrógeno y los vapores de IPA, acetona y agua estarán en equilibrio con sus líquidos.

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DESTILACIÓN DE ACETONA: El separador de fase líquida se alimenta a la columna de destilación, que está compuesta de agua, IPA, acetona y trazas de hidrógeno. La separación en esta operación se lleva a cabo aprovechando la diferencia de volatilidades de los 3 componentes, esto permite obtener el producto (acetona) a la especificación deseada (99.9%) con una pequeña cantidad de IPA en la parte superior como los componentes más ligeros. Y una corriente de fondo que consiste en IPA, agua y una cantidad insignificante de acetona que se separará en el siguiente paso.

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DESTILACIÓN DE IPA: La alimentación de esta columna está formada por los fondos de la columna de destilación de acetona. Esta operación permite obtener una corriente de IPA y acetona (insignificante) por parada para recircular al proceso y una corriente de fondo formada por IPA y agua, cuya concentración está limitada por la capacidad del sistema de tratamiento de aguas residuales

Opción 2 La alimentación fresca azeotrópica y el reciclado sin reaccionar mezcla IPA / agua son la materia prima mixta. Para alcanzar una temperatura alta del reactor, se utiliza un tren de precalentamiento, ya que la reacción es endotérmica El efluente del reactor, que contiene acetona, hidrógeno, agua y sin reaccionar, El IPA se enfría severamente y luego una unidad flash separa las fases. La corriente de gas no condensable es absorbida con agua para recuperar la acetona arrastrada. Con un esfuerzo razonable, se recupera de corriente de gas. El producto de la corriente inferior del absorbente y la corriente líquida de la unidad de flash se mezclan antes de la sección de separación. Como se indica en el diagrama, para el esquema directo, la primera columna separa la acetona en la parte superior como producto y la segunda columna separa la mezcla azeotrópica IPA-agua como producto superior. El azeótropo obtenido de la segunda columna se recicla. El producto del fondo de la segunda columna (agua) se recicla parcialmente a la columna de absorción. Teniendo en cuenta los procesos físico-químicos, se utilizan más paquetes de fluidos. Por procesos de fase de vapor, como reacción, se utiliza el paquete de fluido Peng-Robinson Twu. Para fase líquida procesos, la no idealidad se describe con el paquete de fluidos NRTL. Los coeficientes binarios son dados por banco de datos de Aspen HYSYS®.

Opción 3 En el proceso mostrado y discutido aquí usa alcohol isopropílico (IPA) como materia prima. Esta es una alternativa comercial viable y algunas plantas continuar operando usando este proceso. La principal ventaja de este proceso es que la acetona producid está libre de trazas de compuestos aromáticos, particularmente benceno. Por esta razón, la acetona producida a partir de IPA puede ser favorecida por la industria farmacéutica debido a las estrictas restricciones impuestas a la industria de Alimentos y Medicamentos (FDA). La reacción para producir acetona a partir de IPA es la siguiente. Con referencia a la Figura, se alimenta una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua (88% en peso de IPA) en un recipiente de compensación, donde se mezcla con la mezcla reciclada de IPA / agua sin reaccionar. Este material se bombea y vaporiza antes de ingresar al reactor. Se proporciona calor para la reacción endotérmica utilizando una corriente circulante de sal fundida, corriente 4. El efluente del reactor, que contiene acetona, hidrógeno, agua e IPA sin reaccionar, se enfrían en dos intercambiadores antes de entrar en la fase separador. El vapor que sale del separador se lava con agua para recuperar más acetona, y luego este líquido se combina con el líquido del separador y se envía a la sección de separación. Se utilizan dos torres para separar el producto de acetona (99.9% en moles) y para eliminar el exceso agua del IPA no utilizado, que luego se recicla de nuevo al inicio del proceso como un mezcal azeotrópica.

Referencia: 

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Tohăneanu M.C., Pleşu V., Iancu P., Bumbac G., Bonet Ruiz A.E., Bonet Ruiz J., 2014, Simulation and process integration of clean acetone plant, Chemical Engineering Transactions, 39, 469-474 DOI:10.3303/CET1439079 Garcia Jurado M.B., Pleşu V., Bonet Ruiz J., Bonet Ruiz A.E., Tuluc A., Llorens Llacuna J., 2013,Simulation of a hybrid reactive extraction unit. Biodiesel synthesis, Chemical Engineering Transactions, 35, 205-210, DOI:10.3303/CET1335034. Klemeš J., Friedler F., Bulatov I., Varbanov P., 2010, Sustainability in the Process Industry: Integration and Optimization, McGraw-Hill Inc., USA. Lokras S.S., Deshpande P.K., Kuloor N.R., 1970, Catalytic Dehydrogenation of 2Propanol to Acetone, Ind. End. Chem. Process Des. Develop., 293-297. Luyben L.W., 2011, Design and Control of the Acetone Process via Dehydrogenation of 2-Propanol, Ind Eng. Chem. Res., 50, 1206–1218. Turton R., Bailie R.C., Whiting W.B., Shaeiwitz J.A., 1998, Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes, 1st ed., Prentice Hall: Upper Saddle River, New Jersey, USA, 789-796.