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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Departamento de Ingeniería Química Industrial

“Obtención de Etilenglicol a partir de Óxido de Etileno”

Grupo: 4IV71 Asignatura: Diseño básico de procesos Profesor: Román Ramírez López Alumnos:    

Cruz Martines Aziel Maya Breceda Melani Valeria Villegas Medina Samantha Pamela Zamora Contreras Rogelio

INDICE 1. RESUMEN .......................................................................................................... 2 2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 3 2.1 Antecedentes históricos del etilenglicol ............................................................. 4 2.2 Características y propiedades químicas y físicas .............................................. 5 2.2.2 Propiedades químicas del etilenglicol ......................................................... 7 2.2.3 Pureza ....................................................................................................... 10 2.2.4 Calidad ...................................................................................................... 10 2.2.5 Rombo de seguridad del etilenglicol. ........................................................ 11 2.3 Propiedades fisicas y quimicas de oxido de etileno ........................................ 12 2.4 Propiedades fisicas y quimicas del agua ......................................................... 12 2.5 Aplicaciones .................................................................................................... 13 2.6 Materia prima principal .................................................................................... 14 2.7 Costos de la materia prima.............................................................................. 15 2.8 Métodos alternativos para la producción de etilenglicol .................................. 15 2.9 Potencial económico ....................................................................................... 17 2.10 Selección del proceso ................................................................................... 18 3. SIMULACIÓN .................................................................................................... 19 3.1 Balance de materia ...................................................................................... 19 3.2 Tren de separación ...................................................................................... 21 3.3 Sistema de intercambio de calor .................................................................. 23 3.4 Diagrama de flujo en PRO II ........................................................................ 24 4. ANALISIS DE RESULTADOS ........................................................................... 29 5. CONCLUSIONES .............................................................................................. 30

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1. RESUMEN El presente trabajo se desarrolló con motivo de aplicar los conocimientos adquiridos durante la asignatura de diseño básico de procesos, tales como aplicación de heurísticas, trenes de separación, diseño de redes de intercambio térmico, siendo estos, métodos que permiten optimizar procesos industriales. La aplicación de estos métodos de optimización requiere de conocimientos que fueron previamente obtenidos, como son; balances de materia, balances de energía, transferencia de calor, y operaciones unitarias, fundamentales para el desarrollo de dichos procesos industriales. El proceso desarrollado fue la obtención de Etilenglicol, el cual se obtuvo por medio de una reacción de hidrólisis. Esta reacción se lleva a cabo en las condiciones de 30 bar y 200°C, empleando un reactor adiabático, y una sucesión de equipos como son evaporadores, destiladores, intercambiadores de calor y mezcladores. Este diseño en el trabajo del conjunto de equipos tiene el objetivo de lograr que el producto fabricado cuente con las características fisicoquímicas necesarias para ser un producto comercial útil. Dentro de la investigación se analizaron diferentes procedimientos que a nivel industrial ya son implementados para la obtención del etilenglicol, se eligió el proceso que tiene mayor rentabilidad, ya que, realizando análisis de costos entre las materias primas y la economía necesaria para cada proceso es importante encontrar un punto de equilibrio entre ambas variables, pues algunos procesos involucran costos menores en materias primas, pero la trasformación de dichas sustancias es más costosa que el adquirir la sustancia ya transformada y solo llevar a proceso la obtención del etilenglicol. De acuerdo a lo planteado anteriormente, se eligió la obtención del etilenglicol por la vía de hidrolisis del óxido de etileno. Esta investigación incluye las características fisicoquímicas de las sustancias involucradas tanto en materia prima como en los productos obtenidos, así como las reacciones que se llevan a cabo en este proceso, las condiciones de operación para que este se lleve a cabo, y una detallada esquematización del procedimiento, así como la simulación en el software PRO II. En este programa se incluye el procedimiento del reactor.

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2. INTRODUCCIÓN La interacción entre etapas de la Ingeniería de Procesos, es que la optimización requiere de la solución de problemas de simulación en cada iteración, mientras que simulación es una herramienta imprescindible en el diseño de un proceso. La simulación de procesos puede ser útil en todas las etapas del desarrollo de un proyecto industrial. En las diferentes etapas de un proyecto, puede haber necesidad de realizar simulaciones con diferentes niveles de sofisticación. La simulación de procesos puede usarse en las siguientes etapas del desarrollo de un proyecto industrial:     

Investigación y desarrollo: Una simulación sencilla se puede usar para probar la factibilidad técnica y económica del proyecto. Etapa crítica en la toma de decisiones: Se prueban diferentes alternativas de proceso y condiciones de operación y se toman decisiones. Planta piloto: Simulación con modelos más sofisticados para obtener mejores estimaciones de las condiciones de operación a escala industrial. Diseño: La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos para el diseño detallado de los diferentes equipos. Simulación de plantas existentes: Puede ser muy útil cuando es necesario cambiar las condiciones de operación, o cuando se quieren sustituir materias primas.

La simulación de procesos químicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensable para la solución adecuada de los problemas de proceso. Permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación y llevar a cabo las siguientes tareas, las cuales son comunes en las diversas ramas de la industria química:          

Predicción de los efectos de cambios en las condiciones de operación y capacidad de la planta. Optimización de las variables de operación. Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado. Análisis de nuevos procesos para nuevos productos. Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía. Análisis de condiciones críticas de operación. Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas. Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos. Optimización del proceso para minimizar la producción de desechos y contaminantes. Entrenamiento de operadores e ingenieros de proceso. 3



Investigación de la factibilidad de automatización de un proceso. En el presente trabajo se presenta todo el análisis sobre el diseño del proceso del etilenglicol y de igual manera, se puede encontrar la optimización del rendimiento en el balance de materia, es decir, que proceso obtiene mayor cantidad de producto.

2.1 Antecedentes históricos del etilenglicol El etilenglicol es uno de los productos químicos que mediante una síntesis que mayor utilidad han tenido a lo largo de la historia, debido a sus propiedades físicas que permiten un amplio rango de trabajo, como lo es la temperatura de ebullición y de fusión. Es por ello que cada vez se ha perfeccionado de mejor manera, la necesidad de mantener un equipo a una menor temperatura y a su vez evitar el sobre enfriamiento. Charles-Adolphe Wurtz, químico francés, fue la primer persona que sintetizó este glicol en 1859, a partir del hidróxido de potasio mediante un proceso similar a la saponificación. Sin embargo, continuó con su investigación y tan sólo un año después, en 1860, perfeccionó su método mediante la hidratación del óxido de etileno. Aun así, con el gran descubrimiento de una sustancia con un amplio rango de temperaturas no tuvo un gran uso ni comercialización. No fue sino hasta la Primera Guerra Mundial cuando se comenzó a utilizar con más frecuencia como un refrigerante, y posteriormente en Alemania sustituyó al glicerol en la producción de explosivos mediante la síntesis del mismo a partir del dicloroetileno. En los años 40, fue introducido a la industria automotriz por primera vez, debido a que en épocas pasadas se utilizaba metanol como refrigerante sin embargo se presentaban muchos problemas a causa de la evaporación del mismo. Ya con una sustancia que tiene un mayor punto de ebullición se sustituyó el metanol por el etilenglicol. Hoy en día, el etilenglicol forma parte importante de sistemas de refrigeración pero la gran adversidad de tiene este glicol es su toxicidad, por lo que se ha comenzado a cambiar a productos que sean de menor peligro para la salud, es por ello que se ha introducido el propilenglicol como el sustituto ideal puesto que tiene las mismas propiedades que el etilenglicol. Estados Unidos es considerado el primer productor de etilenglicol con una producción anual de 1,500 millones de libras por año, de las cuales el 82% es para consumo doméstico y el resto para importaciones a Europa principalmente. Por lo que respecta a México existe una producción de 121 millones de libras por año, de las cuales no son necesarias para la demanda nacional, existiendo importaciones para satisfacer esta necesidad.

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2.2 Características y propiedades químicas y físicas OXIDO DE ETILENO Características: 1. Puede sufrir descomposición cuando alcanza una temperatura igual o mayor a los 427°C 2. No es compatible con ácidos, materiales combustibles, bases, sales metálicas, aminas, metales y materiales oxidantes. 3. Produce óxidos de carbón cuando sufre una descomposición térmica. 4. Puede polimerizarse cuando se sobrecalienta. 2.2.1 Propiedades físicas y químicas del Óxido de etileno

ESTADO FISICO

Gas

COLOR

Incoloro

OLOR

Dulce

PESO MOLECULAR

44.06

FORMULA MOLECULAR

(C-H2)2-O

PUNTO DE EBULLICION

13°C

PUNTO DE CONGELAMIENTO

111°C

PRESION DE VAPOR

1095 mm Hg (a 20°C)

DENSIDAD DE VAPOR

1.5

GRAVEDAD ESPECÍFICA

0.8824 a 10°C

SOLUBILIDAD CON AGUA

Soluble

pH

No aplica

VOLATILIDAD

100%

VISCOSIDAD

0.0095 cP a 20°C

SOLUBILIDAD (con solventes)

Alcohol, éter, acetona, tetracloruro de carbón, orgánicos.

benceno, solventes

Tabla 1 Propiedades fisicoquímicas del Óxido de etileno

5

DIETILENGLICOL Características: 1. Puede ser combustible a altas temperaturas. 2. Se flashea a 227.78°C. 3. Si se combustiona, producirá óxidos de carbono. 2.2.2 Propiedades fisicoquímicas del dietilenglicol ESTADO FISICO

Líquido

COLOR

Incoloro

OLOR

Sin olor

PESO MOLECULAR

106.12

FORMULA MOLECULAR

C4H10O3

PUNTO DE EBULLICION

245.8°C

PUNTO DE FUSION

-8°C

PRESION DE VAPOR

-----

DENSIDAD DE VAPOR

-----

GRAVEDAD ESPECÍFICA

1.12

SOLUBILIDAD CON AGUA

Soluble (agua fría)

pH

7 neutro

VOLATILIDAD

-----

VISCOSIDAD

Media

SOLUBILIDAD (con solventes)

Metanol, dietiléter, agua fría y caliente

Tabla 2 Propiedades fisicoquímicas del Dietilenglicol

TRIETILENGLICOL Características: 1. Puede actuar como combustible a altas temperaturas. 2. Se flashea a 177°C 3. Produce óxidos de carbón a altas temperaturas.

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2.2.3 Propiedades fisicoquímicas del trietilenglicol

ESTADO FISICO

Líquido

COLOR

Incoloro

OLOR

-----

PESO MOLECULAR

150.18

FORMULA MOLECULAR

C6H14O4

PUNTO DE EBULLICION

285°C

PUNTO DE FUSION

-5°C

PRESION DE VAPOR

-----

DENSIDAD DE VAPOR

5.17

GRAVEDAD ESPECÍFICA

1.1274

SOLUBILIDAD CON AGUA

Soluble

pH

-----

VOLATILIDAD

-----

VISCOSIDAD

-----

SOLUBILIDAD (con solventes)

Fácilmente soluble en agua fría

Tabla 3 Propiedades fisicoquímicas del Trietilenglicol 2.2.2 Propiedades químicas del etilenglicol Al igual que otros alcoholes el etilenglicol se somete a las reacciones típicas de sus grupos hidroxilo. Aquí sólo consideraremos las características químicas especiales y reacciones industrialmente importantes del etilenglicol. Los dos grupos hidroxilo adyacentes permiten la ciclación, y la policondensación; uno o ambos de estos grupos funcionales pueden, por supuesto, también reaccionan para dar otros derivados. Oxidación El etilenglicol se oxida fácilmente por el oxígeno, ácido nítrico, y otros agentes oxidantes para formar un número de aldehídos y ácidos carboxílicos. Los productos típicos derivados de las funciones alcohólicas son glicolaldehıdo (HOCH 2 CHO), ácido glioxílico (HOCH2COOH), glioxal (CHOCHO), ácido glioxílico (HCO- COOH), 7

ácido oxálico (HOOCCOOH), formaldehído (HCHO) y ácido fórmico (HCOOH). La variación de las condiciones de reacción puede conducir a la formación selectiva de un producto de oxidación deseado. La oxidación en fase gaseosa con aire en presencia de catalizadores de cobre es de importancia industrial para la producción de glioxal. Escisión glicol se produce en solución ácida con agentes oxidantes ciertos tales como el permanganato, peryodato, o tetraacetato de plomo. La ruptura del enlace C-C produce principalmente formaldehído, parte del cuale se oxida adicionalmente a ácido fórmico. Formación de 1,3-dioxolano. Los 1,3-dioxolanos se forman por reacción de glicol de etileno con compuestos de carbonilo:

La acetalización de los cíclicos de 1,3-dioxolano se produce más fácilmente que la formación de acetal a partir de alcoholes de cadena lineal. Si se elimina el agua de la mezcla de reacción se puede obtener un excelente rendimiento. Esta reacción se utiliza para proteger a los grupos carbonilo en síntesis orgánicas. También se pueden formar 1,3-dioxolanos a partir de etilenglicol por transacetalización. Ejemplos de esto son las reacciones de etilenglicol con ortoformiatos:

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o con carbonatos de dialquilo:

Formación de 1,4-dioxano. El etilenglicol se puede convertir en dioxano por deshidratación en presencia de catalizadores ácidos:

Formación de éter y éster. El etilenglicol puede ser alquilado o acilado por los métodos habituales para formar éteres o ésteres, respectivamente. Sin embargo, la presencia de dos grupos hidroxilo conduce a la formación de mono y diéteres y mono y diésteres, dependiendo de las concentraciones iniciales de los reactivos individuales. La esterificación de etilenglicol con ácido tereftálico para formar poliésteres es especialmente importante en la industria por su aplicación como fibras sintéticas.

Etoxilación. 9

El etilenglicol reacciona con óxido de etileno para formar di-, tri-, tetra-, y polyglicoles de etileno. Las proporciones de estos glicoles que se encuentran en el producto de reacción son determinadas por el sistema de catalizador que se utiliza y el exceso de glicol. Se requiere un exceso considerable de glicol para obtener los homólogos inferiores en un rendimiento satisfactorio. Esta reacción se utiliza raramente industrialmente ya que estos homólogos se forman como subproductos durante la producción de etilenglicol.

Descomposición con hidróxido alcalino. El glicol es un compuesto relativamente estable, pero se requiere especial cuidado cuando se calienta etilenglicol (o dietilenglicol) a una temperatura más alta en presencia de una base tal como hidróxido de sodio. La fragmentación de la molécula comienza a temperaturas superiores a 250 ºC y es acompañada por la evolución exotérmica de hidrógeno (ΔH = -90 a -160 kJ / kg). Esto conduce a una acumulación de presión en recipientes cerrados. 2.2.3 Pureza Durante los diversos métodos de producción para obtener etilenglicol se encuentran otros subproductos de la reacción tales como dietilenglicol y trietilenglicol, los cuales no pueden ser considerados como impurezas, si no por el contrario, debido a las cantidades considerables que se forman. Sin embargo cuando se tiene el etilenglicol separado de sus subproductos, cantidades de hierro, en este caso si se puede aplicar el termino de impureza, puesto que existe un elemento extraño al producto de referencia después de la reacción, sin que esta impureza llegue a ser muy importante en el producto. 2.2.4 Calidad Se aplica dependiendo de la aplicación intermedia ó final de un determinado producto. En este caso del etilenglicol se tiene diversos tipos de calidad y estos están en función del porcentaje de agua que contiene el etilenglicol como producto terminado. Dependiendo del contenido se tienen diversas aplicaciones por ejemplo no puedes usar el mismo etilenglicol que se utiliza en la elaboración de fibras que el utilizable en líquidos de frenos.

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El etilenglicol (sinónimos: 1,2-Etanodiol, glicol de etileno, glicol) es un compuesto químico que pertenece al grupo de los glicoles. El etilenglicol es un líquido transparente, incoloro, ligeramente espeso como el almíbar. A temperatura ambiente es poco volátil, pero puede existir en el aire en forma de vapor, el etilenglicol es inodoro pero tiene un sabor dulce.

Figura 1. etilenglicol

Molécula

del

2.2.5 Rombo de seguridad del etilenglicol.

Figura 2. Rombo de seguridad del etilenglicol

11

2.3 Propiedades fisicas y quimicas de oxido de etileno

Tabla 2. Propiedades físicas y químicas del óxido de etileno.

2.4 Propiedades fisicas y quimicas del agua

Tabla 3. Propiedades físicas y químicas del agua. 12

2.5 Aplicaciones El etilenglicol:  Se emplea como anticongelante en sistemas de refrigeración y calefacción.  como disolvente en las industrias de pinturas y plásticos y como ingrediente de los líquidos descongelantes utilizados en las pistas de los aeropuertos.  Se utiliza en líquidos hidráulicos para frenos, en la dinamita de bajo punto de congelación, en tintes para madera, en adhesivos, en tintes para el cuero y en el tabaco.  Sirve como deshidratante del gas natural, como disolvente de tintas y pesticidas y como ingrediente de condensadores electrolíticos.  Se encuentra en compuestos de corcho, adhesivos de encuadernación, líquidos de freno, lacas de barnizado, cosméticos y soluciones anticongelantes para sistemas de aspersión. El dietilenglicol :  Se utiliza en las juntas hidráulicas de los depósitos de gas  Se utiliza en la lubricación y el acabado de tejidos  Se utiliza como disolvente de colorantes de tina y como agente deshidratante del gas natural.  En la desinfección del aire y para mejorar la flexibilidad de algunos plásticos. El trietilenglicol sirve:  como humectante en la industria del tabaco y es un producto químico intermedio en la fabricación de plastificantes, resinas, emulsionantes, lubricantes y explosivos.

Figura 2. Aplicación del etilenglicol en botellas PET.

Figura 3. Aplicación del etilenglicol en Anticongelante para carros.

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2.6 Materia prima principal El óxido de etileno es un producto petroquímico considerado como básico para la obtención de otros productos. En México debido a la nacionalización de la industria petrolera, existen ciertos productos tales como gas natural, amoniaco, benceno, óxido de etileno, etc., los cuales no pueden ser elaborados por la iniciativa privada, pero sí por el estado representado por PEMEX, obteniéndose así grandes volúmenes de producción y un precio de venta óptimo aunque algunas veces subsidiado para favorecer el desarrollo de la industria nacional. l óxido de etileno se elabora en tres diferentes Plantas Petroquímicas, tal es el caso del complejo Pajaritos, Veracruz, con una capacidad nominal de 28,000 TON/Año, la cual Estado físico sólida, liquida y gaseosa Color Incolora Sabor Insípida Olor Inodoro Densidad 1 g./c.c. a 4°C Punto de congelación 0°C Punto de ebullición 100°C Presión critica 217.5 atm. Temperatura critica 374°C Peso Molecular 18 g/mol 3 1 3 4 0 0 1 0 inició en el año de 1972, con una producción de 26,259 TON/Año. Cabe mencionar que la planta de Pajaritos, Veracruz utiliza como materia prima el gas residual de la planta de absorción de La Venta, Tabasco En el año de 1980 se proyectó por parte de Petróleos Mexicanos que una de las plantas químicas del complejo Petroquímico La cangrejera, Veracruz, fuera de óxido de etileno la cual tenía y tiene actualmente una capacidad de 100,000 TON/Año, la cual supera la capacidad de la Planta Petroquímica de Pajaritos, Veracruz. Para el año de 1988, tal era la demanda de óxido de etileno que se arrancó el complejo Petroquímico Morelos, Veracruz con una capacidad nominal de 200,000 TON/Año. Es necesario hacer notar que PEMEX para garantizar la gran demanda de óxido de etileno, realiza importaciones equivalentes a 37,000 TON/Año, el cual representa el - 18.8% para el 2009, comparado con el año 2008 que importó 56,000 TON/Año con un incremento del 14.4% comparado con el 2007. Representando el 8.2 % del total de importaciones de PEMEX, en donde incluyen una selección de productos que PEMEX fabrica únicamente en México, que son: Acrilonitrilo, Alquilbenceno Lineal, Amoníaco, Benceno, Butadieno, Ciclohexano, Cloruro de Vinilo, Cumeno, Dodecilbenceno, Estireno, Etano, Etileno, Heptano, Hexano, Isopropanol, Metanol, Negro de humo, Orto xileno, Óxido de etileno, Para xileno, Propileno, Tolueno, Xilenos; con un costo aproximado de 19,994 millones de dólares del valor total de las importaciones de PEMEX. Es importante el mencionar que la planta Pajaritos utiliza el gas natural proveniente de Tabasco, para el complejo La cangrejera, se utiliza el gas natural proveniente de las plantas endulzadoras de Huimanguillo, la cual tiene una conexión con el puerto 14

terminal Dos Bocas, situado igualmente en Tabasco, el cual recoge el gas natural de los pozos de Bahía Campeche.

2.7 Costos de la materia prima

COMPUESTO

PRECIO $$$dólar/Lb

OXIDO DE ETILENO

$0.74

AGUA

$0.11

Tabla 4. Costos de materia prima

2.8 Métodos alternativos para la producción de etilenglicol Existen diversos métodos de obtención del etilenglicol, a continuación se mostraran cada uno de estos con su proceso. Obtención del etilenglicol a partir del uso de un catalizador Con un catalizador ácido Todo el etilenglicol producido en los Estados Unidos se obtiene a partir de la hidratación de óxido de etileno en presencia de un catalizador ácido. Este proceso no fue el primero que se empleó para la obtención de éste, sin embargo debido a su sencillez y desarrollo tecnológico y factibilidad de las materias primas es el proceso más utilizado.  PROCESO:La reacción se produce en fase acuosa en presencia de un catalizador preferentemente ácido sulfúrico en la proporción del 50%w de la solución, la que solamente a un calentamiento de 50° a 70°C en un periodo de 30 minutos aproximadamente para convertir el óxido de etileno en etilenglicol. La producción continua de etilenglicol por el procedimiento anterior produce una solución de glicol, lo cual contiene el ácido usado como catalizador, la solución se retirará continuamente del reactor. Para la recuperación del glicol se tienen algunos problemas en la separación, por la presencia del catalizador. El residuo no puede ser tratado como un ácido libre, por lo que con la adición del cloruro de bario este no precipitará, teniéndose que emplear un lecho extra para remover el ácido presente en los productos. 15

Obtención del etilenglicol a partir del proceso de alta presión y alta temperatura. Como ejemplo en Alemania en el proceso Gendof el etileno glicol se obtiene mezclando el óxido de etileno en agua a presiones y temperaturas elevadas, sin embargo, el primer método utilizado en Alemania fue utilizado el del dicloroetano, el cual fue desplazado posteriormente por este nuevo, el que es mucho más sencillo y requiere menos pasos de purificación.  PROCESO. El óxido de etileno se disuelve en agua dulce proveniente de la separación del glicol, en una proporción de una parte de óxido de etileno por siete partes de agua y calentando en el reactor de 190°C a 200°C, a una presión de 22 atmosferas. El tiempo de contacto es aproximadamente de media a una hora. El producto es separado por evaporación y purificado por destilación. A partir de este proceso se obtiene una producción del 92 al 95% siendo el resto de glicoles de mayor peso molecular. Obtención de etilenglicol, proceso de alta presión del formaldehído. El único proceso del que se tiene conocimiento es operado por Du-Pont en Belle, West Virginia , se lleva a cabo a altas temperaturas elevadas del formaldehído en presencia de una mezcla de monóxido de carbono y agua, o metanol para producir ácido de glicol o glicolato de metilo respectivamente.  PROCESO. El formaldehído se disuelve en agua en presencia de monóxido de carbono formando el ácido de glicol, posteriormente éste es estratificado con metanol o n-propanol para formar el correspondiente glicolato de alquilo. Estos son entonces hidrogenados a etilenglicol por contacto con un catalizador de cobre o de óxido de magnesio a una temperatura superior a los 125°C, llegando hasta los 325°C y una presión de 400 atm. Sin embargo, se tienen grandes problemas para la separación del etilenglicol ya que en la reacción se producen otros subproductos tales como el metanol y el glicolato metálico; los que son separados por una columna fraccionada.

𝐻𝐶𝐻𝑂 + 𝐶𝑂 + 2𝐻2 → 𝑂𝐻𝐶𝐻2 − 𝐶𝐻2𝑂

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2.9 Potencial económico Compuesto

PM

Kgmol/h

Kg/h

$/Kgmol

$/Kg

$

C2H4O

44

2500

110,000.00

1313.40

29.85

3’283,500.00

18

7336.26

132,052.68

79.92

4.44

586,313.90

C2H6O2

62

1944

120,528.00

8,278.86

133.53 16’094,103.84

C4H10O3

106

192

20,352.00

48,495.00

457.5

9’311,040.00

C6H4O4

150

24

3,600.00

2,169.00

14.46

52,056.00

C2H4O

44

100

4,400.00

1313.40

29.85

131,340.00

18

5176.26

93,128.94

79.92

4.44

413,492.50

(Entrada)

H2O (Entrada)

(Salida)

H2O (Salida)

𝑷. 𝑬. =

𝑷. 𝑬. =

𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐𝒔 − 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 𝒅𝒆 𝑴𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂 𝑷𝒓𝒊𝒎𝒂 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 𝒅𝒆𝒍 𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐 𝑷𝒓𝒊𝒏𝒄𝒊𝒑𝒂𝒍

(𝟖, 𝟐𝟕𝟖. 𝟖𝟔 + 𝟒𝟖, 𝟒𝟗𝟓. 𝟎𝟎 + 𝟐, 𝟏𝟔𝟗. 𝟎𝟎 + 𝟏, 𝟑𝟏𝟑. 𝟒𝟎 + 𝟕𝟗. 𝟗𝟐) − (𝟏, 𝟑𝟏𝟑. 𝟒𝟎 + 𝟕𝟗. 𝟗𝟐) 𝟖, 𝟐𝟕𝟖. 𝟖𝟔

𝑷. 𝑬. = 𝟕. 𝟏𝟐

𝑷. 𝑬. =

$ 𝑲𝒈𝒎𝒐𝒍 𝑪𝟐 𝑯𝟔 𝑶𝟐

(𝟏𝟔′ 𝟎𝟗𝟒, 𝟏𝟎𝟑. 𝟖𝟒 + 𝟗′ 𝟑𝟏𝟏, 𝟎𝟒𝟎. 𝟎𝟎 + 𝟓𝟐, 𝟎𝟓𝟔. 𝟎𝟎 + 𝟏𝟑𝟏, 𝟑𝟒𝟎. 𝟎𝟎 + 𝟒𝟏𝟑, 𝟒𝟗𝟐. 𝟓𝟎) − (𝟑′ 𝟐𝟖𝟑, 𝟓𝟎𝟎. 𝟎𝟎 + 𝟓𝟖𝟔, 𝟑𝟏𝟑. 𝟗𝟎) 𝟏𝟔′ 𝟎𝟗𝟒, 𝟏𝟎𝟑. 𝟖𝟒

𝑷. 𝑬. = 𝟏. 𝟑𝟖

$ 𝑲𝒈 𝑪𝟐 𝑯𝟔 𝑶𝟐

17

2.10 Selección del proceso Países en desarrollo como México no cuentan con tecnología propia, es por eso que muchos de sus equipos son diseñados a partir de normas y procedimientos de países tales como son, E.U.A, Japón, Alemania, etc. Los cuales cuentan con un alto desarrollo tecnológico, tanto en sus métodos de producción como en el diseño de sus equipos y materiales. Es por esto que al decidir entre alguno de los procesos mencionados deberá de seleccionarse aquel que involucre menor número de operaciones, requiera de materiales accesibles y en este caso ver que existan plantas en el país que utilicen ya la tecnología. Para la determinación del proceso más conveniente de fabricación, existen varios puntos que deberán tomarse en cuenta, esta selección implica un estudio profundo que permita visualizar cuál de estas tres alternativas arrojará el mejor resultado. En la decisión de elegir el proceso más conveniente deberán tomarse en cuenta aspectos tanto técnicos como económicos citando por su importancia, lo siguiente:  Disponibilidad de tecnología  Calidad de los productos obtenidos  Materias primas involucradas  Facilidad y flexibilidad de operación y tecnología  Subproductos y residuos del producto

18

3. SIMULACIÓN 3.1 Balance de materia A continuación, se presenta el balance de materia realizado con las características de la reacción de producción de etilenglicol. El rendimiento del óxido de etileno es de 96%, y dado que la reacción cuenta con reacciones secundarias, las cuales producen dietilenglicol y trietilenglicol principalmente, tenemos que sus selectividades son las siguientes: hacia el etilenglicol es de 90%, así mismo, la mitad del no reaccionante se convierte en dietilenglicol (5%) y el restante en trietilenglicol (5%). También se sabe que la relación MC2H40/MH20 es igual a 45.45%/54.54%. La base de cálculo será 110,000 kg/hr de C2H4O, pues esto es lo producido comúnmente en un proceso industrial.

1. Calculo del flujo molar de óxido de etileno 𝐾𝑔 ℎ𝑟 = 2500 𝐾𝑔 NC2H4O = 𝐾𝑔 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙 44 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙 110,000

2. Calculo del flujo molar del agua 𝑀𝐶2𝐻4𝑂 0.4545 = = 0.833 𝑀𝐻20 0.5454 

Despejando 𝐾𝑔 𝑀𝐶2𝐻4𝑂 110,000 ℎ𝑟 𝐾𝑔 𝑀𝐻20 = = = 132,052.82 0.833 0.833 ℎ𝑟

NH2O =

132,052.82 18

𝐾𝑔 ℎ𝑟 = 7336.26

𝐾𝑔 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑔 𝐾𝑔𝑚𝑜𝑙 19

3. Balance de materia en el Reactor

C2H4O

+

H2O

C2H6O2

E

2500

7336.26

0

R

2160

2160

2160

S

340

5176.26

2160

C2H4O

+

C2H6O2

C4H10O3

E

340

2160

0

R

216

216

216

S

124

1944

216

C2H4O

+

C4H10O3

C6H14O4

E

124

216

0

R

24

24

24

S

100

192

24

4. Comprobación de balance de materia ENTRA=SALE Entra= 𝑀𝐶2𝐻40 + 𝑀𝐻20 = 132,052.82

𝐾𝑔 ℎ𝑟

+110,000

𝐾𝑔 ℎ𝑟

= 242,052.82

𝐾𝑔 ℎ𝑟

𝑠 𝑠 𝑆𝑎𝑙𝑒 = 𝑀𝐶2𝐻40 + 𝑀𝐻20 + 𝑀𝐶2𝐻602 + 𝑀𝐶4𝐻10𝑂3 + 𝑀𝐶6𝐻1404 𝑟 𝑟 = 93172.68 + 120528 + 20352 + 3600 + 4400 𝐾𝑔 = 242,052.82 ℎ𝑟

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3.2 Tren de separación La forma de separación de una mezcla resultante de un proceso químico puede ser diseñada por heurísticas, las cuales son diferentes métodos que consideran aspectos como volatilidades, puntos de ebullición, cargas de separación y también el separar el producto que se contenga más en la mezcla, es decir, con mayo concentración, Para este caso en particular, la heurística que seguiremos será por coeficientes de facilidad de separación. 1. Tabla de datos

Especie

𝑲𝒈

Flujo (

𝒉𝒓

)

Teb(ºC)

A

C2H4O

4400

10.7

B

H2O

93172.68

100

C

C2H6O2

120528

197.3

D

C4H10O3

20352

249

E

C6H14O4

3600

285

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2. Tabla de resultados Componente

ΔT

CFS1

CFS2

A

89.3

1.65

-

B

97.3

65.71

-

C

46.7

5.13

9.28

D

41

0.619

1.047

E

-

-

-

3. Cálculos primer CFS 𝐶𝐹𝑆 𝐴⁄𝐵 = (

4400 ) ∗ 89.3 = 1.65 93,172.68 + 120,528 + 20352 + 3600

𝐶𝐹𝑆 𝐵⁄𝐶 = (

4400 + 93,172.68 ) ∗ 97.3 = 65.71 120,528 + 20352 + 3600

20352 + 3600 𝐶𝐹𝑆 𝐶⁄𝐷 = ( ) ∗ 46.7 = 5.13 4400 + 93,172.68 + 120,528 𝐶𝐹𝑆 𝐷⁄𝐸 = (

3600 ) ∗ 41 = 0.63 4400 + 93,172.68 + 120,528 + 20352

El primero corte, es decir, la primera separación, se hace entre b y c, dado que el coeficiente de facilidad de separación dio más grande ahí. Para poder determinar el siguiente corte, se calculan de nuevo los CFS, sin incluir la masa de a y b, puesto que ya determinamos su separación.

4. Cálculos segundo CFS 20352 + 3600 𝐶𝐹𝑆 𝐶⁄𝐷 = ( ) ∗ 46.7 = 9,28 120,528 3600 𝐶𝐹𝑆 𝐷⁄𝐸 = ( ) ∗ 41 = 1.047 120,528 + 20352

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El segundo corte se hace entre c y d, puesto que es ahí donde da el CFS más grande. Por consiguiente, el tren de separación queda de la siguiente manera.

3.3 Sistema de intercambio de calor Para la producción de etilenglicol no existe cascada de calor, por lo que tampoco se pudo obtener una red de intercambio térmico. Ya que los intercambiadores que se requieren para dicho proceso son meramente servicios de calentamiento y enfriamiento. En la producción del etilenglicol a partir del óxido de etileno solo se necesita de un reactor y una columna destiladora con su respectivo condensador y rehervidor.

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3.4 Diagrama de flujo en PRO II

Balance

molar

en

planta

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25

Reactor Condiciones de operación

26

27

Balance molar y másico en el reactor.

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4. ANALISIS DE RESULTADOS Con los resultados obtenidos del trabajo realizado es evidente la viabilidad de producir etilenglicol a partir de óxido de etileno y agua, ya que en primera instancia el potencial económico resulto ser positivo siendo de 𝟏. 𝟑𝟖

$ 𝑲𝒈 𝑪𝟐 𝑯𝟔 𝑶𝟐

lo cual indica la

rentabilidad que se tendría al llevar a cabo dicha producción. Por un lado, vemos en los resultados visibles en los balances de materia como son la selectividad del óxido de etileno hacia el etilenglicol, para llevar a cabo la selectividad de 0.9 es necesario agregar un exceso de agua hasta una proporción de 1:4, esto con la finalidad de llevar nuestra reacción principal a su máxima conversión. Por otra parte se puede observar como el tener diferentes subproductos de los reactivos, se aumenta el número de separadores considerablemente, lo que ocasionaría una inversión aun mayor al implementar la recirculación de nuestra materia prima como lo son el agua y el óxido de etileno. Para el tren de separación se ocupó la fórmula de Nadgir y Liu, es decir, basándonos en los coeficientes de facilidad de separación con ayuda de las diferencias en temperaturas de ebullición de los componentes adyacentes. Se buscó la presión y temperatura en el reactor que favoreciera la reacción hacia nuestro producto deseado, se tuvo una temperatura de 170 °C y una presión de 34.58 atm. Los resultados de los flujos a la salida del reactor eran los deseados por lo que la reacción pudo comportarse como teóricamente lo habíamos descrito. Como último punto, la red de intercambiadores de calor no fue necesaria ya que para llevar a cabo la producción del etilenglicol, solo se necesitan servicios de calentamiento y enfriamiento, como lo es el caso del rehervidor y del condensador de la columna de destilación que se tiene a la salida del reactor.

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5. CONCLUSIONES Derivado de la investigación realizada acerca del procedimiento de obtención del etilenglicol, se puede concluir que es de suma importancia el diseño que se elija para dicho objetivo, pues se debe de realizar una serie de análisis que involucren costos por servicios, materias primas, equipos que se requieren, etc. Por tal motivo el objetivo de este proyecto de investigación fue satisfecho, pues, se encontró una forma de calidad, potencial económico adecuado y rentabilidad viable para la producción del producto indicado. Se pusieron en práctica los conocimientos que hasta ahora nos han estado formando con un criterio que nos permite buscar alternativas para llevar a cabo prácticas industriales, ayudándonos de las herramientas implementadas para la ingeniería de estos procedimientos. De esta forma se logró el proponer un procedimiento para la elaboración de un producto tan importante como lo es el etilenglicol, el cual debido a su alta demanda para otros procedimientos, exigía de un proceso de elaboración detallado y de calidad. Es importante mencionar que así como en principio se propone esta vía de obtención, puede investigarse aún más con el fin de mejorar este método de obtención. Por ejemplo, una opción más seria involucrar la recirculación del óxido de etileno, así como buscar una alternativa para encontrar una cascada de calor en este procedimiento. Como podría ser involucrar la obtención de algún otro compuesto donde se obtenga a temperaturas bajas o por el contrario requiera de calentamiento, y de esta forma crear una res de intercambio térmico entre estos dos procesos, pero lográndose que ambos se economicen adecuadamente.

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6. BIBLIOGRAFÍA  Handbook Petrochemical Process 2010  Tesis “Anteproyecto de una planta elaboradora de etilenglicoles a partor de Óxido de Etileno”, Leonel Vázquez, 1981.  Elementos de la ingeniería de las reacciones químicas, H. Scott Fogler, 2001.  Procesos de transporte y operaciones unitarias, C. J. Geankoplis, 1998.  Problemas de ingeniería química, Joaquin Ocon Gracía – Gabriel Tojo Barreiro.  Manual del ingeniero químico, Perry.  “Reactores Quimicos”, Fidel Cunill, Barcelona 2010.

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