Producción combinada de fenol y acetona
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Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Departamento de Ingeniería Química
Resumen
RESUMEN
El fenol es un compuesto químico de gran importancia industrial y de elevada demanda a nivel global ya que es una sustancia precursora esencial para la fabricación de diversos productos.
El presente proyecto tiene como objetivo diseñar y evaluar un proceso integral para la producción de fenol mediante la vía del cumeno, en el cual también se obtiene acetona como subproducto de valor comercial. El diseño abarca la factibilidad económica preliminar, las etapas reactivas, el sistema de separación y la integración energética del proceso para la producción de 20 mil tn de fenol por año.
El proceso utiliza cumeno líquido y oxígeno proveniente de aire como materias primas.
Evaluando el potencial económico inicial, teniendo en cuenta la venta de producto y el costo de los reactivos se concluye que la ruta elegida no es rentable, motivo por el cual se decide la producción combinada de fenol y acetona, logrando así un proceso más eficiente y sostenible.
El diseño se realiza asistido por el simulador software UniSim Design® v390.1, basado en el diseño conceptual. Mediante diversos casos de estudio se definen las condiciones operativas de los diversos equipos y el modo de interconexión de los mismos.
El proceso cuenta con dos etapas reactivas. En la etapa de oxidación, el cumeno se transforma en hidroperóxido de cumeno (HPC) en medio básico empleando dos reactores de columna de burbujeo en serie modelados como reactores tanque agitado continuo en serie, operados a 100 °C y 709,1 kPa, con una relación molar de 1 y volúmenes de 120 y 20
m3, respectivamente. En esta etapa se alcanzaron selectividades a HPC de 0,86 y 0,62, y conversiones de cumeno de 0,71 y 0,57 en el primer y segundo reactor, respectivamente.
En la segunda etapa reactiva se lleva a cabo la descomposición del HPC en presencia de ácido sulfúrico a 5000 ppm utilizando dos reactores tanque agitados continuos en serie operados a 70 °C y 101,3 kPa, con volúmenes de 110 y 80 m3, respectivamente. Se obtuvieron selectividades de fenol y acetona cercanas a 0,99 y conversiones de HPC de 0,73 y 0,45 en el primer y segundo reactor, respectivamente.
Para el sistema de separación se evaluaron 14 secuencias posibles de las cuales se eligió la más adecuada teniendo en cuenta criterios operativos y de pureza. Del sistema de separación se obtuvieron corrientes con purezas de 99,7 % de fenol, 99,52 % de acetona, 99,43 % de ácido fórmico, 100 % de agua, 90,54 % de acetofenona y 8,45 % de DMPC. El proceso produce 26,36 kmol/h de fenol y 26,31 kmol/h de acetona, requiriendo 37 kmol/h de
cumeno y 221,85 kmol/h de aire, considerando el reciclo de cumeno.
Por último, se procede a realizar una integración energética y diseño de la red de intercambio de calor para optimizar los recursos obteniendo como resultado un ahorro energético de aproximadamente el 14,13% y 18,54% en servicios de refrigeración y calefacción, respectivamente.
Descripción
INDICE
RESUMEN.................................................................................................................................. 3
AGRADECIMIENTOS..................................................................................................... 5
PRÓLOGO ................................................................................................................................. 8
CAPÍTULO I................................................................................................................. 9
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 9
1.1 MERCADO ..................................................................................................................... 10
1.1.1 Aplicaciones industriales ........................................................10
1.1.2 Mercado de fenol y acetona a nivel global................................................ 11
1.1.3 Mercado de fenol y acetona a nivel nacional.............................................. 15
1.2 PROPIEDADES.............................................................................................................. 17
1.2.1 Fenol ........................................................................................................................ 17
1.2.2 Acetona.................................................................................................................... 18
1.2.3 Cumeno.................................................................................................................... 19
1.3 MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE FENOL .......................................................... 21
1.3.1 Proceso de sulfonación del benceno ............................................................. 21
1.3.2 Proceso de cloración de benceno.................................................................... 21
1.3.3 Proceso Raschig-Hooker......................................................................................... 22
1.3.4 Proceso de obtención de fenol por oxidación de cumeno................... 22
CAPÍTULO II ...................................................................................................................... 24
ANÁLISIS DEL PROCESO....................................................................................... 24
2.1 ETAPA REACTIVA I: OXIDACIÓN .............................................................. 24
2.2 ETAPA REACTIVA II: ESCISIÓN ..................................................................... 24
2.3 MATERIA PRIMA ............................................................................................... 25
2.4 FACTIBILIDAD ECONÓMICA PRELIMINAR .............................................. 25
2.5 SELECCIÓN DEL TIPO DE PROCESO............................................................. 26
2.6 ESTRUCTURA ENTRADA SALIDA .................................................................. 26
2.6.1 Purificación de la alimentación................................................................. 26
2.6.2 Reciclo y purga ........................................................................................................ 26
2.6.3 Esquema simplificado del proceso................................................................ 27
2.7 MODELO TERMODINÁMICO............................................................................. 27
CAPÍTULO III ..................................................................................................... 29
ETAPA REACTIVA I ..................................................................................................... 29
3.1 ANÁLISIS DE ETAPA REACTIVA I ................................................................. 29
3.1.1 Factibilidad termodinámica...................................................................... 29
3.1.2 Velocidad de reacción ............................................................................................. 30
3.2 DISEÑO DE ETAPA DE OXIDACIÓN ....................................................... 33
3.2.1 Análisis del reactivo limitante ....................................................................... 34
3.2.1.1 Caso I: oxígeno como reactivo limitante ................................................... 34
3.2.1.2 Caso II: cumeno como reactivo limitante .................................................. 37
7
3.2.2 Separación de impureza.......................................................................................... 41
3.2.3 Reactor II ................................................................................................................. 43
3.2.4 Purificación .............................................................................................................. 46
3.2.5 Resumen de la etapa de oxidación............................................................... 49
CAPITULO IV......................................................................................................... 52
ETAPA REACTIVA II .................................................................................................. 52
4.1 ANÁLISIS DE ETAPA REACTIVA II ................................................................. 52
4.1.1 Factibilidad termodinámica............................................................................. 52
4.1.2 Velocidad de reacción ............................................................................................. 53
4.2 DISEÑO DE ETAPA DE ESCISIÓN ...................................................................... 55
4.3 RESUMEN DE LA ETAPA DE ESCISIÓN ............................................................ 62
CAPÍTULO V................................................................................................................ 65
ETAPA DE SEPARACIÓN........................................65
5.1 FLASH ............................................................................................................................ 65
5.2 ANÁLISIS DE CONFIGURACIONES ................................................................ 66
5.3 ANÁLISIS DE LA PRIMERA COLUMNA....................................................... 70
5.4 ANÁLISIS DE LA SEGUNDA COLUMNA ............................................................ 72
5.5 ANÁLISIS DE LA TERCERA COLUMNA............................................................. 73
5.6 ANÁLISIS DE LA CUARTA COLUMNA...................................................... 75
5.7 ESQUEMA FINAL DEL SISTEMA DE SEPARACIÓN............................. 76
5.8 FLOWSHEET DEL PROCESO............................................................................. 79
CAPÍTULO VI .................................................................................................................. 80
INTEGRACIÓN ENERGÉTICA..................................................................................... 80
TECNOLOGÍA PINCH.......................................................................................................... 80
6.1 INTEGRACIÓN DE CORRIENTES ..................................................................... 80
6.2 RED DE INTERCAMBIO DE CALOR .............................................................. 82
CONCLUSIONES......................................................................................................... 87
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 88
APÉNDICE ................................................................................................................ 90